자체중량의 180배까지 오일을 흡수할 수 있는
탄소나노튜브 스폰지
북경대학(Peking University) 및 청화대학(Tsinghua University)의 연구팀들이 탄소나노튜브를 기반으로 하여 물의 표면으로부터 유기오염물질 흡착할 수 있는 물질을 개발하였다. 이때, 물은 흡수되지 않기 때문에, 사용된 스폰지는 재활용할 수도 있다. 이 물질은 자체중량의 180배까지 유기물질을 흡수할 수 있으며, 스폰지는 가볍고 질기기 때문에 오일누출 현장을 정화할 수 있는 큰 잠재력이 있다.
북경대학의 Anyuan Cao 교수와 청화대학의 Dehai Wu 교수는 Advanced Materials 지에 본 연구결과를 게재하였다.
현재 상업적으로 사용되고 있는 유흡착제는 셀룰로오스나 폴리프로필렌을 사용하고 있다. 이 재료들은 자체중량의 20배까지만 흡수할 수 있기 때문에 대규모 오일누출 사고에 사용하기에 실용적이지 못하다. 유화제를 사용하여 오일을 희석시킬 수도 있지만, 물 속에 잔존한다는 문제점이 있다.
다공성의 산화물 기반 물질이나 고분자를 이용한 재료는 중량당 2배 가량의 오염물질을 흡수할 수 있으나, 오염물질을 제거하기 위해서는 가열해야 할 필요성이 있다. 고온가열은 선박이나 작은 규모의 처리에는 실용적이지 못하나 스폰지(squeezable sponge)의 확실한 장점은, 곧바로 오일을 곧바로 회수하고 재활용할 수 있다는 점이다. 또한 스폰지의 성질에 영향을 미치지 않고도 가열함으로써 오염물질 제거할 수 있다.
Cao 및 Wu가 개발한 스폰지는 상호 연결된 나노튜브를 이용한 만든 것이다. 이 경우, 튜브는 지름이 30-50나노미터이고 길이는 수십-수백 마이크로미터이다. 튜브의 표면은 소수성이기 때문에, 물을 배제하기 위해 재료를 다시 변경시킬 필요가 없다. 스폰지의 99%는 비어있기 때문에, 물에서 떠 있고 이로 인해 오일을 흡수할 수 있는 여력이 많아지므로 고용량으로 오일을 흡수하고 있을 수 있다. 예를 들어, 본 재료는 디젤오일의 경우 자체용량보다 143배, 에틸렌글리콜의 경우 175배를 흡수할 수 있다.
기존관념에 얽매이지 않은 수평적 사고가 이번 돌파구의 핵심이었다. 탄소 나노튜브를 연구하는 과학자들의 큰 목표는 거대한 배열의 나노튜브를 만드는 방법을 찾는 것이다.
그러나 본 연구팀은 완전히 규칙적이지 않은 길다란 튜브를 만드는 방법을 탐색하였다. 이런 무작위성은 튜브의 미끄러짐을 유발하여 크기를 95%까지 수동적으로 감소시킬 수 있었고, 부러짐 없이도 구부리거나 비틀 수 있다.
스폰지를 짜게 되면, 스폰지 사이 공간에 있던 오일이나 용매가 튜브의 표면으로 배출된다. 최대의 효과를 얻기 위해서, 우선 스폰지를 용매로 포화시킨 후에 치밀화(densification)공정을 통해 가볍게 압착하게 되면 이 재료는 매우 단단하게 되고 잠재적으로 수 천 번 사용할 수 있게 된다.
이 스폰지는 오일이나 용매와 접촉하게 되면 원래의 크기로 회복되고, 치밀화된 스폰지 조각은 오일 필름을 형성한 디젤을 빠르게 제거할 수 있다. 이런 효과는 스폰지를 오일누출 현장의 끝에 놓아도 얻을 수 있다.
