[미국] 그래핀 산화막으로 제지 산업 에너지 비용 절감 가능

미국의 펄프와 제지 산업은 나무에서 셀룰로오스 펄프를 생산하기 위해 많은 양의 물을 사용한다. 펄프 공정에서 나오는 물은 많은 유기 부산물과 무기 화학 물질을 포함하고 있어 물과 화학물질을 재이용하기 위해 제지공장은 물을 끓여 화학 물질과 분리하는 증기식 증발기에 의존한다.

증발기에 의한 물 분리는 효과적이지만 많은 양의 에너지가 필요하다. 이는 미국이 현재 세계 2위의 종이와 판지 생산국이라는 점에서 의미가 크다. 미국의 약 100개의 제지 공장은 연간 0.2쿼드의 에너지를 물 재이용에 사용하는 것으로 추정되며, 이는 가장 에너지 집약적인 화학 공정 중 하나이다. 로렌스 리버모어 국립 연구소에 따르면 2019년 미국의 모든 산업 에너지 소비량은 총 26.4쿼드였다.

폐수를 재이용하기 위해 에너지 효율이 높은 여과막을 설치하는 것도 대안이 될 수 있다. 그러나 기존의 폴리머 막은 지난 수십 년 동안 상업적으로 이용 가능했으며 폐수 및 기타 산업용 용수에서 발견되는 가혹한 조건과 높은 화학적 농도에서의 작동을 견딜 수 없다.

조지아공대 연구진이 탄소를 기반으로 한 내화학성 물질인 그래핀산화물(GO)로 만든 막을 엔지니어링해 산업 분야에 효과적으로 활용할 수 있는 방법을 찾아냈다.

연구원이자 조지아 공대 화학 및 생체 분자 공학 연구소의 산업 아웃리치 산카르 네어 부대표와 시몬스 교수는 "GO는 기존 막보다 훨씬 빠르게 물을 통과시킬 수 있는 놀라운 특성을 가지고 있다"며 "그러나 오랜 의문점은 어떻게 하면 GO 세포막을 높은 화학적 농도로 현실적인 조건에서 작동시켜 산업적으로 연관될 수 있도록 할 것인가 하는 것이었다"고 말했다.

새로운 제작 기술을 사용하여, 연구원들은 높은 화학 농도에서도 물을 효과적으로 걸러낼 수 있는 방법으로 GO 세포막의 미세 구조를 제어할 수 있다.
미국 에너지-RAPID연구소(Department of Energy-RAPID Institute)와 산림제품 업체들로 구성된 산업 컨소시엄, 조지아텍 재생 바이오제품 연구소의 지원을 받은 이 연구는 최근 학술지 '네이처 서스테이블(Nature Sustainability)'에 보도됐다. 생산 공정에서 많은 양의 물을 사용하는 많은 산업들은 이러한 GO 나노 여과막을 사용함으로써 이익을 얻을 수 있다.

이러한 새로운 구조를 만들기 위해, 연구팀은 GO 시트 사이에 큰 방향 염색 분자를 끼워 넣는 아이디어를 고안했다. 연구원 중전 왕, 천마, 천얀 쉬는 이 분자들이 다른 분자에 한 분자를 쌓는 것을 포함하여 여러 가지 방법으로 GO 시트에 강하게 결합한다는 것을 발견했다.

그 결과 염료 분자가 "필러" 역할을 하는 GO 시트 사이에 "갤러리" 공간이 생성되었다. 물 분자는 기둥 사이의 좁은 공간을 거치기 쉽고, 물 속에 존재하는 화학물질은 크기와 모양을 기준으로 선별적으로 차단된다. 연구원들은 막의 미세구조를 수직과 횡으로 조절할 수 있어서, 갤러리의 높이와 기둥 사이의 공간의 양을 모두 조절할 수 있었다.

연구팀은 이어 용해된 화학물질이 포함된 복수의 물줄기로 GO 나노 침전막을 시험해 고농도에서도 크기와 형태별로 화학물질을 거부하는 기능을 보여줬다. 결국, 그들은 그들의 새로운 GO 세포막을 길이가 최대 4피트인 시트로 확장했고, 제지 공장에서 파생된 실제 공급 흐름에서 750시간 이상 동안 그들의 작동을 시연했다.

네어는 제지공장 에너지 사용량에서 비용 절감 효과를 창출할 수 있는 GO 멤브레인 나노 주입의 잠재력에 대한 기대감을 나타내어 업계의 지속가능성을 개선할 수 있었다. 그는  "이 세포막들은 물 분리의 에너지 비용을 30% 이상 절감할 수 있다"라고 말했다.

조지아 테크(Georgia Tech)는 산업 파트너와 협력하여 펄프 및 종이 애플리케이션에 GO 멤브레인 기술을 적용하고 있습니다.

[출처 = Wateronline(https://www.wateronline.com/doc/graphene-oxide-membranes-could-reduce-paper-industry-energy-costs-0001) / 2021년 2월 24일]