KIMS 해외단신 110호 (2012.02.03)

NIMS 등, 여과속도 3자릿수 향상된 유기용매용 여과필터 개발

   일본 마이나비뉴스 2012년 1월 27일자 기사에서는 일본 물질·재료연구기구(NIMS)와 과학기술진흥기구(JST)가 여과속도가 향상된 유기용매용 여과필터를 개발했다고 밝혔다.

   다음은 관련기사에서 발췌, 번역한 내용이다.

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   물질·재료연구기구(NIMS)와 과학기술진흥기구(JST)는 1월27일 유기용매에 내성이 있는 박막 ‘다공성카본필름’을 개발, 불순물 여과속도를 종래의 여과필터보다 약 3자릿수 향상시키는 것에 성공했다고 발표했다. NIMS 첨단공통기술부문 고분자재료유닛 연구그룹의 이번 개발성과는 美 과학잡지 'Science'에 1월 27일 게재되었다.

   물부족은 세계적인 문제이며 이에 따라 물처리기술에 대한 기대가 높아지고 있는 추세이다. 일본 제조업이 생산하고 있는 물처리막은 해수염수화 및 폐수처리와 관련된 많은 분야에 이용되고 있으며 세계 시장 점유율도 높다. 하지만 이러한 기존의 필름에도 결점이 있다. 예를 들면, 막을 형성하고 있는 고분자는 산 및 알칼리, 화학약품에 의해 점차 분해된다. 또한 많은 고분자막은 고온에서 가열하면 그 성능이 저하되고 유기용매에 따라서는 용해되는 경우도 있다. 현재는 고분자막의 내부에 수나노미터의 유로(流路)를 형성하는 기술도 충분히 확립되어 있지 않은 상황이다. 내유기용매성의 세라믹필름분야에서는 직경 1nm정도의 미세한 구멍을 가지는 물처리막이 제조되었지만 이러한 막을 얇고 균질하게 만들기에는 한계가 있어 유속이 현저히 떨어진다. 더욱이 현재의 필름으로는 유기용매를 고속으로 투과시키는 것이 불가능하다. 카본필름은 가스 및 수증기의 분리막으로 오랫동안 연구대상이었으나 유기용매를 고속으로 투과시키지 못한다. 유기용매의 고속투과를 실현하기 위해서는 역학적 강도가 큰 박막의 카본필름에 용매분자보다 더 큰 관통공을 형성시킬 필요가 있지만 지금까지의 막 제조법으로는 이를 실현하기 어려웠다.

   이번 연구에서는 고강도 코팅에 사용되는 ‘다이아몬드상 카본(diamond-like carbon:DLC)의 제조방법인 ‘플라즈마 CVD법’을 응용하여 기공 지름이 큰 알루미늄기판 위에 두께 35nm 고강도 카본필름을 자립막으로 형성했다. 또한 막을 제조하는 과정에서 기판온도를 제어하여 카본필름의 내부에 약 1nm의 유로를 다수 형성시키는 것에 성공, 유기용매의 고속투과를 실현하였다.

