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그래핀 뉴스 WRITTEN BY Graphene Square 2017-01-16

그래핀의 수질 정화 효과

 물은 생명의 근원이라 할 만큼, 모든 생명체에게 필수적인 요소입니다. 만약 물이 부족하다면, 우리가 일상 생활을 하는데 큰 불편함을 겪게 될 것입니다. 그러나 더 큰 문제는 농사를 짓기 위해 필요한 물이 부족해지면 식량부족으로까지 이어질 수 있다는 것입니다. 현재 전세계적으로 물 부족 사태가 오랫동안 지속되고 있기 때문에, 효과적으로 물을 정수하는 방법과, 바닷물을 담수화하는 기술의 개발이 필요합니다.

 

About Water Treatment
 세계 인구의 급격한 증가와 도시화, 산업화 등으로 물의 소비는 점점 늘어나고 있는 반면, 수질오염과 물 부족 문제로 깨끗한 물을 얻기가 점점 어려워지고 있습니다. 이에 따라 더러운 물을 정화하여 각기 목적에 적합하도록 처리하는 수 처리 과정이 매우 중요하게 생각되고 있습니다.
모든 수 처리 과정은 고체, 박테리아, 미생물, 조류(algae), 무기화합물 등을 제거하는 단계를 거치게 되는데, 크게 3단계로 구분할 수 있습니다. 첫 번째 단계에서는 미처리된 하수를 screening과 sedimentation(침전)을 통해 우선 큰 입자를 물리적으로 걸러냅니다. 이 과정에서 50~60%의 입자들이 제거 됩니다. 이어지는 두 번째 단계에서는, 첫 번째 과정에서 미처 걸러지지 못한 하수에 녹아있는 유기 물질들을 생물학적 처리를 통해 제거하게 됩니다. 미생물들은 유기 물질들을 분해하여 이산화탄소나 물 또는 에너지로 전환시킵니다. 마지막으로 세 번째 단계에서는, 잔존하는 오염물질에 화학적 처리를 가하여 최종적으로 우리가 마실 수 있는 물로 정화하게 됩니다.  

<그림1. 수 처리 시설. 출처: Techstream>

 

Graphene and water treatment
 전 세계적인 물 부족 사태와 더불어 보다 더 깨끗한 물에 대한 신뢰를 요구하는 사람들의 목소리가 높아지고 있습니다. 이에 따라 비용을 절감하고 에너지를 효율적으로 사용할 수 있는 수 처리 기술에 관한 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 특히 나노 기술을 연구하는 많은 과학자들은 그래핀이라는 새로운 물질을 적용하여 정수 기술에 새로운 가능성을 제시하였습니다.
 그래핀은 강도, 전기 전도성, 투명도 등 우수한 특성을 많이 가지고 있지만, 그 중 물과 섞이지 않는 소수성으로 인해 수 처리 과정에 유용하게 사용될 수 있습니다. 그래핀은 물을 밀어내지만, 좁은 구멍(pore)이 만들어졌을 때 물이 빠른 속도로 침투하게 됩니다. 이러한 아이디어를 바탕으로, 그래핀에 micro-pores을 만든다면, 물의 여과와 해수 담수화 과정에 이용될 수 있습니다.
 아주 작은 구멍이 뚫린 그래핀 시트는 물 분자는 통과시킬 수 있지만, 오염 물질과 그 밖의 다른 물질들은 통과시키지 않습니다. 구멍(pore)의 사이즈를 조절하면, 소금뿐만 아니라 분자 사이즈에 따라 물질을 여과할 수 있습니다. 그래핀 막을 이용한 담수화 과정은 그림2에서 볼 수 있습니다.
그래핀은 다른 막(membrane)에 비해 나노 여과 물질로 많은 이점을 갖습니다. 원자 한 층으로 이루어진 물질이기 때문에 두께를 무시할 수 있고, 그에 반해 기계적 매우 특성이 매우 강하기 때문에 강한 수압에도 견딜 수 있어 물을 빠르게 수송할 수 있습니다.

<그림2. (a) Nanoporous graphene water desalination, (b) nanopores with hydrophilic bonding, (c) graphene lter computer simulation [1,34], and (d) nanopores with hydrophilic bondings (left) and functionalized nanopores on graphene (right) >

 

 최근에는 그래핀 옥사이드(Graphene Oxide, GO)로 만든 막이 담수화 기술에 적용되고 있습니다. 그래핀 옥사이드 시트는 hydroxyl molecules로 덮여있다는 것이 그래핀 시트와의 차이점입니다. GO시트는 제조(fabrication)가 간편하고, 강도가 우수하며 산업적인 규모로 생산이 가능하기 때문에 널리 사용됩니다. 그래핀 옥사이드로 만든 얇은 막은 모든 가스와 증기, 물을 통과시키지 못한다는 연구 결과가 있습니다. 더 나아가, 이를 이용하여 정교한 망(mesh)를 만든다면 비슷한 크기의 원자를 종류별로 빠르게 구분할 수 있다고 합니다. 이는 바닷물을 비교적 간편하고 빠르게 마실 수 있는 물로 만들 수 있는 가능성을 열어줍니다.


Recent Advances in the field of graphene water treatment
 2016년 1월, 맨체스터 대학의 연구진들은 그래핀이 중수(heavy water)의 생산을 간소화 하고, 수소의 다른 동위 원소를 필터링하여 핵 폐기물을 깨끗하게 할 수 있음을 입증하였습니다. 이 공정은 원자력 발전소의 중수를 생산하는 데 에너지가 10배 적게 들기 때문에 훨씬 더 간단하고 저렴합니다. 그래핀으로 만들어진 막은 수소의 동위원소인 중수소의 핵으로부터 양성자 수소 핵을 걸러주는 체 역학을 합니다. 연구팀은 중양성자가 원자 한 층 두께의 막에 효과적으로 걸러지는 것을 발견했고, 센티미터 크기의 장치를 만들어 중수소와 수소의 혼합물에서 효과적으로 수소를 배출할 수 있게 하였습니다.
 2016년 3월, 미국과 호주의 연구진들은 매우 얇게 퍼질 수 있는 점성을 가진 그래핀 옥사이드를 개발하여 기존의 필터보다 9배 빨리 물을 통과시키는 필터를 디자인 하였습니다. 연구진들은 이러한 기술이 그래핀을 균일하게 만들어주고, 필터에 바이러스와 박테리아를 잡을 수 있는 특별한 기능을 제공한다고 설명했습니다.

 

<그림3. Graphene Oxide. Source: inhabitat>

 

그래핀을 이용한 수질정화 기술은 상용화를 위해 꾸준히 연구 중 입니다. 그래핀의 가벼운 특성과 비용 절감효과를 이용하여 머지 않아 휴대 가능한 정수 필터와 담수화 장비가 개발되기를 기대해 봅니다.



- http://www.graphene-info.com/graphene-membranes-aid-cleaning-nuclear-waste-and-producing-heavy-water
- http://www.graphene-info.com/graphene-water-treatment
- http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0011916415001915
- Aghigh, Arash, et al. "Recent advances in utilization of graphene for filtration and desalination of water: A review." Desalination 365 (2015): 389-397.
-http://inhabitat.com/incredible-kohler-clarity-purifies-drinking-water-for-less-than-one-cent-a-day/