CSIR-중앙염분및해양화학연구소(CSMCRI), 인도공과대학 간디나가르(IITGN), 싱가포르 난양공과대학, S N Bose 국립기초과학센터의 연구팀이 새로운 유형의 고정밀 여과막을 개발했습니다. 이 연구는 미국화학회지에 게재되었으며, 산업계가 에너지 사용을 줄이고 물 재사용을 극적으로 늘리는 데 도움이 될 수 있는 기술을 설명합니다.

많은 산업 활동은 서로 다른 물질을 분리하는 데 의존합니다. 이러한 분리 공정은 약물 정제, 섬유 염료 처리, 식품 생산과 같은 작업에 필수적입니다. 그러나 이들은 또한 제조에서 가장 에너지 집약적인 작업 중 하나로, 전 세계 산업 에너지 소비의 약 40~50%를 차지합니다. 대부분의 시설은 여전히 증류 및 증발과 같은 전통적인 방법에 의존합니다. 효과적이지만, 이러한 방법은 많은 에너지를 필요로 하고 탄소 배출에 크게 기여합니다. 막 기반 여과는 일반적으로 더 깨끗한 대안으로 간주되지만, 기존의 고분자 막은 종종 불균일한 크기의 기공을 포함합니다. 시간이 지남에 따라 이러한 기공은 모양이 변하거나 분해되어 성능이 저하되고 까다로운 산업 환경에서의 유용성이 제한됩니다.

"이러한 한계를 해결하기 위해 우리는 'POMbranes'라는 새로운 종류의 초선택적 결정질 막을 설계했습니다. 이 막은 약 1나노미터 너비의 기공을 포함하며, 이는 사람 머리카락보다 수천 배 얇습니다."라고 CSMCRI의 선임 과학자 Dr. Shilpi Kushwaha가 말했습니다. 새로운 막은 아쿠아포린과 같은 생물학적 시스템에서 영감을 얻었으며, 이는 정확한 크기의 채널을 통해 분자의 이동을 조절합니다. 이러한 제어 수준을 달성하기 위해 연구자들은 폴리옥소메탈레이트(POM) 클러스터를 사용했습니다. 각 클러스터는 정확히 1나노미터 너비의 자연적으로 발생하는 개구부를 포함하며 영구적으로 안정적으로 유지됩니다. CSMCRI 연구원이자 논문의 공동 제1저자인 Ms Priyanka Dobariya에 따르면, "이 POM은 작고 왕관 모양의 금속 클러스터로, 중심에 영구적이고 완벽한 구멍이 있어 모양이 변하거나 손실되지 않습니다. 이것이 전통적인 플라스틱 필터의 가장 큰 걸림돌입니다."

실용적인 막을 만들기 위해서는 수십억 개의 이 작은 고리 모양 구조를 연속적이고 결함 없는 층으로 배열해야 했습니다. 이를 위해 연구자들은 POM 클러스터에 유연한 화학 사슬을 부착했습니다. 변형된 클러스터를 물 위에 놓으면 자연스럽게 퍼져서 대면적의 초박막을 형성했습니다. 부착된 사슬의 길이를 변경함으로써 팀은 클러스터가 얼마나 밀집하게 패킹되는지 제어할 수 있었습니다. "이로 인해 분자는 막을 가로지르는 유일한 열린 경로인 각 클러스터에 내장된 1나노미터 구멍을 통과해야 했으며, 막은 고급 체처럼 작용했습니다."라고 IITGN 재료공학과 부교수 Dr. Raghavan Ranganathan이 덧붙였습니다. Dr. Ranganathan과 IITGN의 박사 과정생이자 논문의 공동 제1저자인 Mr. Vinay Thakur는 또한 막이 여과 기능을 수행하는 방식을 밝히는 분자 수준 시뮬레이션을 수행했습니다.

테스트 결과, 막은 100-200 달톤만 차이나는 분자를 구별할 수 있었으며, 이는 기존 고분자 막으로는 달성하기 매우 어려운 정밀도입니다. CSMCRI의 수석 과학자 Dr. Ketan Patel에 따르면, 이 능력은 더 지속 가능한 제조 공정을 위한 새로운 기회를 창출할 수 있습니다. "우리의 막은 기존 기술에 비해 거의 10배 더 나은 분리 성능을 보여주면서도 유연하고 안정적이며 확장 가능합니다."라고 그는 말했습니다. "또한, 이 막은 유연하고 다양한 산도 수준(pH 범위)에서 안정적이며 대형 시트로 제조할 수 있습니다. 이러한 조합은 막이 산업계에서 널리 채택되기 위해 필수적입니다."