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KR102223372B1 - 물-기름 분리 장치 - Google Patents

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KR102223372B1
KR102223372B1 KR1020190059461A KR20190059461A KR102223372B1 KR 102223372 B1 KR102223372 B1 KR 102223372B1 KR 1020190059461 A KR1020190059461 A KR 1020190059461A KR 20190059461 A KR20190059461 A KR 20190059461A KR 102223372 B1 KR102223372 B1 KR 102223372B1
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김용협
최윤정
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서울대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 물과 기름의 밀도 차이를 이용한 물-기름 분리 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 물과 기름의 계면에 부유하는 중합체 필름을 이용하여 기름을 쉽고 빠르게 분리할 수 있는 물-기름 분리 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 물-기름 분리 장치는 기존의 친액성(lyophilic)/소액성(lyophobic) 필름을 이용하지 않고 물질의 밀도 차이를 이용함으로써 간단한 구조의 장치만으로도 다양한 점도의 기름을 쉽고 빠르게 회수하여 기존 연구의 필터 방식과 흡착방식이 갖고 있던 단점을 동시에 해결하고, 실제 기름 유출 상황에서 빠르고 효과적인 대처가 가능하다.

Description

물-기름 분리 장치{Oil-Water Separation Device}
본 발명은 물과 기름의 밀도 차이를 이용한 물-기름 분리 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 물과 기름의 계면에 부유하는 중합체 필름을 이용하여 기름을 쉽고 빠르게 분리할 수 있는 물-기름 분리 장치에 관한 것이다.
전 세계적으로 크고 작은 해양 기름 유출 사고가 일어난다. 사고 시 유출된 기름과 유해 화학물질은 해안가로 퍼져 사람들에게 경제적, 신체적 피해를 입히고 해양생태계도 파괴한다. 이러한 피해를 복구하기 위해서 많은 돈과 인력이 들고, 오랜 시간이 걸린다. 이러한 피해를 줄이기 위해서는 신속하고 효율적인 방제가 필요하다.
이러한 이유로 바다에서 대량의 기름 유출 사고가 발생하면 주위로 퍼지는 것을 방지하기 위하여 유화제를 살포하는 방식이 흔히 사용되고 있다. 하지만 유화제를 사용하는 것은 사고 발생 초기에 다량의 기름이 덩어리지면서 가라앉기 때문에 주위로 퍼져 나가지 못하게 되어 효과가 좋으나, 기름이 흩어져 해안가에 도달하거나 유막이 얇아진 후에는 효과를 보기 어려운 문제가 있다.
또한, 바다에 유출된 원유에 유화제를 사용하는 것은 생태계를 보호하는 데 실질적인 영향을 주기보다는 오히려 이로 인한 2차 피해를 야기할 것이라는 주장이 지속적으로 제기되어 왔으며, 유화제가 유막(油膜)을 없애 마치 사라진 것처럼 보이게 하기 때문에 유화제의 사용이 보편적으로 이루어지고 있으나 유화제에 포함된 화학물질의 독성에 대한 심각성이 여러 차례에 걸쳐 논란이 되고 있는 실정이다.
유화제를 사용하지 않는 기름 분리 기술로는 물질의 친액성(lyophilic)과 소액성(lyophobic)을 이용하여 흡착 또는 여과(filtration) 방식으로 기름을 제거하는 방식이 있다. 이러한 친유/소수성을 가진 물질로 기름을 흡수하고 짜내는 흡착 방식은 고점도의 기름도 제거할 수 있으나 연속적으로 기름을 분리해낼 수 없고, 연속적으로 분리하기 위해서는 동력을 가하여 펌프로 흡수된 기름을 흡입해야만 한다는 문제점이 있다.
또한, 필터 방식의 경우 친수/소유 또는 친유/소수 성질을 가진 물질을 망(mesh)이나 막(membrane)에 코팅이나 증착을 하거나, 위의 성질을 가진 물질을 가지고 직접 망이나 막을 제작하여 기름, 물을 거르는 방식이다. 이 경우 연속적이고 빠르게 원하는 기름이나 물을 거를 수 있다는 장점이 있으나 기름의 점도가 높아지면 필터의 구멍이 작기 때문에 필터의 구멍이 막혀 기름 분리 속도가 매우 느려지거나 사용할 수 없게 된다는 단점이 있다.
또 다른 기름 회수 방법으로는 물과 기름의 비중 차이를 이용하여 기름만을 회수하기 위한 기술들이 제공되고 있다. 예를 들어, 대한민국 등록특허공보 제10-0417337호에서는 유회수 선박에 설치된 3조 이상의 연속된 순환탱크에 물과 기름의 혼합 유체를 흐르게 하여 이동 중에 물과 기름의 비중 차이로 물로부터 기름을 분리수거하는 자연순환식 유수분리 장치를 제공하고 있고, 대한민국 등록특허공보 제10-1817842호에서는 수면에 부상하여 폐수의 혼입없이 유분을 효율적으로 회수할 수 있는 수면부상식 유분회수장치를 제공하고 있다. 그러나, 이와 같은 오일 회수 장치들은 설비가 복잡하기 때문에 비용이 고가이거나 고장 발생 빈도가 높고, 정교하게 오일을 회수하기 어려운 단점이 있었다.
이와 같은 상황하에서, 본 발명의 발명자들은 간단한 구조로 쉽고 빠르게 기름을 다량으로 회수할 수 있는 물-기름 분리 장치를 개발하고 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 간단한 구조와 제조방법으로 수중에 유출된 기름을 빠른 속도로 회수할 수 있는 물-기름 분리 장치를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은 물 위에 떠 있는 기름을 분리하기 위한 장치로서,
(a) 물의 밀도보다 낮고 기름의 밀도보다 높은 밀도를 가져 물과 기름 사이에 부유하도록 구성되고, 기름 회수를 위한 회수홀이 형성된 중합체 필름;
(b) 상기 회수홀에 연결되어 중합체 필름의 상부에 위치하는 기름을 이동시키기 위한 기름 회수관; 및
(c) 상기 기름 회수관의 말단에 연결되어 회수된 기름을 저장하는 기름 회수 용기
를 포함하는 물-기름 분리 장치를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 중합체 필름은 초고분자량 폴리에틸렌(ultra-high-molecular-weight polyethylene; UHMWPE), 초저분자량 폴리에틸렌(ultra-low-molecular-weight polyethylene; ULMWPE), 고분자량 폴리에틸렌(high-molecular-weight polyethylene; HMWPE), 고밀도 폴리에틸렌(high-density polyethylene; HDPE), 고밀도 가교성 폴리에틸렌(high-density cross-linked polyethylene; HDXLPE), 가교성 폴리에틸렌(cross-linked polyethylene; XLPE), 중밀도 폴리에틸렌(medium-density polyethylene; MDPE), 선형 저밀도 폴리에틸렌(linear low-density polyethylene; LLDPE), 저밀도 폴리에틸렌(low density polyethylene; LDPE), 초저밀도 폴리에틸렌(very-low-density polyethylene; VLDPE), 염소화 폴리에틸렌(chlorinated polyethylene; CPE), 입체규칙성 폴리프로필렌(isotactic polypropylene; iPP), 신디오택틱 폴리프로필렌(syndiotactic polypropylene; sPP), 어택틱 폴리프로필렌(atactic polypropylene; aPP), 호모-폴리프로필렌(homo-PP), 랜덤-폴리프로필렌(random-PP), ter-폴리프로필렌(ter-PP), 블록-폴리프로필렌(block-PP), 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(acrylonitrile butadiene styrene; ABS), 폴리(1-부텐)(poly(1-butene)), 폴리메틸펜텐(polymethylpentene) 및 에틸렌-비닐 아세테이트 공중합체(ethylene-vinyl acetate copolymer; EVA)로 구성된 군에서 선택된 중합체 필름인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 중합체 필름은 중합체 필름이 그래핀(graphene), 산화그래핀(graphene oxide; GO), 환원된 산화그래핀(reduced graphene oxide; rGO), 탄소나노튜브(carbon nanotube), 탄소섬유(carbon fiber) 및 탄소나노플레이트(carbonaceous nanoplates)로 구성된 군에서 선택된 탄소계 물질과의 복합체 필름의 형태인 것이 바람직하다.
