Synergistic dual-modification of polyurethane sponge with MIL-53(Al) and dimethylsilicone oil for efficient oil–water separation of oily sludge thermal washing wastewater

기름과 물은 천연의 적입니다. 산업 사고의 여파나 원유 가공 과정에서 흔히 발생하는 것처럼 이들이 섞이게 되면, 분리하기가 매우 까다로운 끈질기고 지저之处한 유화액(emulsion)을 형성합니다. 이는 기름 추출 및 정제 과정에서 생성되는 유해 폐기물인 유성 슬러지를 다루는 산업계에 지속적인 문제입니다. 이 슬러지를 세척하기 위해 기업들은 종종 열과 물을 사용하여 기름을 씻어내지만, 이 과정은 미세하게 부유하는 기름 방울과 화학적 오염 물질로 가득 찬 막대한 양의 폐수를 발생시킵니다. 이러한 물을 정화하기 위한 전통적인 방식들, 예를 들어 태우거나 강력한 화학 물질을 사용하는 방법은 낭비적이거나 새로운 환경적 재앙을 초래합니다. 가장 유망한 해결책은 오랫동안 스펀지처럼 작동하되, 물은 통과시키면서 기름만 똑똑하게 빨아들이는 재료를 사용하는 것이었습니다. 그러나 일반적인 스펀지는 선택적이지 않아서, 기름과 물을 모두 흡수하거나 단 한 번의 사용만으로도 막혀서 쓸모없게 되어 버립니다.

절강과학기술대학교(Zhejiang Sci-Tech University)의 연구진은 두 가지 구별되는 재료를 하나의 고효율 도구로 결합함으로써 이 문제들을 해결하는 새로운 유형의 스펀지를 개발했습니다. 그들은 가정용 스펀지에서 볼 수 있는 부드럽고 다공성인 재료인 표준 폴리우레탄 폼을 기초로 하여, 여기에 이중 층의 변화를 주었습니다. 먼저, 연구진은 스펀지를 알루미늄과 유기 분자로 구성된 결정질 재료인 금속-유기 골격체(metal-organic framework)로 코팅했는데, 이는 광활한 미세 터널 네트워크를 형성합니다. 이 층은 엄청난 표면적과 거칠기를 더해주어, 기름 분자가 갇힐 수 있는 무수히 많은 틈새와 구석을 제공합니다. 둘 다음으로, 연구진은 전체 구조를 물을 밀어내고 기름을 끌어당기는 성질로 잘 알려진 디메틸실리콘 오일로 처리했습니다. 이 조합은 물이 방울져 굴러 떨어질 정도로 강력한 소수성을 띠는 동시에, 기름은 즉각적으로 끌어당기는 표면을 만들어냅니다.

연구팀은 이 새로운 복합 스펀지(M/Si-6@PU라 명명됨)를 유성 슬러지 세척 과정에서 발생하는 실제 폐수를 대상으로 테스트했습니다. 결과는 놀라웠습니다. 기름 한 방울이 변형된 스펀지 표면에 닿자마자 단 2.6초 만에 재료 속으로 사라졌는데, 이는 변형되지 않은 스펀지가 동일한 방울을 흡수하는 데 걸린 시간의 거의 절반에 해당하는 속도입니다. 이 스펀지는 자체 무게 대비 엄청난 양의 기름을 보유할 수 있음을 입증했습니다. 스펀지 1그램당 최대 43그램의 톨루엔을 흡수할 수 있었으며, 펌프 오일, 디젤, 식용유와 같은 다른 일반적인 기름들에 대해서도 유사하게 우수한 성능을 보였습니다. 실제 산업 폐수의 복잡하고 지저분한 현실에 직면했을 때도, 이 스펀지는 재료 1그램당 31그램의 기름을 잡아낼 수 있었습니다.

기름을 빠르게 잡아내는 능력 외에도, 이 스펀지는 놀라운 내구성을 보여주었습니다. 폐수를 반복적으로 여과하는 테스트에서, 이 재료는 처음 8회 사이클 동안 99% 이상의 분리 효율을 유지했습니다. 30회의 사용 후에도 여전히 93% 이상의 기름을 제거하여, 쉽게 마모되거나 효과를 잃지 않는다는 것을 보여주었습니다. 또한 연구진은 극한 조건에서의 회복력을 테스트하기 위해 스펀지를 고농도의 산성 및 고농도의 알칼리성 액체에 한 시간 동안 담가두었습니다. 한 시간 후 스펀지가 젖기 시작하는 징후를 보였으나, 다른 재료들이 즉시 실패할 수 있는 가혹한 산업 환경에서도 유용하게 쓰일 수 있을 만큼 충분한 시간 동안 소수성 특성을 유지했습니다.

이러한 성공의 메커니데는 두 가지 코팅에 의해 만들어진 독특한 구조에 있습니다. 금속-유기 골격체는 공기가 갇힐 수 있는 거칠고 계층적인 질감을 제공하여 물이 쉽게 통과하지 못하는 장벽을 만듭니다. 한편, 실리콘 오일 층은 스펀지의 표면 에너지를 낮추어 자연스럽게 기름에는 끌리고 물에는 밀려나도록 만듭니다. 폐수가 스펀지에 닿으면, 미세한 구조들이 안정적인 유화액을 물리적으로 분해하여 기름이 모세관 힘에 의해 스펀지의 기공 깊숙이 끌려 들어가게 합니다. 동시에, 코팅의 화학적 성질은 기름은 스펀지에 단단히 달라붙게 하고 물은 흘러가게 합니다. 이러한 이중 작용 덕분에 이 재료는 자유롭게 떠다니는 기름을 분리할 뿐만 아니라, 다른 필터들을 통과해버리는 용해된 유기 오염 물질과 유화된 방울들까지 포착할 수 있습니다.

본 연구는 이 방식이 까다로운 산업 폐수를 처리하는 데 있어 실행 가능한 경로임을 확인시켜 줍니다. 두 가지 재료를 입히는 간단한 침지(dipping) 공정을 사용함으로써, 연구진은 복잡한 기계나 비싼 화학 물질을 필요로 하지 않는 확장 가능한 솔루션을 만들어냈습니다. 실제 폐수를 처리할 수 있는 능력, 화학적 부식에 대한 저항력, 그리고 여러 차례의 사용에도 높은 성능을 유지하는 능력은 이 스펀지가 기름 유출을 정화하고 산업 유출수를 처리하는 데 실질적인 도구가 될 수 있음을 시사합니다. 이 연구는 견고하고 다공성인 구조와 유연하고 물을 밀어내는 코팅을 결합함으로써, 부분의 합보다 훨씬 더 효과적인 재료를 만들 수 있다는 점을 강조하며, 환경 정화의 지속적인 과제 중 하나를 해결하는 새로운 방법을 제시합니다.