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[미국] UCLA , 차세대 필터에 더 좋은 막이 될 수 있는 기술연구
2019년 08월 23일 (금) 09:45:58 워터저널 webmaster@waterjournal.co.kr

[미국] UCLA , 차세대 필터에 더 좋은 막이 될 수 있는 기술연구

바닷물에서 음용수 추출, 폐수처리, 신장 투석 등은 막 여과라는 기술을 사용하는 몇 가지 중요한 과정일 뿐이다.

이 공정의 핵심은 막 필터 - 물과 같은 특정 물질이 통과하면서 원치 않는 다른 물질을 분리하는 얇은 반물질 필름이다. 그러나 지난 30년 동안 상업적으로 생산된 막 필터의 핵심 층을 구성하는 재료에 대한 유의미한 개선은 없었다.

이제 UCLA 연구원들은 막 필터를 만들기 위한 박막 리프( thin-film liftoff), 즉 'T-FLO'라는 새로운 기술을 개발했다. 이 접근방식은 제조업체가 고성능 플라스틱, 금속 유기체 프레임워크 및 탄소 소재를 사용하여 보다 효과적이고 에너지 효율적인 막을 만들 수 있는 방법을 제공할 수 있다. 현재까지, 필터를 만드는 방법의 제한은 그러한 재료들이 산업 생산에서 실행될 수 없도록 했다.

이 작품을 기술한 연구는 『나노 레터즈지(journal Nano)』에 실렸다.

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 UCLA 홍명기(Myung Ki Hong) 박사 및 이번 연구의 수석저자인 리차드 케너(Richard Kaner) 교수는 "실험실에는 훌륭한 분리를 할 수 있는 많은 재료들이 있지만, 그것들은 확장 가능하지 않는다"라면서 "이 기술로 이런 소재들을 취해서 확장 가능한 박막을 만들어서 유용하게 만들 수 있다"라고 말했다.

리차드 케너(Richard Kaner) 교수는 이어 "현재 기술을 이용해 수행하는 여과물의 종류 개선 잠재력 외에도 'T-FLO'를 이용해 생산되는 막이 일련의 새로운 여과물을 가능하게 할 수 있다"라고 강조하면서 "UCLA의 나노시스템스 연구소 예를 들어, 이 기술은 언젠가는 산업 배출물에서 이산화탄소를 배출하는 것이 가능해질 수 있는데, 이는 탄소를 연료나 다른 용도로 전환시키는 동시에 오염도 줄일 수 있게 할 것이다"라고 말했다.

담수화에 사용되는 필터와 같은 필터를 비대칭 막이라고 하는 것은, 두 개의 층이 있기 때문이다. 즉, 얇지만 촘촘한 '활성' 층은 특정 크기 이상의 입자를 거부하며, 막 구조를 주고 역삼투과 기타 필터링 과정에 사용되는 고압을 저항할 수 있는 다공성 '지지' 층이다. 담수화를 위한 첫 번째 비대칭 막은 1960년대에 UCLA 엔지니어들에 의해 고안되었다.

오늘날의 비대칭 막은 활성층을 지지층에 선정하거나 동시에 선정하는 방식으로 만들어진다. 그러나 보다 진보된 재료를 사용하여 활성층을 제조하려면 엔지니어는 용매나 높은 열을 사용해야 한다. 이 두 가지 모두 지지층을 손상시키거나 활성층이 달라붙는 것을 방지한다.

'T-FLO' 기법에서는 활성층을 유리판이나 금속판에 액체로 주조하여 경화시켜 활성층을 고체 상태로 만든다. 다음으로 섬유로 보강된 에폭시로 만든 지지층을 더하고 막을 가열하여 에폭시를 굳힌다.

지원 계층에서 에폭시의 사용은 'T-FLO' 기법을 구별하는 혁신이다. 즉, 지원 계층을 손상시키지 않고 화학 물질이나 높은 열로 처리할 수 있도록 활성 계층을 먼저 만들 수 있다.

그런 다음 막은 물에 잠겨 에폭시 내 모공을 유도하는 화학물질을 씻어내고 유리나 금속 시트에서 막을 느슨하게 한다.

마지막으로, 그 막은 칼날과 함께 판에서 벗겨진다. 즉, 그 방법의 이름을 주는 '라이프토프(liftoff)'이다.

'T-FLO' 과정을 발명한 UCLA 박사후 학자인 브라이언 맥베리(Brian McVerry)는 "전 세계 연구진이 소금, 가스, 유기물을 산업적으로 분리하는 것보다 더 효과적으로 분리할 수 있는 새로운 흥미로운 물질들을 많이 보여주었다"라면서 "하지만, 이러한 재료는 분리를 너무 느리게 수행하는 비교적 두꺼운 필름이나 산업적으로 스케일링하기 어려운 작은 샘플로 제작되는 경우가 많다"고 강조했다..

브라이언 맥베리(Brian McVerry)는 이어 "우리는 연구자들이 그들의 새로운 물질을 실제 애플리케이션에서 시험할 수 있는 크고 얇은 비대칭 막 구성으로 사용할 수 있도록 하는 플랫폼을 시연했다"고 밝혔다.

