[논문]고선택성 유수분리 소재 기술

엄성현; 최광순; 이동헌

doi:10.14478/ace.2019.1017

고선택성 유수분리 소재 기술
Advances in Highly Selective Materials for the Separation of Oil-Water 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.30 no.2, 2019년, pp.141 - 144

엄성현 (고등기술연구원 플랜트엔지니어링 본부) , 최광순 (고등기술연구원 플랜트엔지니어링 본부) , 이동헌 (고등기술연구원 플랜트엔지니어링 본부)

초록
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물 재이용을 위한 오일 폐수 처리 기술은 일반적으로 물과 오일을 분리하고자 하는 유수분리장치를 이용하는데, 최근 다양한 표면 개질 방법을 이용하여 기능성이 향상된 유수분리막을 기반으로 유수분리장치를 구현하고자 하는 연구개발이 지속적으로 이어지고 있다. 분리막 소재 기술은 분리 선택성 및 내구성 등 성능뿐만 아니라 경제성 및 가공성등 상용화를 위한 적용성이 검토되어야 하며, 소재의 최적 성능을 최대한 발휘될 수 있도록 효과적인 장치가 구비되어야 한다. 본 논문에서는 분리막 소재의 상용 수준의 대면적 가공성 및 효과적인 유수분리 장치에 대해서 고찰하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Oil-water separators are commonly used in the oily wastewater treatment for the reuse of water resources. Recently, various approaches have been conducted to design and manipulate the oil-water separator installed with highly functionalized membranes. Membrane technologies should encompass the selectivity, durability, economics and processability of materials, and effective oil water separators be also developed to exhibit the optimal performance of the materials. In this mini-review, we highlight the large scale fabrication of membrane materials and the effective design of oil water separators.

주제어

표/그림 (5)

그림 Figure 1. (a) Schematic illustration of oil collection by graphene vessel[9], and (b) photograph of a 3D structural graphene foam and schematic illustration of three different types of graphene by using surface treatment and their selective filtering properties[10].
그림 Figure 2. SEM images of the reference stainless steel membrane (a) and of the plasma treated membranes (b) and (c). Magnified view of the knitted wire surface of the untreated membrane (d) and of the plasma treated surfaces (e) and (f). Scheme of the oil-water separation system principle[11].
그림 Figure 3. (a) Schematic description of the experimental set-up for the preparation of hydrophobic coating[16] and (b) the preparation of dip-coating solution[8]. Optical images of the (c) dip-annealed fabric [17]. The inset in (c) is optical image of the water droplet and water contact angle of the washed dip-annealed-fabric.
그림 Figure 4. (a) Picture of an automated instrument used for the dip-coating process. (b) Optical images of hydrophobicity by pouring water on the surface of each samples. (c, d) Optical images of beginning of the spontaneous oil collecting experiment and (e, f) 15 min after the experiment[18].
그림 Figure 5. (a) A pumped porous hydrophobic oleophilic material (PHOM) device for oil spill remediation[19]. (b) Schematic illustration of the internal structure and detailed design with floating baffles of a rotating cylinder type oil water separator[20].

AI 본문요약
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문제 정의

다만, 소재 기반의 유수분리 기술은 소재의 성능과 선택도뿐만 아니라 가격 및 내구성, 복잡한 생산공정 및 실제 환경의 적용성 등 여러 가지 한계점들 때문에 실제 적용하는데 어려움이 발생한다. 본 총설에서는 유수분리 기술에 적용되고 있는 소재 중에 대면적 혹은 대용량 연속공정이 가능한 제조 기술을 소개하며, 더불어 실제 유수분리 공정을 적절히 적용할 수 있는 장치를 구현할 수 있는 방안을 고찰하고자 한다.

제안 방법

다만, 열적 안정성이 높지 않기 때문에 CVD법을 활용할 수가 없다. Figure 3에는 이러한 소재의 열적 안정성 문제를 해결하기 위하여 CVD법을 이용하여 초발수 분말을 제조하고, 침지법(dip-coating)을 이용하여 섬유 소재에 코팅함으로써 초발수 능력을 발휘할 수 있는 흡유재를 제조하였다[8,17]. 두 개의 공정을 적절히 혼용함으로써 특히, 천연섬유 소재인 케이폭(kapok) 표면에까지도 초발수성을 부여할 수 있는 장점이 있다[8].
Figure 5에서는 발수성 소재를 적절히 활용하기 위한 장치를 구현한 예를 보여주고 있다[19,20]. 공통적으로 PDMS(polydimethysiloxane)고분자를 소재에 적절히 코팅함으로써 초발수성(hydrophobicity)을 부여하는 방식으로 필터 혹은 분리막을 제조하였다. Figure 5(a)에 다공성 흡유재(porous hydrophobic oleophilic materials, PHOM)를 활용하여 유출된 오일 폐수를 실시간으로 회수할 수 있는 개념을 보여주고 있다.
이에 비해 Figure 5(b)에서는 온전한 유수분리막으로써 장치에 적용하였다. 회전하는 타공 원통 구조의 반응기 외벽을 분리막으로 감싸는 구조로 구성하며, 부유형 방해판(floating baffles)을 내부에장착하여 처리 효율을 증대시켰다. 방해판은 폐수 내의 오일 성분이 원통 바깥에 위치한 유수분리막 방향으로 강제적으로 이동할 수 있도록 역할을 한다.

