GIST 김인수 교수 연구팀, 국제학술지 JMCA 표지논문 게재
오랜 기간 정삼투(Forward Osmosis) 공정에 대한 연구가 활발히 이루어져 왔으며, 정삼투 공정에 쓰이는 수처리막의 지지층(Support Layer)은 농도분극(Concentration Polarization) 현상을 악화시켜 수처리 효율을 감소시키는 주된 원인으로 지적되어 왔다.
이러한 현상은 지지층의 물리적 저항에 의해 발생되며, 실제 물의 이동을 발생시키는 두 용액간의 삼투압 차를 줄이기 때문에 물의 이동에 걸림돌이 된다. 특히 다공성 지지층 내부에서 발생하는 농도분극 현상은 수투과도 저하의 주된 원인이다.
광주과학기술원(GIST) 지구환경공학부 김인수 교수팀과 신소재공학부 윤명한 교수팀이 그래핀(Graphene)을 나노섬유 형태로 제작해 지지층이 없어도 물리적 강도 확보가 가능한 초고투과성 수처리막을 개발했다.
연구팀은 기존 정삼투 수처리막에서 지지층을 제거하고, 부직포 형태의 나노섬유를 적용하여 물리적 강도를 확보함과 동시에 농도분극현상을 현격하게 감소시켜 수처리 효율을 크게 개선하였다.
또한, 이번 연구에서 제작된 수처리막의 수투과도는 54.6 LMH(단위시간당 분리막의 단위면적당 투과되는 투과량을 나타내는 단위)로 현재 상용화된 수처리막(평균 30 LMH)보다 1.8배 뛰어난 성능을 갖추고 있다.
농도분극 현상은 지지층의 공극률 (Porosity)과 굴곡도 (Tortuosity) 및 두께에 의해 결정이 된다. 연구팀은 지지층을 제거하여 이 물리적 인자들을 완벽하게 제거함과 동시에, 그래핀 나노섬유 사이를 PVDF(Polyvinylidene fluoride) 재질로 채워 수처리막으로서의 기능을 확보할 수 있었다.
김인수 교수는 “이번 연구는 지지층 없이 그래핀과 나노섬유를 이용해 물리적 강도를 확보하면서 수처리 효율을 급격하게 향상시켜 수처리막 제작에 있어 돌파구를 마련한 첫 사례이며, 향후 수처리 시장에서 널리 적용되길 기대한다”고 말했다.
이번 연구는 국토교통부가 지원하는 플랜트 연구사업(해수담수화)의 지원을 받아 수행되었으며, 연구성과는 화학물리분야 국제학술지인 Journal of Materials Chemistry A(JMCA)에 4월 4일자 온라인 게재되었고, 표지논문(Frontispiece)으로 선정되었다.