본 발명에서, 상기 복합체 필름은 탄소계 물질을 중합체 필름의 중량에 대하여 0.1 내지 10중량% 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 기름 회수관은 내경이 2mm 이상인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 기름 회수관 및 기름 회수 용기가 연결된 부분은 수면 아래에 위치하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 중합체 필름의 밀도는 0.50 내지 1.030g/cm3인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 복합체 필름은 다음을 포함하는 방법에 의해 제조될 수 있다:
(a) 중합체를 제1 용매에 용해시켜 중합체 용액을 제조하는 단계;
(b) 탄소계 물질을 제2 용매에 분산시켜 탄소계 물질 용액을 제조하는 단계;
(c) 상기 중합체 용액 및 탄소계 물질 용액을 혼합하는 단계;
(d) 상기 혼합액을 제3 용매에 첨가하여 탄소/중합체 복합체 입자를 수득하는 단계; 및
(e) 상기 탄소/중합체 복합체 입자를 성형하여 탄소/중합체 복합체 필름을 제조하는 단계.
본 발명에 있어서, 상기 제1 및 제2 용매는 톨루엔(toluene), 자일렌(xylene), 헥산(hexane), 사이클로헥산(cyclohexane), 벤젠(benzene), 클로로벤젠(chlorobenzene), 클로로폼(chloroform), 부탄(butane), 트리클로로에틸렌(trichloroethylene), 아세톤(acetone), 테트라클로라이드(tetrachloride), 디에틸케톤(diethyl ketone), 메틸에틸케톤(methyl ethyl ketone), 메틸프로필케톤(methyl propyl ketone), 메틸렌클로라이드(methylene chloride), 페놀(phenol), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran) 및 디에틸에터(diethyl ether)로 구성된 군에서 선택될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 성형은 열압착(hot pressing)에 의해 수행될 수 있으며, 상기 열압착은 110 내지 180℃의 온도에서 10 내지 10,000,000N/m2의 압력으로 수행될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 중합체 필름은 필름의 형태를 유지하기 위한 필름형태 유지수단을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 중합체 필름 및 기름 회수관 중 하나 이상은 발열 수단을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 물-기름 분리 장치는 기존의 친액성(lyophilic)/소액성(lyophobic) 필름을 이용하지 않고 물질의 밀도 차이를 이용함으로써 간단한 구조의 장치만으로도 다양한 점도의 기름을 쉽고 빠르게 회수하여 기존 연구의 필터 방식과 흡착방식이 갖고 있던 단점을 동시에 해결하고, 실제 기름 유출 상황에서 빠르고 효과적인 대처가 가능하다.
도 1는 본 발명의 바람직한 실시 형태에 따른 물-기름 분리 장치를 도시한 것이다.
도 2는 밀도가 상이한 두 액체와 두 액체의 중간의 밀도를 갖는 필름의 위치 관계를 나타낸다.
도 3은 저밀도 폴리에틸렌의 분자 구조를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 환원된 산화그래핀/저밀도 폴리에틸렌 복합체 필름의 제조 공정도를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 실시 형태에 따른, 중합체 필름에 필름형태 유지수단을 구비한 예시를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시 형태에 따른, 발열 수단이 구비된 물-기름 분리 장치를 도시한 것이다.
도 7(a)는 본 발명의 일 실시예에서 열압기의 압력에 따른 제조된 필름의 두께를 나타낸 그래프이다.
도 7(b)는 본 발명의 일 실시예에서 열압기의 압력에 따른 제조된 필름의 직경을 나타낸 그래프이다.
도 8은 LDPE 필름과 rGO/LDPE 필름의 외형을 비교한 이미지이다.
도 9는 rGO/LDPE 필름을 물과 기름이 있는 비이커에 첨가한 후 시간의 흐름에 따른 필름의 위치를 나타낸 이미지이다.
도 10은 도 9의 비이커의 외부에 충격을 가한 후의 필름의 위치를 시간의 흐름에 따라 나타낸 이미지이다.
도 11은 rGO에 함량에 따른 필름의 물 접촉각을 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실험예에 따른 필름의 부유 안정성을 확인하기 위한 실험 장치의 모식도이다.
도 13(a)는 필름의 직경에 따른 침수 깊이의 평균을 나타낸 그래프이다.
도 13(b)는 LDPE 필름과 rGO/LDPE 필름의 직경에 따른 침수 깊이를 나타낸 그래프이다.
도 14(a)는 필름의 직경에 따른 막대가 받는 힘의 크기를 나타낸 그래프이다.
도 14(b)는 LDPE 필름과 rGO/LDPE 필름의 직경에 따른 막대가 받는 힘의 크기를 나타낸 그래프이다.
도 15는 본 발명의 일 실험예에 따른 물/기름 분리 실험 장치의 모식도이다. 도 15(a) 및 (b)는 상기 실험 장치의 사시도 및 단면도를 나타내며, 도 15(c)는 물 위의 기름층이 점차적으로 실리콘 튜브를 타고 기름 회수 용기로 이동하는 모습을 나타낸다.
도 16은 튜브의 내경에 따른 기름 회수 속도를 나타낸 그래프이다.
도 17(a)는 회수 용기가 수조의 물에 떠 있는 장치의 이미지이다.
도 17(b)는 회수 용기가 수조의 바닥에 가라앉은 장치의 이미지이다.
도 18은 회수 용기의 위치에 따른 기름 회수 속도를 나타낸 그래프이다.
도 19는 기름의 두께에 따른 기름 회수 속도를 나타낸 그래프이다.
도 20은 필름의 직경에 따른 기름 회수 속도를 나타낸 그래프이다.