   고성능 여과필터의 제조방법은 다음과 같다. 양극산화를 통해 만들며, ‘나노 스트란드’로 불리는 미세의 무기섬유를 여과해 알루미늄막의 표면을 균일하게 덮는다. 다공성 알루미늄막은 수직의 관통공이 형성되어 있어 여과성능이 우수한 기판이라는 특징이 있다. 또한 나노스트란드라는 것은 동 및 아연, 카드뮴 등의 질산염이 희박한 수용액에 알칼리를 추가함으로써 형성되는 미세의 나노섬유이다. 이렇게 제조된 막에 아세틸렌 등의 가스를 원료로 플라즈마 증착을 이용해 DLC막을 형성시킨 후 산으로 처리함으로써 나노스트란드층을 제거한다. 이러한 방법을 통해 영률이 170GPa(다이아몬드의 약 7분의1)인 고강도 카본필름을 제작할 수 있다. 카본필름에는 직경 약 1nm인 관통공이 다수 형성되어 있어 감압 여과를 통해 ‘아조벤젠’(분자량:182.2, 평균분자사이즈:0.69nm)을 94.4%, ‘프로토포르피린’(분자폭: 1.47nm)을 100% 제거할 수 있다. 아조벤젠은 붉은색의 유기화합물로 분자량 182.2는 톨루엔의 약 2배다. 한방향의 프로토포르피린은 통상 프로토포르피린 IX을 가리키며 이 철착제는 액체 내에 있는 탄소의 운반에 관여하고 있는 물질이다. 유기용매의 투과속도는 가솔린에 많이 포함되어 있는 ‘헥산’으로 239L/hㆍm2ㆍbar가 된다. 또한 여과필터의 내압성은 20기압까지 확인되어 압력에 비례해 투과속도가 커진다는 사실을 알 수 있었다. 고강도 카본필름은 10nm까지 박막화하는 것이 가능하다. 이 경우, 세공사이즈는 3nm정도가 되지만 헥산의 투과속도는 1800L/hㆍm2ㆍbar를 넘는다. 이들의 가치는 시판 유기용매용 여과필터보다 약 100배 이상이며 이는 세계 최고성능이라고 할 수 있다.

   이번에 개발된 고성능 여과필터는 유기용매를 고속으로 투과시키는 획기적인 것으로 화학공업분야 제품(도료, 기능성고분자, 의약품 등)의 분리, 촉매 등이 혼재한 유기용매의 재활용 등에 응용할 수 있다. ‘오일샌드’(캐나다 및 베네수엘라 등에 분포해 있는 점성이 높은 광물유분을 포함하는 사암)에서 원유를 추출하려면 기존의 필터는 내성이 약해 오일을 포함한 배수를 처리하는 것이 불가능하다. 하지만 내유기용매성의 여과필터를 사용하면 오일을 포함하는 수용액에서 미립자(콜로이드상의 점토 등)를 제거할 수 있어 물을 효율적으로 이용할 수 있게 된다. 또한 만일 유해물질이 지표수에 혼입한 경우에도 오염수의 ‘1차 처리’에 이용할 수 있다고 한다. 오일성분을 포함하는 오염수의 처리는 번거로운 일이나 포함되는 콜로이드상의 물질(나노입자상의 점토)을 제거할 수 있으면 그 처리가 쉬워진다. 내유기용매성 여과필터로 콜로이드상의 물질을 제거한 후에 흡착제 및 막분리법을 이용하면 물의 정화 프로세스가 완성된다.

   도시부의 환경오염을 저감시키기 위해 저유황 디젤유로의 전환 요구가 높아지고 있어 현재 유황의 함유량을 10ppm이하로 하기 위한 수소화처리 및 제올라이트를 통한 흡착처리 등이 시행되고 있다. 이번에 개발된 고성능 여과필터를 이용하면 분자상의 유황화합물을 제거할 수 있는 가능성이 있어 깨끗한 초저유황 디젤유의 제조에 공헌할 수 있을지도 모른다고 한다. 플라즈마 CVD에 의한 고강도 카본필름의 제조는 산업계에 넓게 보급되어 있다. CVD법을 이용한 대면적화는 쉬워 실용화의 걸림돌이 되지 않는다. 고강도카본필름을 형성하기 위한 기판은 카본필름과 같은 내용매성과 역학적 성질을 가지고 있어야 한다. 현재는 양극산화에 의해 제조된 다공성 알루미늄막을 기판으로 사용하고 있지만 대면적의 여과필터를 제조해 이를 모듈화하는데는 한계가 있다. 연구팀은 향후에는 탄소섬유시트 등의 첨단소재를 기판으로 이용해 고성능여과필터의 양산화가 실현되고 다양한 용도로 사용될 것이라고 말한다.

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