성능/효과

Figure 5(a)에 다공성 흡유재(porous hydrophobic oleophilic materials, PHOM)를 활용하여 유출된 오일 폐수를 실시간으로 회수할 수 있는 개념을 보여주고 있다. 소재의 흡유 능력이 제한적이기 때문에 적정 처리 용량을 소화하기 위해 소재가 다량 필요한 문제를 적절한 펌핑 기술과 공정 설계기술을 적용함으로써 오일 분리 및 회수 효율을 획기적으로 개선시킬수 있었다. 이에 비해 Figure 5(b)에서는 온전한 유수분리막으로써 장치에 적용하였다.

후속연구

그래핀 기반 분리막은 기능성과 대면적화 관점에서는 무리가 없으나, 소재 자체가 고가이며, 기능성을 부가하는 공정에서도 많은 비용이 소요되기 때문에 경제적인 측면에서 풀어야 할 숙제들이 많다. 따라서 오일 폐수 처리와 같은 범용성 높은 적용처보다는 고감도 센서 등의 부품에 감도 증폭을 위한 필터와 같이 부가가치를 높이는 용도로 특화하는 것이 적절할 것으로 사료된다.
때문에 보다 특화된 기능성 소재의 개발을 위해서는 기초적인 이론과 모델의 정립이 선행되어야 할 것이다. 이론적 토대 위에 장치 설계 기술이 더해지면, 다양한 형상의 오일 폐수 처리가 가능해질 뿐만 아니라 대용량 소재 제조 기술 및 대용량 오일 폐수 처리 기술 개발이 촉발될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유수분리를 위한 분리막 소재는 어떤 것이 있는가?	유수분리를 위한 분리막 소재는 금속, 섬유, 고분자, 카본 등을 기반으로 메쉬(mesh), 파우더(powder), 스폰지(sponge) 혹은 폼(foam) 형태로 가공되어 사용된다[7-13]. 또한 전기방사(electrospinning), 선택적 에칭(selective etching), 자기조립(self-assembly), 고분자 접합(polymer grafting), 나노튜브 성장(nanotube growth) 및 인쇄기법(lithography) 등을 활용하며, 표면 에너지와 표면의 기하학 구조를 적절히 제어하여 표면의 젖음성을 극단적으로 조율하는 방식으로 분리막 표면에 기능성을 부여하고 있다[11-14].
	오일 폐수 처리를 위한 분리막 기술의 장점은 무엇인가?	특히, 분리막 기술 개발과 적용이 확대되면서 유류에 오염된 폐수 처리에도 분리막 소재와 공정이 적용되고 있다. 특히, 오일 폐수 처리를 위한 분리막 기술은 높은 효율 및 성능 안정성, 상대적으로 낮은 운영비, 화학적 안정성 및 높은 공간 활용성 등으로 유망한 기술로써 평가받고 있다[1-3].
	분리막 소재의 선택성을 향상하기 위한 방법은 어떤 것이 있는가?	유수분리에 적용되고 있는 분리막 소재의 선택성을 향상시키기 위해서는 물과 오일 성분의 표면 젖음성(wettability)을 세밀하게 설계하여 물과 오일 성분에 대하여 뚜렷한 정반대의 친화력(affinity)을 가지게 하는 것이다[4-6]. 고선택성을 위한 유수분리를 위해 두 가지 종류의특수한 젖음성 소재가 적용 가능하다. 발수성-친유성(hydrophobic-oleo- philic) 소재와 친수성-발유성(hydrophilic-oleophobic) 소재 형태로 구성하는 것이다. 예를 들어, 초발수/초친유(superhydrophobic-superoleo- philic) 소재는 오일 폐수로부터 오일 성분만을 선택적으로 제거하는 용도로 적용된다.

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동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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