도 21은 본 발명의 일 실험예에 따른 기름 회수 용기가 수조의 외부에 설치된 물/기름 회수 장치의 모식도 및 이미지를 나타낸다.
도 22는 기름 회수 용기가 수조의 외부에 설치된 장치의 기름 회수 속도를 나타낸 그래프이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구현예에 대하여 상세하게 설명한다. 이하 설명은 본 발명의 구현예들을 용이하게 이해하기 위한 것일 뿐이며, 보호범위를 제한하기 위한 것은 아니다.
본 발명은 물과 기름의 밀도 차이를 이용한 기름 회수 장치에 관한 것으로서, 높은 기름 회수 성능을 유지하며 다양한 점도의 기름을 회수하기 위해 기존의 친액성(lyophilic)/소액성(lyophobic)을 이용한 기름 분리가 아닌 물질의 밀도 차이를 이용한 물-기름 분리 장치에 관한 것이다.
본 발명은 물 위에 떠 있는 기름을 회수하기 위한 장치로서, (a) 물의 밀도보다 낮고 기름의 밀도보다 높은 밀도를 가져 물과 기름 사이에 부유하도록 구성되고, 기름 회수를 위한 회수홀이 형성된 중합체 필름; (b) 상기 회수홀에 연결되어 중합체 필름의 상부에 위치하는 기름을 이동시키기 위한 기름 회수관; 및 (c) 상기 기름 회수관의 말단에 연결되어 회수된 기름을 저장하는 기름 회수 용기를 포함하는 기름 회수 장치에 관한 것이다.
본 발명의 장치를 해양에 유출된 기름의 회수에 사용한 예시적인 형태를 도 1에 도시하였다. 도 1에서 본 발명의 장치는 바다의 밀도보다는 낮고 유출된 기름의 밀도보다는 높은 밀도를 갖는 필름을 기름이 유출된 바다에 부유시키고, 회수홀에 연결된 회수관을 통하여 중합체 필름 상의 기름을 기름 회수 용기로 회수할 수 있도록 구성된다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 상이한 밀도를 갖는 액체 1 및 2가 밀도차에 의해 층을 이루어 존재할 때, 두 액체의 밀도의 사이의 밀도를 갖는 필름은 두 액체 사이에 위치한다. 본 발명에서는 물과 기름 사이에 부유할 수 있는 중합체 필름을 이용하여 물 위에 떠 있는 기름을 높은 효율로 회수하고자 하였다.
본 발명에서, 물과 기름의 사이에 위치할 수 있는 필름으로서는 초고분자량 폴리에틸렌(ultra-high-molecular-weight polyethylene; UHMWPE), 초저분자량 폴리에틸렌(ultra-low-molecular-weight polyethylene; ULMWPE 또는 PE-WAX), 고분자량 폴리에틸렌(high-molecular-weight polyethylene; HMWPE), 고밀도 폴리에틸렌(high-density polyethylene; HDPE), 고밀도 가교성 폴리에틸렌(high-density cross-linked polyethylene; HDXLPE), 가교성 폴리에틸렌(cross-linked polyethylene; PEX 또는 XLPE), 중밀도 폴리에틸렌(medium-density polyethylene; MDPE), 선형 저밀도 폴리에틸렌(linear low-density polyethylene; LLDPE), 저밀도 폴리에틸렌(low density polyethylene; LDPE), 초저밀도 폴리에틸렌(very-low-density polyethylene; VLDPE), 염소화 폴리에틸렌(chlorinated polyethylene; CPE), 입체규칙성 폴리프로필렌(isotactic polypropylene; iPP), 신디오택틱 폴리프로필렌(syndiotactic polypropylene; sPP), 어택틱 폴리프로필렌(atactic polypropylene; aPP), 호모-폴리프로필렌(homo-PP), 랜덤-폴리프로필렌(random-PP), ter-폴리프로필렌(ter-PP), 블록-폴리프로필렌(block-PP), 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(acrylonitrile butadiene styrene; ABS), 폴리(1-부텐)(poly(1-butene)), 폴리메틸펜텐(polymethylpentene), 에틸렌-비닐 아세테이트 공중합체(ethylene-vinyl acetate copolymer; EVA) 등의 중합체 필름을 선택할 수 있으며, 이 중에서 저밀도 폴리에틸렌(low density polyethylene; LDPE)을 사용하는 것이 바람직하다.
폴리에틸렌(PE)은 탄소(C)와 수소(H)로 이루어진 사슬 구조의 화합물로 우수한 내화학성을 가지고 있으며 열 또는 압력을 가함으로써 쉽게 성형이 가능하다. 폴리에틸렌은 분자의 사슬 구조에 따라 다양한 밀도를 갖게 되는데, 도 3과 같이 가지가 많은 구조의 저밀도 폴리에틸렌은 0.88 내지 0.96g/cm3 정도의 낮은 밀도를 갖는다. 이는 등유(kerosene)의 밀도(0.78~0.81g/cm3) 보다 높고 물의 밀도보다는 낮은 값으로서, 물과 기름 사이에 안정적으로 위치하기에 유리하다.
본 발명에 있어서, 중합체 필름의 밀도는 회수하고자 하는 기름이나 용매의 밀도에 따라 다르게 조정할 수 있다. 예를 들어, 바닷물 위에 떠 있는 중유(heavy oil)를 회수하고자 하는 경우, 바닷물의 밀도인 1.02 내지 1.03g/cm3 보다 낮고 중유의 밀도인 0.88 내지 0.99g/cm3 보다는 높은 밀도를 갖는 중합체 필름을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 가벼운 유기 용매인 헥산의 경우 0.6g/cm3의 밀도를 갖기 때문에, 본 발명의 중합체 필름은 0.50 내지 1.030g/cm3의 밀도를 갖는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 중합체 필름에 소수성을 부여하기 위해 탄소계 물질을 첨가하여 탄소/중합체 복합체 필름을 제조하여 사용하는 것이 바람직하다. 상기 탄소계 물질로는 그래핀(graphene), 산화그래핀(graphene oxide; GO), 환원된 산화그래핀(reduced graphene oxide; rGO), 탄소나노튜브(carbon nanotube), 탄소섬유(carbon fiber) 및 탄소나노플레이트(carbonaceous nanoplates) 등을 사용할 수 있으며, 환원된 산화그래핀(rGO)를 사용하는 것이 바람직하다.
그래핀은 탄소(C)로 이루어진 육각형 모양의 구조체로서 전기전도성과 열전도성이 뛰어나고 기계적 강도 또한 뛰어나다. 그래핀을 얻는 방법으로는 기계적인 박리, 화학 기상 증착(CVD)을 이용한 화학적 성장, 흑연을 화학적으로 박리하는 방법 등이 사용되고 있다.
