Chitosan/MXene/Polymer Hybrid as a new Filter with Enhanced Hydrophobicity and degradation Properties

기술 요약: 향상된 소수성 및 분해 특성을 가진 새로운 필터로서의 Chitosan/MXene/Polymer 하이브리드

문제 제식
본 연구의 주요 목적은 폐수의 화학적 산소 요구량(COD)을 줄일 수 있는 비용 효율적이고 고성능인 여과 시스템에 대한 필요성을 해결하는 것이다. 표면 소수성은 유수 분리 및 자가 세정(self-cleaning)과 같은 응용 분야에서 매우 중요하지만, 시중에 판매되는 소수성 기질은 가격이 비싼 경우가 많다. 반면, 셀룰로오스 여과지(cellulose filter paper)와 같은 일반적인 기질은 풍부한 히드록실기(hydroxyl groups)로 인해 본질적으로 친수성을 띠며, 이는 소수성 여과 공정에서의 활용도를 제한한다. 본 연구는 저비용의 친수성 셀룰로오스 여과지를 물리적 여과와 유기 오염 물질의 산화적 분해가 모두 가능한 견고한 소수성 복합 필터로 변환하는 것을 목표로 한다.

방법론
연구에는 다음과 같은 3층 계층적 제조 전략이 사용되었다:

1. 기질 개질 (소수성 코팅):

   • 상용 셀룰로오스 여과지를 침지 코팅(dip-coating)법을 사용하여 개질하였다.
   • PDMS와 PVDF의 용액을 THF/DMF 용매 혼합물에 준비하였다.
   • 표면 소수성을 최적화하기 위해 PDMS/PVDF 중량비(2:1, 4:1, 6:1, 8:1)와 침지 시간(35, 50, 65, 80분, 24시간)을 체계적으로 변화시켰다.
   • 코팅 후, 잔류 용매를 제거하기 위해 역세척(reverse-bath) 방식으로 세척하고 건조하였다.

2. 활성층 제조 (MXene/Chitosan 하이브리드):

   • Ti₃AlC₂ MAX phase 분말을 7% 불산(HF)으로 24시간 동안 식각하여 MXene 나노시트를 생성하였다.
   • 키토산(Chitosan)을 아세트산/물 용액에 용해시켰다.
   • 초음파 처리(sonication)를 통해 MXene 나노시트를 물에 분산시킨 후, 이를 키토산 용액과 결합하였다. 혼합물은 안정적이고 균일한 하이브리드 용액을 만들기 위해 초음파 처리 및 교반 과정을 거쳤다.

3. 최종 조립:

   • 최적화된 소수성 여과지(PDMS/PVDF가 코팅된)를 Chitosan/MXene 용액에 담가 활성 상부층을 증착하였다.
   • 최종 생성물은 셀룰로오스 지지체, PDPOS/PVDF 중간층, 그리고 Chitosan/MXene 상부층으로 구성된 다층 복합체이다.

4. 특성 분석 및 테스트:

   • 표면 특성: 소수성을 결정하기 위해 물 접촉각을 측정하였다.
   • 구조 분석: 형태, 결정성, 원소 분포 및 광학적 특성을 분석하기 위해 FTIR, XRD, FESEM, EDS 매핑, UV-vis DRS를 사용하였다.
   • 성능: 표준 중크롬산 산화법을 사용하여 다양한 pH 수준(4, 7, 10), 접촉 시간(20120분) 및 H₂O₂ 농도(2050 ppm) 조건에서 COD 감소를 테스트하였다.

주요 결과

• 소수성 최적화:

  • 접촉각은 폴리머 비율과 침지 시간에 따라 크게 달라졌다.
  • PDMS/PVDF 비율이 4:1일 때 가장 높은 소수성을 나타냈다. 특히, 65분간 침지된 샘플(Sample B3)이 **120.12°**의 최대 접촉각을 달성하였다.
  • 낮은 비율(2:1)은 낮은 접촉각(<90°)을 보였으며, 높은 비율(6:1 및 8:1)에서도 소수성이 감소했는데, 이는 과도한 PDMS로 인한 상 분리, 표면 평활화 또는 표면 거칠기 감소에 기인한다.
  • 65분을 초과하는 침지 시간은 일반적으로 접촉각의 미세한 감소 또는 안정화를 초래하였으며, 이는 최적의 코팅 두께와 표면 질감이 존재함을 시사한다.

