바이오 연료 위한 기름과 알코올 분리, ‘불소’로 해결

[산업일보]
젖지 않는 옷, 물속에서 작동하는 스마트폰 등 물을 싫어하거나 밀어내는 성질인 발수 특성은 현대생활 속에서 광범위하게 활용되고 있다. 이러한 물질은 물은 밀어내지만 기름은 빨아들여 물에서 기름을 흡착하는 용도로 쓰이지만, 기름과 알코올은 분리하지 못해 추가적 용도로 사용에는 한계가 있었다.

이같은 초발수성 물질은 제작 공정이 복잡하고 기능 유지가 쉽지 않았다. 표면에 복잡한 고온 공정을 통해 구조를 형성하고 그 위에 테프론이나 왁스 같은 물질을 코팅하는 2단계 공정을 거쳐야만 초발수성 물질을 얻을 수 있고, 이렇게 제조된 물질은 시간이 지나면 초발수성이 약해지거나, 해수 담수화 필터, 기름 흡착포와 같이 구조체 내부로 유체를 흡수시켜야 하는 3차원 구조체로의 적용은 어려웠다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 문길주) 다원물질융합연구소 문명운 박사 연구팀은 상온 상태에서 쉽게 만들 수 있으면서도 기존 제품보다 더 강한 초발수성을 가진 탄소 입자 스펀지 구조체를 만들고 이 구조체에 불소를 도핑해 물이나 알코올 등 특정성분을 기름에서 분리하는 기능을 추가로 개발했다고 밝혔다. 이번 연구성과는 네이처 자매지인 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’ 8월 29일자 논문으로 게재됐다.

문 박사팀은 초발수성을 가지면서 기공의 크기와 표면 에너지의 제어가 가능한 3차원 탄소 구조체를 상온에서 플라즈마 증착 방법을 이용해 탄소 나노입자를 차곡차곡 쌓는 형식으로 구현했다. 이 구조체는 물을 강하게 밀어내는 성질을 가진 탄소 나노입자가 3차원 구조체를 이루고 있어 표면뿐 아니라 구조체 내부까지 초발수성 특성을 가지게 된다.

본 구조체는 물에 비해서 표면에너지가 낮은 기름 등은 쉽게 흡수하는 특성을 동시에 가지기 때문에 물에서 기름을 흡수, 분리하는데 효과적이라는 장점을 가지고 있다. 이렇게 형성된 탄소나노입자 구조체를 모아서 스펀지를 만들었을 때 다양한 물-기름 혼합액에서 구조체 무게 대비 500% 이상의 기름을 분리할 수 있다.

이외에도 이러한 구조체를 형성하는 과정에서 불소 성분이 있는 탄화불소(CF₄)를 표면 및 내부에 도핑해 물과 기름의 분리뿐 아니라 에틸렌글리콜과 같은 알코올을 실리콘 오일(기름)로부터 쉽게 분리할 수 있음을 알아냈다. 이러한 특성은 최근 중요한 에너지 자원으로 알려진 바이오 디젤을 만드는 과정에서 기름과 알코올을 분리하는 필수공정에 적용할 수 있다.

저온 공정으로 개발된 이번 기술은 대량 생산이 용이하고 종이, 플라스틱, 금속 표면 등에 직접 코팅해 에너지와 환경 분야에 다양하게 응용될 수 있다.