환원된 산화그래핀을 얻기 위해 많이 사용되는 방법 중 하나는 흑연을 화학적으로 산화시킨 뒤 박리하고 다시 환원시키는 것이다. 이렇게 얻어진 그래핀을 환원된 산화 그래핀(reduced graphene oxide; rGO)이라고 부른다. rGO의 장점은 다른 물질들과 합성할 때 산화그래핀의 형태로 구조체에 달려있는 기능기를 이용하여 합성이 쉽고, 합성이 끝난 후 열적 환원, 화학적 환원과 같은 환원 과정을 통해 쉽게 원하는 물질을 만들 수 있다는 것이다.
산화그래핀(GO)의 경우 에테르기(O), 히드록시기(-OH), 카르복시기(-COOH) 등의 기능기가 다수 존재하기 때문에 물과 같은 극성 물질과 상호작용을 잘하는 친수성이다. 그러나, 환원 과정을 통해 산화그래핀의 기능기들을 제거해주면 극성 물질과의 상호작용이 줄어들게 되고 소수성을 띠게 된다. 본 발명의 일 실시예에서는 저밀도 폴리에틸렌 필름에 환원된 산화그래핀을 적용하여 필름의 소수성을 증가시킴으로써 물과 기름 사이의 계면에 보다 안정적으로 위치할 수 있도록 하였다.
상기 탄소계 물질은 중합체 필름의 총 중량에 대하여 0 내지 10중량% 첨가되는 것이 바람직하며, 0.1 내지 5중량% 첨가되는 것이 더욱 바람직하고, 0.5 내지 2중량% 첨가되는 것이 가장 바람직하다. 탄소계 물질이 너무 다량 첨가되는 경우 중합체 필름의 함량이 부족하여 외형을 유지하지 못하고 부스러지게 되는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명에서 탄소/중합체 복합체 필름은 (a) 중합체를 제1 용매에 용해시켜 중합체 용액을 제조하는 단계; (b) 탄소계 물질을 제2 용매에 분산시켜 탄소계 물질 용액을 제조하는 단계; (c) 상기 중합체 용액 및 탄소계 물질 용액을 혼합하는 단계; (d) 상기 혼합액을 제3 용매에 첨가하여 탄소/중합체 복합체 입자를 수득하는 단계; 및 (e) 상기 탄소/중합체 복합체 입자를 성형하여 탄소/중합체 복합체 필름을 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시 형태에 따른 환원된 산화그래핀/저밀도 폴리에틸렌 복합체 필름의 제조 공정을 도 4에 도시하였다. 상기 환원된 산화그래핀/저밀도 폴리에틸렌 복합체 필름의 제조방법은 (a) 저밀도 폴리에틸렌을 제1 용매에 용해시켜 저밀도 폴리에틸렌 용액을 제조하는 단계; (b) 환원된 산화그래핀을 제2 용매에 분산시켜 환원된 산화그래핀 용액을 제조하는 단계; (c) 상기 저밀도 폴리에틸렌 용액 및 환원된 산화그래핀 용액을 혼합하는 단계; (d) 상기 혼합액을 메탄올에 첨가하여 환원된 산화그래핀/저밀도 폴리에틸렌 복합체 입자를 수득하는 단계; 및 (e) 상기 환원된 산화그래핀/저밀도 폴리에틸렌 복합체 입자를 열압착하여 환원된 산화그래핀/저밀도 폴리에틸렌 복합체 필름을 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 방법에서, 상기 제1 및 제2 용매는 각각 독립적으로 톨루엔(toluene), 자일렌(xylene), 헥산(hexane), 사이클로헥산(cyclohexane), 벤젠(benzene), 클로로벤젠(chlorobenzene), 클로로폼(chloroform), 부탄(butane), 트리클로로에틸렌(trichloroethylene), 아세톤(acetone), 테트라클로라이드(tetrachloride), 디에틸케톤(diethyl ketone), 메틸에틸케톤(methyl ethyl ketone), 메틸프로필케톤(methyl propyl ketone), 메틸렌클로라이드(methylene chloride), 페놀(phenol), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran), 디에틸에터(diethyl ether) 등으로부터 선택되는 용매를 사용하는 것이 바람직하며, 톨루엔 용매를 사용하는 것이 가장 바람직하다.
상기 중합체는 제1 용매에 1 내지 10중량%의 농도로 용해시키는 것이 바람직하다. 상기 용해는 중합체의 종류에 따라 바람직한 온도 및 시간 동안 수행할 수 있으며, 저밀도 폴리에틸렌을 용해시키는 경우 70 내지 100℃에서 1 내지 3시간 가열하여 수행될 수 있다.
다음으로 탄소계 물질을 준비하여 제2 용매에 용해시킨다. 탄소계 물질로서 환원된 산화그래핀을 사용하는 경우, 상기 환원된 산화그래핀은 산화그래핀 분말을 200 내지 250℃에서 4 내지 6시간 동안 열처리하여 얻을 수 있으며, 바람직하게는 220℃에서 5시간 열처리하여 얻을 수 있다.
탄소계 물질, 예를 들어 환원된 산화그래핀은 제2 용매에 0.1 내지 10mg/ml의 농도로 분산시키는 것이 바람직하며, 약 1mg/ml의 농도로 분산시키는 것이 더욱 바람직하다. 상기 분산은 초음파 처리(sonication)를 통하여 균일하게 분산시키는 것이 좋다.
상기 중합체 용액 및 탄소계 물질 용액을 혼합한 후 혼합액을 제3 용매에 첨가하여 중합체와 탄소계 물질의 복합체가 응집(coagulation)하여 입자의 형태로 수득될 수 있다. 상기 제3 용매로는 메탄올(methanol), 에탄올(ethanol), 프로판올(propanol), 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol), 부탄올(butanol), 펜탄올(pentanol), 헥산올(hexanol), 헵탄올(heptanol), 옥탄올(octanol), 노난올(nonanol), 테칸올(decanol), 디클로로에탄(dichloroethane), 디클로로메탄(dichloromethane) 등을 사용하는 것이 바람직하며, 메탄올이 가장 바람직하다.
탄소/중합체 복합체 입자가 수득되면 이를 건조한 후, 열압기(Hot press)를 이용해 열압착함으로써 탄소/중합체 복합체 필름을 제조할 수 있다.
본 발명의 탄소/중합체 복합체는 또한, 응집(coagulation) 공정 외에도 용융 압출(melt extrusion), 롤러 밀(roller mill), 동방향 이축 압출기(co-rotating twin screw extruder), 용융 블렌딩(melt blending), 볼 밀링(ball milling), 지이글러-나타 중합 방법(Ziegler-Natta polymerization method) 등의 방법을 사용하여 탄소/중합체 복합체 입자를 수득한 뒤 이를 열압기(Hot press)를 이용해 열압착함으로써 탄소/중합체 복합체 필름을 제조할 수 있다.
여기서 상기 열압착은 110 내지 180℃에서 수행하는 것이 바람직하며, 115 내지 160℃에서 수행하는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 상기 열압착은 10 내지 10,000,000N/m2의 압력을 10 내지 30분간 부여하여 수행할 수 있다.
