<사진. 실레이티드 나노셀룰로오스 스펀지의 친수성 및 친유성 특징을 동시에 가지는 것을 증명 : 표면 위에 물방울(푸른 색)이 위치하는 한편, 오일 방울(붉은 색)은 재료에 흡수됐다.
출처. KISTI 미리안 글로벌동향브리핑>

오일 오염을 제어할 수 있는 나노셀룰로오스 스펀지

스위스 연방 과학 기술 연구소(Empa; Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology) 소속의 연구진은 나무 연구로부터 얻은 새롭고 흡수가 가능한 재료가 미래 오일 유출(oil spill) 사고에 대비할 수 있을 것이라고 제안했다. 가벼운 재료는 오일 유출을 흡수하고, 표면 위에 부유된 채 남아 이후 회수될 수 있다. 흡착제(absorbent)는 재활용된 종이, 나무 또는 농업 부산물 등으로부터 환경 친화적인 방식으로 생성될 수 있다. 관련 논문의 제목은 “물에서 오일을 선택적으로 제거하기 위한 초경량 및 유연한 실레이티드 나노셀룰로오스 스펀지(Ultralightweight and Flexible Silylated Nanocellulose Sponges for the Selective Removal of Oil from Water)”였다.

모든 산업 국가는 목적지까지 내륙 수로 또는 해양으로 운행하는 대형 선박에 의해 일반적으로 수송되는 다량의 오일을 필요로 한다. 오일 유출 사고 이후 자연을 정화시키는 가장 환경 친화적인 방법은 부유하는 오일 막을 흡수 및 회수하는 것이다. Empa 연구원인 Tanja Zimmermann과 Philippe Tingaut는 프랑스 보르도 대학(University of Bordeaux) 소속의 Gilles Sebe와 공동으로 물로부터 오일 막을 분리하는 매우 흡착력이 우수한 재료를 개발하는 데 성공했다. 이후 이러한 흡착제인 실레이티드 나노셀룰로오스 스펀지(silylated nanocellulose sponge)는 쉽게 회수될 수 있다.

실험실 테스트에서, 스펀지는 광유(mineral oil) 또는 엔진 오일의 자체적인 무게의 약 50배까지 흡수했다. 이 나노셀룰로오스 스펀지는 물로부터 집게로 제거될 수 있을 때까지 어느 정도 자체적인 형태를 유지할 수 있다. 다음 단계는 실험실 규모뿐 아니라 실제적인 재난에도 사용될 수 있도록 스펀지를 미세하게 조절하는 것이다. 이러한 최종적인 목표는 수행하기 위하여, 연구진은 현재 업계의 파트너를 찾고 있다.

스펀지를 위한 기본적인 재료인 NFC(Nanofibrillated Cellulose)는 목재 펄프(wood pulp), 밀짚과 같은 농업 부산물 또는 재활용된 종이와 같은 폐기물과 같은 셀룰로오스를 함유하는 재료(cellulose-containing materials)에 물을 추가하고 고압에서 몇 가지 좁은 노즐을 통하여 수용성 펄프를 압착시킴으로써 추출된다. 이것은 길고 상호 연결된 셀룰로오스 나노섬유(cellulose nanofibre)를 함유하는 젤과 같은 특징을 가지는 부유물을 생성한다.

젤로부터 물이 냉동 건조에 의한 공기로 대체될 때, 나노셀룰로오스 스펀지는 물과 오일 모두를 흡수하도록 형성된다. 이러한 원래의 재료는 물에 가라앉고, 따라서 구상한 목표를 위하여 유용하지 않다. Empa 연구진은 냉동 건조하기 전 젤에 활성 알콕시실란 분자(alkoxysilane molecule)를 혼합함으로써 단일 공정 단계에서 나노셀룰로오스의 화학적 특성을 변형하는 데 성공했다. 나노셀룰로오스 스펀지는 자체적인 친수성 특성을 잃게 되고, 물과 더 이상 퍼지지 않고 오일성 물질과만 결합한다.

실험실에서 실레이티드 나노셀룰로오스 스펀지는 수 초 이내에 엔진 오일, 실리콘 오일, 에탄올, 아세톤 또는 클로로포름 등과 같은 테스트 물질을 흡수했다. 따라서 NFC 스펀지는 몇 가지 바람직한 특징이 조화를 이룬다. 이 물질은 흡착제이며 완전히 포화될 때조차 물 위에서 확실하게 뜨고 생물 분해가 가능하다.

이 연구에서, 연구진은 물에서 기발하고 효율적인 실릴화 공정(silylation process)을 이용하여 소수성이며 유연할 뿐 아니라 초경량(ρsponge ≤ 17.3 mg/cm3)인 나노셀룰로오스 스펀지의 용이한 합성을 보고했다. 높은 투과성(porosity, ≥99%)을 가지는 이러한 기능성 재료는 다양한 농도의 메틸트리메톡시실란 교질 용액(methyltrimethoxysilane sol) 존재 하에서 재생 자원으로부터 격리된 자연적인 나노재료인 NFC의 냉동 건조 수중 부유(water suspension)에 의해 용이하게 공학적으로 제어된다.

현미경 및 고체 NMR(solid state nuclear magnetic resonance) 분석은 스펀지가 폴리실록산(polysiloxane)으로 덮여 있는 얇은 시트와 나노필라멘트의 3차원 셀룰로오스성 네트워크로 구성된다는 것을 규명했다. 상용 무기 다공성 재료와 비교했을 때, 실레이티드 NFC 스펀지는 50% 압축 변형 이후 원래 두께의 96%까지 상응하는 최대 형태 회수를 보여주었으며, 이례적인 유연성을 기록했다. 또 스펀지는 친수성과 친유성 특징을 보두 결합하고 있으며, 뛰어난 선택성과 재순환성을 가지고 물 표면으로부터 도데칸(dodecane) 유출을 제거하는 데 매우 효율적이라는 사실이 입증됐다.

최종적으로 스펀지는 액체의 밀도에 따라 자체적인 중량의 100배의 흡착 용량으로 다양한 유기 용매와 오일을 수집할 수 있다. 이러한 다재다능한 방안은 제어된 특성을 가지는 새롭고 개선된 기능성 바이오재료의 고안을 위한 새로운 기회를 열었다.

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