• 구조 및 형태학적 특성 분석:

  • FTIR: MXene과 키토산 사이의 상호작용을 확인하였으며, O–H/N–H 밴드(~3445 cm⁻¹)와 Ti–O/Ti–C 진동이 겹치는 것을 통해 강한 수소 결합이 있음을 보여주었다.
  • XRD: 복합체가 더 낮은 각도로 MXene 피크가 이동하고 강도가 감소한 것을 보였는데, 이는 키토산 분자가 MXene 층 사이에 삽입되어 d-간격(d-spacing)이 증가했음을 나타낸다.
  • FESEM/EDS: 키토산 매트릭스 내에 적층된 MXene 나노시트가 박혀 있는 거칠고 계층적인 표면을 드러냈다. EDS 매핑은 Ti, C, O, N의 균일한 분포와 셀룰로오스 기질과의 강한 계면 접착력을 가진 뚜렷한 다층 구조를 확인시켜 주었다.
  • 광학적 특성: DRS 분석 결과, Chitosan/MXene 복합체는 MXene 단독일 때보다 넓은 파장 범위에서 더 높은 빛 흡수를 보였으며, 이는 향상된 전자적 또는 광학적 특성을 시사한다.

• COD 감소 성능:

  • 필터는 유의미한 COD 제거 능력을 입증하였다.
  • 시간 의존성: pH 4에서 COD 제거율은 3.3%(20분)에서 ~59.8%(120분)로 증가하였다. pH 10에서는 120분 후 약 62.5%에 도달하였다.
  • pH의 영향: 알칼리성 조건(pH 10)이 산성 조건보다 약간 더 높은 제거 효율을 보였는데, 이는 아마도 수산화 라디칼 형성이 촉진되었기 때문일 것이다.
  • H₂O₂의 영향: 중성 pH(7) 및 120분 조건에서, H₂O₂ 농도를 20에서 50 ppm으로 높임에 따라 COD 제거율이 7.5%에서 43.6%로 크게 향상되었으며, 이는 해당 범위 내에서 시스템이 라디칼 제한 영역(radical-limited regime)에서 작동함을 나타낸다.

의의 및 주장
본 논문은 이 연구의 주요 의의가 상용 셀룰로오스 여과지를 기질로 사용하여 저비용의 고성능 여과 시스템을 성공적으로 제작했다는 점에 있다고 주장한다. 값비싼 상용 소수성 멤브레인의 필요성을 제거함으로써, 본 연구는 폐수 처리를 위한 확장 가능한 전략을 제공한다.

저자들은 다층 구조가 다음과 같이 시너지 효과를 낸다고 단언한다:

1. PDMS/PVDF 층은 친수성 기질을 소수성 표면으로 변환하여, 수분 투과를 조절하고 체류 시간을 증가시킨다.
2. Chitosan/MXene 상부층은 흡착 장벽이자 광촉매제로 작용한다. MXene 나노시트는 유기 오염 물질의 산화적 분해를 위한 반응성 산소 종(ROS) 생성을 촉진하며, 키토산 매트릭스는 나노시트의 재적층을 방지하고 계면 호환성을 높인다.
3. 이 시스템은 물리적 여과와 화학적 분해를 동시에 달라는 데 성공하였으며, 복잡하거나 비싼 재료 없이도 효과적인 COD 감소를 달성한다.

본 연구는 결론적으로 폴리머 조성과 침지 시간을 제어하는 것이 표면 젖음성(wettability)을 조절하는 데 매우 중요하며, 결과물인 하이브리드 필터가 폐수 처리 응용 분야에서 여과 효율을 개선하기 위한 실행 가능하고 확장 가능한 솔루션을 제공한다고 밝히고 있다.