본 발명에서는, 상기 열압착의 압력을 조절함으로써 탄소/중합체 복합체 필름 의 두께 및 직경을 제어할 수 있다. 예를 들어, 1g의 탄소/중합체 복합체 입자를 가압하여 필름을 제조하는 경우, 100 내지 300㎛의 두께 및 6 내지 12cm의 직경을 갖는 필름을 제조할 수 있으며, 상기 두께 및 직경은 필요에 따라 복합체 입자의 양과 압력 등의 요소를 제어하여 다르게 설정할 수 있다.
본 발명에서, 상기 탄소/중합체 복합체 필름은 10㎛ 이상의 두께 및 5cm 이상의 직경을 갖는 것이 계면에서의 부유 안정성 면에서 바람직하다.
제조된 필름은 복합체 응집과정에서 남아 있을지 모르는 잔여 용매를 제거하기 위해 다시 제3 용매에 담근 후, 열압기에서 동일한 조건으로 한번 더 열압착하여 최종적으로 탄소/중합체 복합체 필름을 제조할 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 따른 저밀도 폴리에틸렌 필름은 기본적으로 흰색의 반투명한 필름이지만, 환원된 산화그래핀과 복합체의 형태로 제조되는 경우 검정색의 필름으로 제조되며, 열압착에 의해 제조되기 때문에 기본적으로 원형의 필름 형태를 갖는다.
본 발명의 환원된 산화그래핀/저밀도 폴리에틸렌 복합체 필름은 소수성 및 친유성 특성을 갖는다. 따라서, 필름이 물에 젖어서 물 속으로 침몰되지 않으며, 기름에 보다 강하게 부착되어, 물과 기름의 계면에 안정적으로 부유할 수 있다. 특히, 외부의 충격이나 필름을 직접적으로 누르는 힘에도 잘 견디기 때문에 바다와 같은 극한의 환경에서도 안정적이고 수월하게 기름을 분리하는 역할을 수행할 수 있다.
본 발명의 장치에서, 상기 회수홀은 기름 회수관의 내경과 동일한 직경으로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 회수홀은 필름의 상부에 위치하는 기름이 기름 회수관으로 이동할 수 있는 통로의 역할을 할 수 있다.
또한, 상기 기름 회수관은 필름의 상부에 위치하는 기름이 이동할 수 있는 통로의 역할을 한다.
본 발명에서, 상기 회수홀의 직경 및 기름 회수관의 내경은 2mm 내지 5mm인 것이 바람직하지만, 적용되는 환경에서 적합한 내경을 갖도록 조절할 수 있다.
상기 기름 회수관의 내경은 회수될 기름의 점도에 따라 다르게 구성할 수 있다. 저점도의 기름을 회수하고자 하는 경우 기름 회수관의 내경을 상대적으로 작게 구성할 수 있으며, 고점도의 기름을 회수하고자 하는 경우 기름 회수관의 내경을 상대적으로 크게 구성할 수 있다. 본 발명의 물-기름 분리 장치는 기름 회수관의 내경을 조절하는 간단한 물리적인 방법으로 점도 및 물성이 상이한 기름들을 쉽고 빠르게 분리할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 중합체 필름은 또한, 도 5에 예시한 바와 같이, 필름의 부유 안정성을 향상시키기 위한 필름형태 유지수단을 더 구비할 수 있다. 상기 필름형태 유지수단은 도 5(a)와 같이 본 발명의 중합체 필름에 전혀 사용되지 않을 수도 있지만, 도 5(b)와 같이 중합체 필름의 테두리부에 적용되거나, 도 5(c)와 같이 중합체 필름의 테두리부 및 표면의 일부에 구비되어 중합체 필름이 외부의 충격 등에 의하여 형태가 변형되지 않도록 유지하여 부유 안정성이 향상되도록 할 수 있다. 상기 필름형태 유지수단은 필름의 형태를 유지할 수 있는 강성을 갖고, 물에 녹지 않으며 물과 반응하지 않는 중합체, 금속, 또는 비금속으로 이루어진 물질로 제작되며, 필름의 부유 상태를 저해하지 않는 형태이다.
본 발명의 장치는 또한, 도 6에 예시한 바와 같이, 상기 중합체 필름 및 기름 회수관 중 하나 이상의 구성요소에 발열 수단을 더 구비할 수 있다. 상기 발열 수단은 기름의 회수시 열을 발생하여 기름의 점도가 낮아지도록 하여 더욱 빠른 회수 속도로 기름을 회수할 수 있도록 할 수 있다. 상기 발열 수단은 공지의 열원을 이용하여 공지의 방법으로 발열을 수행할 수 있다. 예를 들어, 전류, 가시광선, 화학 반응 등을 열원으로 하여 발열하는 금속 발열체, 열선 및 탈부착형 발열체의 형태로 필름 및 기름 회수관에 상기 발열체를 장치하여 기름의 점도를 낮추어 회수를 용이하게 할 수 있다.
상기 기름 회수관은 기름 회수 용기에 연결되어 회수된 기름이 기름 회수 용기에 저장되도록 할 수 있다. 상기 기름 회수 용기의 형태는 특별히 제한되지 않으나 상면이 개방된 용기의 형태일 수 있으며, 또는 밀폐된 용기의 형태도 가능하다.
기름 회수 용기가 밀폐된 용기인 경우 회수된 기름이 용기 내로 유입되면서 내부의 공기가 빠져나갈 수 있도록 공기 배출관을 더 구비할 수 있다. 상기 공기 배출관의 말단에는 바람직하게는 주사기, 펌프 등이 연결되어 용기 내의 압력을 낮추어 기름이 보다 빠르고 용이하게 회수되도록 구성하는 것도 가능하다.
상기 기름 회수 용기는 물 속 또는 물 밖에 위치할 수 있으나, 물 속에 위치하는 것이 기름 회수 속도를 향상시키기 위해서 바람직하다. 이는 기름 회수관이 물 밖으로 나오지 않도록 하는 것이 유리하기 때문이다. 여기서, 상기 기름 회수 용기가 상면이 개방된 용기의 형태인 경우 개방된 부분은 수면 위에 위치하고 용기의 몸체 부분만 물 속에 위치하도록 구성할 수 있다.
또한, 상기 기름 회수 용기는 부력에 의해 물에 떠 있도록 구성할 수 있으나, 보다 빠른 기름 회수 속도를 위해서는 개방된 부분을 제외한 몸체가 어느 정도 물에 잠기도록 구성하는 것이 바람직하다. 즉, 기름 회수관 및 기름 회수 용기가 연결된 부분이 수면보다 낮을수록 기름 회수 성능이 향상될 수 있다.
본 발명의 물-기름 분리 장치는 600,000L/m2h 이상의 기름 회수 속도를 발휘할 수 있다. 이는 종래에 보고된 기름 회수 장치가 수천에서 수만 L/m2h 정도의 기름 회수 속도를 나타내는 것에 비하여 현저히 향상된 것이다.