오일누출을 처리하는 것 이상의 잠재적 활용도를 가지고 있다. 나노튜브 스폰지는 박테리아나 액체나 기체에 포함된 오염물질을 제거하기 위한 필터, 멤브레인, 혹은 흡착제로 사용할 수도 있다. 또한 가정에서 소음 흡수층으로 사용할 수도 있으며, 군인들은 충격에너지 흡수재료로 활용할 수도 있다. 또한 열차단복으로도 활용이 가능하다.
9 November 2009
The carbon nanotube sponge is hydrophobic, but can absorb up to 180x its own weight in organic matter. Click to enlarge.
Researchers at Peking University and Tsinghua University have developeda carbon nanotube (CNT)-based sponge that can soak up organic pollutants—such as oils and solvents—from the surface of water. No water is absorbed and the sponge can then be wrung out and reused, like an ordinary household sponge. Absorbing up to 180 times its own weight in organic matter, the sponge is light and tough and has the potential to significantly enhance oil spill cleanup.
Professors Anyuan Cao (Peking University) and Dehai Wu (Tsinghua University), who are publishing their breakthrough in the journal Advanced Materials, say “the sponges have new properties that integrate the merits of fragile aerogels with their high surface area [the lowest density solid material known is an aerogel], and conventional soft materials with their robustness and flexibility.”
Current commercial absorbents for oil spill recovery and industrial use tend to be based on cellulose or polypropylene. These materials can absorb only up to 20 times their own weight and are impractical for large spills, where dispersants are used. Dispersants allow the oil to become diluted, but it remains in the water.
Other materials based on porous oxide-based materials or other polymers can absorb up to twice as much pollutant per weight, but generally need to be heated to remove the organic material. High-temperature heating is not practical on small scales or on ships, and a clear advantage of a squeezable sponge is that the oil can be readily recovered and reused. For other applications including solvent cleanup, the sponges can be heated to remove the pollutant, without affecting the properties of the sponges.
Cao and Wu’s sponges are made from interconnected carbon nanotubes. In this instance the tubes are 30-50 nanometers across and tens to hundreds of micrometers long. The surface of the tubes is naturally hydrophobic (water-hating), therefore no further modification is needed for the sponges to repel water. At the same time, they love to absorb oil on their surface. As the sponges are over 99% porous or empty, they float on water and there is a lot of room for oil to be absorbed, leading to the extremely high capacity for retention—for example, 143 times the sponge’s weight for diesel oil and 175 for ethylene glycol.
Lateral thinking was the key to the scientists’ breakthrough. A major ambition among carbon nanotube researchers is to look for ways to make large lined-up arrays of the tubes. Cao and Wu, however, searched for a method that would make long tubes that were completely disordered. This randomness allows the tubes to slide past each other, allowing the sponge to be manually reduced in size by 95%, and bent or twisted without breaking.
As the sponge is squeezed, any oil or solvent in the cavities and on the surface of the tubes is expelled. To gain the best effect, the sponges first have to be filled with solvent and then compressed gently in a process called densification, but after this they are extremely robust and can be used potentially thousands of times.
They swell to recover their original dimensions when exposed to oil or solvent and “a small densified pellet of sponge can quickly remove a spreading diesel oil film with an area up to 800 times that of the sponge”. This effect occurs even if the sponge is placed at the edge of the spill.
Potential applications reach beyond oil spill recovery. According to Cao, “the nanotube sponges can be used as filters, membranes, or absorbents to remove bacteria or contaminants from liquid or gas. They could also be used as noise-absorption layers in houses, and soldiers might benefit by using these sponges in impact energy absorbing components while adding little weight. Thermally insulated clothing is also possible.” Large-scale production is currently being investigated.
Resources
X. C. Gui, J. Q. Wei, K. L. Wang, A. Y. Cao, H. W. Zhu. Y. Jia, Q. Shu, D. H. Wu (2009) Carbon Nanotube Sponges. Advanced Materials doi:
Source : KISTI, greencarcongress
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