연구진은 'T-FLO'를 이용해 생산한 막에 대해 물에서 염분을 제거해 실험한 결과, 담수화에서 흔히 발생하는 문제 중 하나인 미생물과 다른 유기물질이 막힘이 될 수 있다는 가능성을 보였다. 비록 물에 염소를 첨가하면 미생물을 죽일 수 있지만, 이 화학물질은 또한 대부분의 막이 부서지게 한다. 이 연구에서 'T-FLO' 막은 모두 염분을 거부했고 염소에 저항했다.

다른 실험에서도 새로운 막은 용해 폐기물에서 유기물을 제거하고 온실가스를 분리할 수 있었다.

UCLA 박사과정 학생인 매켄지 앤더슨은 이 연구의 공동저자다.

[원문보기]

Technique Could Make Better Membranes For Next-Generation Filtration

Deriving drinkable water from seawater, treating wastewater and conducting kidney dialysis are just a few important processes that use a technology called membrane filtration.

The key to the process is the membrane filter ? a thin, semi-porous film that allows certain substances such as water to pass through while separating out other, unwanted substances. But in the past 30 years, there have been no significant improvements in the materials that make up the key layers of commercially produced membrane filters.

Now, UCLA researchers have developed a new technique called thin-film liftoff, or T-FLO, for creating membrane filters. The approach could offer a way for manufacturers to produce more effective and energy-efficient membranes using high-performance plastics, metal-organic frameworks and carbon materials. To date, limitations in how filters are fabricated have prevented those materials from being viable in industrial production.

A study describing the work is published in the journal Nano Letters.

“There are a lot of materials out there that in the lab can do nice separations, but they’re not scalable,” said Richard Kaner, UCLA’s Dr. Myung Ki Hong Professor of Materials Innovation and the study’s senior author. “With this technique, we can take these materials, make thin films that are scalable, and make them useful.”

In addition to their potential for improving types of filtration that are performed using current technology, membranes produced using T-FLO could make possible an array of new forms of filtration, said Kaner, who also is a distinguished professor of chemistry and biochemistry, and of materials science and engineering, and a member of the California NanoSystems Institute at UCLA. For example, the technique might one day make it feasible to pull carbon dioxide out of industrial emissions ? which would enable the carbon to be converted to fuel or other applications while also reducing pollution.

Filters like the ones used for desalination are called asymmetric membranes because of their two layers: a thin but dense “active” layer that rejects particles larger than a specific size, and a porous “support” layer that gives the membrane structure and allows it to resist the high pressures used in reverse osmosis and other filtering processes. The first asymmetric membrane for desalination was devised by UCLA engineers in the 1960s.

Today’s asymmetric membranes are made by casting the active layer onto the support layer, or casting both concurrently. But to manufacture an active layer using more advanced materials, engineers have to use solvents or high heat ? both of which damage the support layer or prevent the active layer from adhering.

In the T-FLO technique, the active layer is cast as a liquid on a sheet of glass or metal and cured to make the active layer solid. Next, a support layer made of epoxy reinforced with fabric is added and the membrane is heated to solidify the epoxy.

The use of epoxy in the support layer is the innovation that distinguishes the T-FLO technique ? it enables the active layer to be created first so that it can be treated with chemicals or high heat without damaging the support layer.

The membrane then is submerged in water to wash out the chemicals that induce pores in the epoxy and to loosen the membrane from the glass or metal sheet.

Finally, the membrane is peeled off of the plate with a blade ? the “liftoff” that gives the method its name.

“Researchers around the world have demonstrated many new exciting materials that can separate salts, gases and organic materials more effectively than is done industrially,” said Brian McVerry, a UCLA postdoctoral scholar who invented the T-FLO process and is the study’s co-first author. “However, these materials are often made in relatively thick films that perform the separations too slowly or in small samples that are difficult to scale industrially.

“We have demonstrated a platform that we believe will enable researchers to use their new materials in a large, thin, asymmetric membrane configuration, testable in real-world applications.”

The researchers tested a membrane produced using T-FLO for removing salt from water, and it showed promise for solving one of the common problems in desalination, which is that microbes and other organic material can clog the membranes. Although adding chlorine to the water can kill the microbes, the chemical also causes most membranes to break down. In the study, the T-FLO membrane both rejected the salt and resisted the chlorine.

In other experiments, the new membrane was also able to remove organic materials from solvent waste and to separate greenhouse gases.

Mackenzie Anderson, a UCLA doctoral student, is co-first author of the study.

The research was supported by the U.S./China Clean Energy Research Center for Water-Energy Technologies and the National Science Foundation. The project is aligned with UCLA’s Sustainable LA Grand Challenge.

Among the many other devices developed by Kaner’s laboratory is a commercial membrane that separates oil from water and cleans up the debris left by fracking. Fracking is a technique that uses high-pressure mixes of water, sand or gravel and chemicals to extract gas and oil from shale rock.

Kaner is among the world’s most highly cited scientific researchers, and he was one of the 2019 recipients of the American Institute of Chemists’ Chemical Pioneer Award, which honors chemists and chemical engineers for contributions that advance the science of chemistry or the chemical profession.

[출처=워터온라인(https://www.wateronline.com/doc/technique-could-make-better-membranes-for-next-generation-filtration-0001) / 2019년 8월 20일]

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