또한, 본 발명의 물-기름 분리 장치는 필름의 친액성(lyophilic) 또는 소액성(lyophobic)을 이용하지 않기 때문에 기름의 점도나 물성에 크게 영향을 받지 않으며, 회수관의 내경을 조절하는 등의 간단한 물리적인 조절을 통하여 다양한 점도 및 물성을 갖는 기름을 빠르고 간단하게 분리할 수 있다.
실시예
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
제조예: rGO/LDPE 필름 제조
저밀도 폴리에틸렌(LDPE 963, 한화 화학)을 톨루엔(Toluene)에 5중량%가 되도록 넣어준 후 90℃의 온도에서 2시간 동안 가열하여 저밀도 폴리에틸렌을 톨루엔에 용해시켰다.
산화그래핀(N002-PDE, ANGSTRON MATERIALS) 가루를 220℃에서 5시간 동안 열처리하여 환원된 산화그래핀(rGO) 가루를 얻었다. 상기 환원된 산화그래핀 가루를 톨루엔에 1mg/ml가 되도록 첨가한 후 초음파 처리(sonication)하여 잘 분산시켰다.
저밀도 폴리에틸렌(LDPE) 용액과 환원된 산화그래핀 용액을 혼합하되, rGO가 LDPE 중량에 대하여 각각 0, 0.5, 1, 5 및 10중량%가 되도록 혼합하였다.
혼합 용액을 메탄올에 서서히 부어 입자들이 결집(agglomeration)된 복합체 입자를 수득하였다.
얻어진 환원 산화그래핀/저밀도 폴리에틸렌(rGO/LDPE) 복합체 1.000±0.010g을 꺼내어 건조한 뒤, 열압기(Hot press)를 이용해 150℃에서 0 내지 1000lb 사이의 압력을 15분 정도 가해 rGO/LDPE 필름을 1차적으로 제작하였다. 0lb의 경우 계기판에 바늘이 움직이지 않을 정도의 압력만을 가하여 필름을 제조한 것을 의미한다.
복합체 응집과정에서 남아 있을지 모르는 잔여 용매를 제거하기 위해 rGO/LDPE 필름을 다시 메탄올에 담근 후 꺼내어 잘 말린 뒤, 앞서 진행했던 열압기와 동일한 조건으로 한번 더 열과 압력을 가해 실험에 사용할 필름을 제작하였다.
열압기의 압력에 따라 제조된 필름의 두께 및 직경을 각각 도 7(a) 및 (b)에 나타내었다.
도 7(a)에서, rGO가 포함되지 않은 LDPE 필름은 압력을 0lb에서 1000lb로 증가시킴에 따라 평균 두께가 204㎛에서 114㎛로 두께가 감소하였으며, 1중량%의 rGO를 혼합한 rGO/LDPE 필름은 압력의 증가에 따라 273㎛에서 169㎛로 두께가 감소하였다.
두 종류의 필름 모두 열압기 공정 시 가한 힘이 증가할수록 필름의 두께가 줄어드는 경향을 나타내었다.
또한, 동일한 열압기 공정 조건으로 필름을 제작하였지만 LDPE 필름에 비해 rGO/LDPE 필름이 50 내지 70㎛ 정도 더 두꺼운 것을 확인할 수 있다. 이는 LDPE의 양이 줄어들면서 같은 시간 동안 rGO/LDPE가 충분히 퍼지지 못했기 때문이다.
도 7(b)에서는 열압기의 압력이 증가함에 따라 제조된 필름의 직경이 늘어나는 것을 확인할 수 있다. 도 7(a)에서 평균 두께가 상대적으로 더 얇았던 LDPE 필름이 더 큰 직경을 갖는다는 것을 알 수 있다.
실험예 1: rGO/LDPE 필름의 물성 측정
상기 제조예에서 제조한 rGO/LDPE 필름의 물성을 아래의 항목에 따라 분석하였다.
1-1. 필름의 외형
상기 제조예에서 rGO의 함량이 0중량%인 LDPE 필름과 1중량%인 rGO/LDPE 필름의 외형을 비교하여 도 8에 나타내었다.
LDPE 만으로 제조된 필름은 하얀색의 반투명한 원형 필름이며, rGO/LDPE 복합체 필름은 검정색의 원형 필름인 것을 확인할 수 있다.
1-2. 필름의 부유 특성
rGO/LDPE 필름의 부유 특성을 확인하기 위하여, 상기 1중량% rGO/LDPE 필름을 물과 기름이 있는 비이커에 첨가한 후 시간의 흐름(a)->b)->c))에 따른 필름의 위치를 도 9에 나타내었다.
rGO/LDPE 필름이 기름에 뜨지 않고 서서히 가라앉아 물과 기름의 계면에 위치하는 것을 확인할 수 있다.
도 10은 상기 비이커의 외부에 충격을 가한 후의 필름의 위치를 시간의 흐름에 따라(a)->b)->c)) 나타낸 것이다. 외부의 충격에 의하여 물과 기름이 크게 출렁거림에도 불구하고 안정적으로 물과 기름의 계면에 위치하는 것을 확인할 수 있다.
1-3. 필름의 소수성 및 친유성
상기 제조예에서 rGO 비율을 변화시키며 제작한 rGO/LDPE 필름의 물 접촉각(WCA, Water Contact Angle)과 기름 접촉각(OCA, Oil Contact Angle)을 측정함으로써 소수성 및 친유성을 확인하였다.
각 필름의 물 접촉각(WCA)을 측정한 결과를 도 11에 나타내었다.
도 11에서, rGO가 0중량%일 때 필름의 물 접촉각은 84°이고 10중량%일 때는 107°를 나타내어 rGO의 비율이 증가함에 따라 물 접촉각이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 즉, rGO 비율이 높아짐에 따라 rGO/LDPE 필름의 소수성이 증가한다고 말할 수 있다.
기름 접촉각은 기름을 필름에 떨어뜨리자 마자 기름이 필름 위로 퍼져 모든 필름에 대하여 0°로 확인되었다.
즉, 본 발명의 rGO/LDPE 필름은 약한 소수성과 강한 친유성을 갖고 있다는 것을 알 수 있다.
실험예 2: 필름의 부유 안정성 실험
rGO/LDPE 필름의 물과 기름 계면 사이에서의 부유 안정성을 분석하기 위해 딥코터를 이용하여 도 12와 같은 측정 장치를 구성하였다.
0중량% 및 1중량%의 rGO를 각각 포함하는 LDPE 필름 및 rGO/LDPE 복합체 필름을 열압기의 압력을 조절하여 각각 직경 4cm, 5cm 및 6cm로 재단하였다.
필름을 물과 기름 계면 사이에 위치시키고 딥코터에 연결된 막대로 천천히 눌러준 후 필름이 눌리는 동안 변위와 필름에 의해 막대가 받는 힘을 측정하였으며, 물이 필름 위로 넘어 올 때의 위치와 힘을 측정한 결과를 도 13 및 11에 나타내었다.
