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물을 효율적으로 정수할 수 있는 새로운 자성 나노입자

<KISTI의 과학향기> 제3512호

독일 울름 대학(University of Ulm)과 스페인 사라고사 대학(University of Zaragoza)의 연구진은 유기물, 무기물, 미생물 오염물질과 마이크로 플라스틱을 동시에 제거하는 새로운 정수 방법을 개발했다. 이 방법은 이온성 액체(ionic liquid)로 코팅된 자성 나노입자를 사용하는 기술이고. 나노입자는 자석으로 쉽게 제거될 수 있다.
세계의 많은 지역에서 깨끗한 식수를 구하는 것은 어려운 일이다. 여과는 확립된 정수 기술이다. 그러나 유속이 낮기 때문에 많은 양의 물질을 여과하는 것은 실용적이지 않다. 이번에 개발된 영구 자석을 이용하는 오염 물질 제거 방법은 오염 물질을 효율적이고 정량적으로 제거할 수 있는 새로운 기술이다. 중앙 집중형 또는 분산형 정수 시스템에 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이다.
이번 연구진은 자기 철 산화물 코어(core)와 다공성 실리콘 이산화물 쉘(shell)로 구성된 새로운 나노입자를 개발했다. 나노입자의 표면은 이온성 액체 층으로 코팅되었다. 이온성 액체는 실온에서 용융된 상태로 존재하는 염이고, 이것은 용매를 사용하지 않으면서 액체 상태를 가진다. 이번에 사용된 이온성 액체는 산소 원자에 의해서 3차원 네트워크에 결합된 금속 원자(polyoxometallate)를 기반으로 한다.
선택된 금속은 폴리옥소텅스텐산염(polyoxotungstate) 음이온이 중금속과 결합할 수 있기 때문에 텅스텐을 사용했다. 반대 이온은 항균성을 가지면서 부피가 큰 테트라알킬암모늄(tetraalkylammonium) 양이온을 사용했다. 생성된 이온성 액체는 다공성 실리콘 이산화물 표면 위에 안정적인 얇은 층으로 형성된다. 오염 물질이 탑재될 경우에, 나노입자는 자석을 가진 물로 간단하게 추출할 수 있다.
실험실 테스트 결과, 나노입자는 납, 니켈, 구리, 크롬, 코발트 이온뿐만 아니라 유기 불순물일 Patent Blue V라는 염료도 확실하게 제거하였다. 다양한 세균 성장도 효과적으로 억제할 수 있었다. 또한 나노입자는 1 ~ 10 μm 크기의 폴리스티렌 구체와 스스로 부착되어서 이것을 제거할 수 있다.
나노입자의 성분은 특성에 따라서 최적화할 수 있고, 자성 나노입자를 이용한 정수 시스템은 유망한 시작점이 될 것이다. 이번에 개발된 정수 시스템은 광범위한 인프라 없이도 대량의 물을 쉽게 정화시킬 수 있다.

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