<사진.  KISTI 미리안 사진자료
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>

다공성 그래핀 멤브레인을 이용한 담수화 기술

지구 상에 존재하는 물 중에서 마실 수 있는 물은 1%에 채 미치지 못하고 있다. 바닷물에서 소금과 다른 미네랄을 제거하면 인류의 물 문제를 해결하는 데 큰 도움이 될 수 있다. 연구진은 이번에 탈염화 기술을 경제적이고 효율적으로 만들 수 있는 새로운 연구결과를 발표했다. 미국 오크리지국립연구소는 그래핀으로 만들어진 다공성 멤브레인을 이용하여 이번 기술을 완성했다.

연구진은 강하면서 매우 슬림한 그래핀을 이용하여 에너지 효율성이 매우 높은 탈염화 기술을 선보였다. 그래핀은 탄소원자가 육각형 벌집모양을 이루고 있는 새로운 소재이다. 이번 연구결과는 저널 Nature Nanotechnology에 최근 게재되었다. “이번 연구는 프리스탠딩 다공성 그래핀을 이용하여 바닷물을 정제하는 것이 가능하다는 개념증명”이라고 이번 연구진을 이끈 Shannon Mark Mahurin 교수는 설명했다. 다공성 그래핀 멤브레인은 기존의 폴리머 기반의 멤브레인 기술보다 그 효과가 훨씬 뛰어나다는 것이 입증되었다.

증류나 역삼투 방식을 포함한 물을 정제하는 현재의 기술은 가열에 필요한 에너지를 비롯하여 응축 등에도 많은 에너지가 소요된다. 이번 오크리지국립연구소의 이번 연구는 이러한 에너지 소비를 크게 줄이는데 도움이 될 것으로 기대된다.

그래핀에 기공을 만드는 것이 이번 기술의 핵심이다. 기공이 없으면 물은 멤브레인 한 면에서 다른 면으로 이동할 수가 없다. 물 분자는 그래핀을 통과하기에는 상대적으로 매우 크다. 그러나 메시와 같이 촘촘한 구멍은 물 분자보다 커서 쉽게 통과할 수 있다. 반면에 소금 이온은 물 분자보다 상대적으로 커서 멤브레인 기공을 통과할 수 없다. 다공성 멤브레인은 역삼투를 비롯하여 여러 방면에 활용될 수 있다.

현재 역삼투 기술에는 폴리머가 주로 사용되고 있다. 필터는 얇고 지지대를 필요로 한다. 소금물을 한 면에서 강하게 밀어 반대편으로 보내는 압력 방식을 이용하고 있다. 이러한 기술에서 기공의 양을 늘리고 두께를 줄이면 훨씬 많은 양을 한번에 정제할 수 있다. 이는 결국 에너지 소비를 줄이는 것으로 이어진다.

그래핀은 단원자 두께로 매우 유연하면서도 강하다. 기계적 화학적 안정성은 새로운 멤브레인 소재로서의 가능성을 보여준다. 또한 다공성 그래핀 멤브레인은 폴리머 멤브레인에 비해 거의 영구적으로 사용 가능하다. 만약에 이러한 그래핀을 대면적으로 만들 수 있다면 지금의 정제과정은 훨씬 효율적이고 경제적으로 바뀔 수 있으며 이를 통해서 많은 나라에서 겪고 있는 물 문제를 해결하는 데 큰 도움이 될 것이라고 연구진은 설명했다.

그림. 오크리지국립연구소 연구진은 그래핀에 나노기공을 만들었다. 붉은 색으로 표시되는 그래핀 내에는 기공이 존재하고 노란색의 실리콘 원자는 전체 구조를 안정화시키는 역할을 한다. 다공성 구조체는 바닷물을 담수로 바꾸는 멤브레인으로 활용될 수 있다.

■ KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 http://mirian.kisti.re.kr