도 13(a)는 필름의 직경에 따른 침수 깊이의 평균을 나타낸 것이다. 필름의 직경이 커질수록 침수 깊이가 깊어지는 것을 확인할 수 있다. 이는 필름이 커질수록 액체에 의해 받는 부력이 커지기 때문이다.
도 13(b)는 LDPE 필름과 rGO/LDPE 필름의 직경에 따른 침수 깊이를 나타낸 것이다. LDPE의 경우 직경이 커질수록 침수 깊이도 깊어지는 경향을 뚜렷하게 나타내었다.
그러나, rGO/LDPE 필름의 경우 필름의 직경이 4cm에서 5cm로 커질 때는 침수 깊이가 3.9cm에서 4.3cm로 깊어졌으나, 직경이 6cm일 때는 침수 깊이가 3.7cm로 다시 얕아진 것을 확인할 수 있다. 이는 4cm 및 5cm의 직경을 갖는 rGO/LDPE 필름은 편평하여 액체에 의한 부력만의 영향을 받으나, 6cm의 rGO/LDPE 필름은 형태가 구부러져 있어 액체에 의한 부력이 아닌 필름의 형태의 영향을 크게 받았기 때문이다.
도 14(a) 및 (b)에서는 필름의 종류와 관계없이, 필름의 직경이 증가하면 침수 시 받는 힘이 증가한다는 것을 확인할 수 있다. 같은 직경일 경우 rGO/LDPE 필름보다 LDPE 필름이 받는 힘이 큰데, 이는 같은 직경일 때 rGO/LDPE 필름보다 LDPE 필름이 더 얇아 유연하여 계면을 따라 깊게 들어가고 두께에 의한 힘을 더 받기 때문이다.
실험예 3: 물/기름 분리 시험
물질의 밀도차이를 이용하여 기름을 분리하기 위해 도 15에 나타낸 바와 같은 실험 장치를 구성하였다.
수조에 물을 4/5 정도 채운 후, 등유를 첨가하여 물 위에 등유의 층이 생기도록 하였다. 상기 제조예에서 제조된 rGO/LDPE 필름을 물과 등유의 계면에 부유하도록 하였다. 상기 필름에는 실리콘 튜브를 연결하였으며, 필름에 튜브의 내경과 동일한 크기의 구멍을 뚫어 기름이 실리콘 튜브를 타고 흐를 수 있도록 하였다. 상기 실리콘 튜브의 다른 말단은 수조 내에 위치한 기름 회수 용기에 연결되도록 하였다.
3-1. 튜브 내경에 따른 회수 속도 분석
튜브 내경에 따른 기름 회수 속도를 측정하였다.
각각 2mm, 3mm 및 4mm의 내경을 가진 실리콘 튜브를 준비하여 상기 실험을 수행하였다. 튜브 내경에 따른 기름 회수 속도를 도 16에 나타내었다.
도 16에서, 3개의 튜브 모두 기름 회수속도가 100,000L/m2h를 넘는 것으로 나타났다. 이는 기존에 보고된 기름 회수 속도를 월등히 뛰어넘는 현저히 우수한 수치이다.
구체적으로, 2mm의 튜브를 실험에 사용한 경우 150,000L/m2h 이상의 기름 회수 속도를 보였으며, 3mm 이상의 튜브에서는 약 500,000L/m2h의 회수 속도를 보이면서 2mm 튜브의 회수 속도보다 약 3-4배 향상되었다. 튜브의 단면이 4mm2에서 9mm2로 2.25배 증가한 것에 비해 기름 회수 속력이 더 크게 증가한 것을 알 수 있다.
튜브의 내경이 3mm에서 4mm로 증가한 경우, 튜브의 단면 면적은 9mm2에서 16mm2로 약 1.7배 증가하였지만 기름 회수 속도는 약 600,000L/m2h로 1.2배 가량만 증가하였다.
3-2. 회수 용기의 위치에 따른 회수 성능 분석
기름 회수 용기의 위치에 따른 기름 회수 성능을 분석하기 위하여, 도 17에 나타낸 바와 같이, 기름 회수 용기가 물에 뜬 상태와 바닥에 가라앉은 상태에 대하여 실험을 수행하였다. 실험에는 내경 4mm의 튜브를 사용하였다. 그 결과를 도 18에 나타내었다.
도 18에서 회수 용기가 떠있는 상태로 실험을 시작한 경우에는 평균 330,000L/m2h의 기름 회수 속력을 나타내었으며, 회수 용기가 가라앉은 상태로 실험을 시작한 경우에는 약 600,000L/m2h의 기름 회수 속력을 나타내었다.
즉, 두 경우 모두 우수한 기름 회수 속도를 나타내었지만, 회수 용기가 수조 내에 가라앉은 상태가 약 2배 가량 빠른 기름 회수 속도를 나타낸다는 것을 알 수 있다.
3-3. 기름 두께에 따른 회수 속도 분석
물 위에 떠 있는 기름의 두께를 달리하여 기름 회수 속도를 분석하였다.
기름의 두께를 0.3cm, 0.5cm, 1.0cm, 1.25cm, 1.5cm 및 2.0cm로 하여 각각 실험을 진행하였으며, 관의 내경은 4mm로 하였다.
도 19에 나타낸 바와 같이, 기름의 두께가 0.3cm에서 2.0cm까지 증가함에 따라 회수 속도는 약 200,000L/m2h 에서 약 1,000,000L/m2h까지 증가하였다.
이는 기름 층이 얇아지는 경우 기름이 관의 내부를 전부 채우지 못하고 기름이 튜브 벽만을 따라 회수되기 때문이다. 따라서 관의 내경이 커졌을 때 기름의 두께도 충분히 두꺼워야 최고의 기름 회수 성능을 나타낼 수 있다는 것을 알 수 있다.
3-4. 필름 크기에 따른 기름 회수 성능 분석
rGO/LDPE 필름의 크기에 따른 기름 회수 성능을 분석하기 위하여, 직경 9.3cm, 10.3cm, 12.6cm 및 13.95cm의 4가지 크기의 필름으로 실험을 진행하였다.
도 20에서 확인 가능한 바와 같이, 4가지 직경의 필름 모두 약 600,000L/m2h의 기름 회수 성능을 나타내어 필름의 크기는 기름 회수 속도에 큰 영향을 미치지 않는다는 것을 알 수 있다.
다만, 직경이 9.3cm 일 때는 회수 속도가 약 550,000L/m2h로 다른 직경의 필름들 보다 다소 떨어지는데, 이는 필름이 작아지면서 연결된 관의 부력과 강성의 영향을 크게 받게 되고, 필름이 물과 기름 계면을 따라 안정적으로 위치하지 못하기 때문인 것으로 파악된다. 필름이 관의 부력과 강성의 영향을 적게 받는 크기 이상이면 기름 회수 속도는 영향을 받지 않는다.
실험예 4: 회수 용기가 수조 외부에 위치하는 물/기름 분리 장치 시험
상기 실험예 3과 동일한 물/기름 분리 장치를 구성하되, 도 21에 도시한 바와 같이, 기름 회수 용기가 수조의 외부에 위치한 장치를 구성하였다.
본 장치의 경우 튜브가 수조를 넘게 되어 수면보다 높아져 기름이 회수되지 못하기 때문에, 회수 용기를 밀폐하고 회수 용기 안의 공기가 빠져나갈 튜브를 하나 더 연결하여 주사기와 연결하였다. 튜브의 내경은 3.2mm 튜브로 수행하였다. 기름 회수 속도를 측정하여 도 22에 나타내었다.
도 22에서, 약 100,000L/m2h의 기름 회수 속도를 확인할 수 있다.
이는 비슷한 내경을 가진 실험예 3의 내경 3mm 튜브와 비교하면 약 1/6의 수치이며 내경이 더 작은 실험예 3의 2mm 튜브와 비슷한 수치이다. 기름이 수면 보다 높은 위치의 튜브를 통과하면서 회수 용기 방향이 아닌 반대 방향으로 힘을 받게 되어 속력이 감소한 것으로 파악된다. 그러나, 본 실험의 기름 회수 속도 역시 기존의 보고된 연구 결과와 비교할 때 매우 빠른 속도에 해당한다.
이상 본 발명의 일부 구현 형태에 대해서 설명하였으나, 본 발명은 상술한 바와 같은 구현형태에 대해서만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 수정 및 변형하여 실시할 수 있으며, 그러한 수정 및 변형이 가해진 형태 또한 본 발명의 기술적 사상에 속하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (13)

  1. 물 위에 떠 있는 기름을 분리하기 위한 장치로서,
    (a) 물의 밀도보다 낮고 기름의 밀도보다 높은 밀도를 가져 물과 기름 사이에 부유하도록 구성되고, 기름 회수를 위한 회수홀이 형성된 중합체 필름;
    (b) 상기 회수홀에 연결되어 중합체 필름의 상부에 위치하는 기름을 이동시키기 위한 기름 회수관; 및
    (c) 상기 기름 회수관의 말단에 연결되어 회수된 기름을 저장하는 기름 회수 용기
    를 포함하는 물-기름 분리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 중합체 필름이 초고분자량 폴리에틸렌(ultra-high-molecular-weight polyethylene; UHMWPE), 초저분자량 폴리에틸렌(ultra-low-molecular-weight polyethylene; ULMWPE), 고분자량 폴리에틸렌(high-molecular-weight polyethylene; HMWPE), 고밀도 폴리에틸렌(high-density polyethylene; HDPE), 고밀도 가교성 폴리에틸렌(high-density cross-linked polyethylene; HDXLPE), 가교성 폴리에틸렌(cross-linked polyethylene; XLPE), 중밀도 폴리에틸렌(medium-density polyethylene; MDPE), 선형 저밀도 폴리에틸렌(linear low-density polyethylene; LLDPE), 저밀도 폴리에틸렌(low density polyethylene; LDPE), 초저밀도 폴리에틸렌(very-low-density polyethylene; VLDPE), 염소화 폴리에틸렌(chlorinated polyethylene; CPE), 입체규칙성 폴리프로필렌(isotactic polypropylene; iPP), 신디오택틱 폴리프로필렌(syndiotactic polypropylene; sPP), 어택틱 폴리프로필렌(atactic polypropylene; aPP), 호모-폴리프로필렌(homo-PP), 랜덤-폴리프로필렌(random-PP), ter-폴리프로필렌(ter-PP), 블록-폴리프로필렌(block-PP), 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(acrylonitrile butadiene styrene; ABS), 폴리(1-부텐)(poly(1-butene)), 폴리메틸펜텐(polymethylpentene) 및 에틸렌-비닐 아세테이트 공중합체(ethylene-vinyl acetate copolymer; EVA)로 구성된 군에서 선택된 중합체 필름인 것을 특징으로 하는, 물-기름 분리 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 중합체 필름의 밀도가 0.50 내지 1.030g/cm3인 것을 특징으로 하는, 물-기름 분리 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 중합체 필름이 그래핀(graphene), 산화그래핀(graphene oxide), 환원된 산화그래핀(reduced graphene oxide), 탄소나노튜브(carbon nanotube), 탄소섬유(carbon fiber) 및 탄소나노플레이트(carbonaceous nanoplates)로 구성된 군에서 선택된 탄소계 물질과의 복합체 필름의 형태인 것을 특징으로 하는, 물-기름 분리 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 복합체 필름이 탄소계 물질을 중합체 필름의 중량에 대하여 0.1 내지 10중량% 포함하는 것을 특징으로 하는, 물-기름 분리 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 기름 회수관의 내경이 2mm 이상인 것을 특징으로 하는, 물-기름 분리 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 기름 회수관 및 기름 회수 용기가 연결된 부분이 수면 아래에 위치하는 것을 특징으로 하는, 물-기름 분리 장치.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 복합체 필름이 다음을 포함하는 방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는, 물-기름 분리 장치:
    (a) 중합체를 제1 용매에 용해시켜 중합체 용액을 제조하는 단계;
    (b) 탄소계 물질을 제2 용매에 분산시켜 탄소계 물질 용액을 제조하는 단계;
    (c) 상기 중합체 용액 및 탄소계 물질 용액을 혼합하는 단계;
    (d) 상기 혼합액을 제3 용매에 첨가하여 탄소/중합체 복합체 입자를 수득하는 단계; 및
    (e) 상기 탄소/중합체 복합체 입자를 성형하여 탄소/중합체 복합체 필름을 제조하는 단계.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 용매가 톨루엔(toluene), 자일렌(xylene), 헥산(hexane), 사이클로헥산(cyclohexane), 벤젠(benzene), 클로로벤젠(chlorobenzene), 클로로폼(chloroform), 부탄(butane), 트리클로로에틸렌(trichloroethylene), 아세톤(acetone), 테트라클로라이드(tetrachloride), 디에틸케톤(diethyl ketone), 메틸에틸케톤(methyl ethyl ketone), 메틸프로필케톤(methyl propyl ketone), 메틸렌클로라이드(methylene chloride), 페놀(phenol), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran) 및 디에틸에터(diethyl ether)로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는, 물-기름 분리 장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 성형이 열압착(hot pressing)에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는, 물-기름 분리 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 열압착이 110 내지 180℃의 온도에서 10 내지 10,000,000N/m2의 압력으로 수행되는 것을 특징으로 하는, 물-기름 분리 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 중합체 필름이 필름의 형태를 유지하기 위한 필름형태 유지수단을 포함하는 것을 특징으로 하는, 물-기름 분리 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 중합체 필름 및 기름 회수관 중 하나 이상이 발열 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는, 물-기름 분리 장치.

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