물 여과, 단백질 정제 또는 생체 의학 여과 장치에 사용되는 분리막은 여러 가지 이유로 막 파울링을 거치게 된다. 박테리아에 의한 막 표면의 바이오필름 형성은 분리막의 내구성에 심각한 문제를 초래한다. 단백질 정제의 경우, 소수성 인 막의 표면으로 인해 막의 기공이 막히게 된다. 분리막의 파울링을 조절하는 방법에는 여러 가지가 있는데, 그 중 하나가 은나노 입자의 도입이다. 은나노 입자의 항균 특성은 잘 알려져 있고 따라서 여러 응용에 사용되고 있다. 본 총설에서는 은나 노 입자 또는 그 유도체가 박막 활성층에 도입되거나 또는 복합막 전체에 균일하게 분포된 분리막에 초점을 두었다.

어류 치어기의 주요 먹이로 생물로 사용되는 해산 로티퍼 (Brachionus plicatilis)의 생존율 및 개체군 성장률을 이용하여, 국내 연안에 잔류하고 있는 것으로 알려진 신방 오물질인 chlorothalonil의 독성을 평가하고자 하였다. B. plicatilis의 생존율은 0.039 mg L-1에서 유의하게 감소하기 시작하여, chlorothalonil의 농도가 증가할수록 감소하는 농도의존성을 나타냈다. 생존율의 무영향농도는 0.020 mg L-1, 최소영향농도는 0.039 mg L-1, 반수영향농도는 0.057 mg L-1로 나타났다. 개체군 성장률 또한 생존율과 마찬가지로 0.313 mg L-1에서부터 농도의존적으로 감소하는 경향을 나타냈다. 개체군 성장률의 무영향농도는 0.156 mg L-1, 최소영향농도는 0.313 mg L-1, 반수영향농도는 0.506 mg L-1 로 나타났다. 본 연구 결과, 해양 생태계 내에서 신방오물질인 chlorothalonil의 잔류 농도가 0.039 mg L-1 이상일 경우 B. plicatilis에게 독성영향을 줄 것으로 예상되며, 본 연구의 생태독성 시험결과를 바탕으로 해양환경 내 chlorothalonil 의 독성을 평가하기 위한 기초연구자료 및 다른 방오물질과의 독성영향을 비교평가할 수 있는 자료로 활용될 수 있을 것이다.

전 세계적으로 물 위기인 상황에서 깨끗한 물에 대한 수요는 꾸준히 이어지고 있다. 이러한 상황에서 정수를 위한 멤브레인 분리 기술은 중요하다. 멤브레인의 오염 때문에 멤브레인의 분리 효과는 방해되고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 최근에 여러 방법으로 평막에 패턴을 제공하는 연구와 실험이 수행되었다. 멤브레인의 패턴화는 오염을 줄일 뿐 아니라 방법과 재료에 따라 물투과 유속을 증가시켰다. 각각의 적용된 사례에서 증가된 표면적, 높은 물 투과도, 그리고 향상된 여과 사이클 등과 같은 효과를 보여주었다. 본 총설에서는 오염방지에 대한 패턴화 멤브레인의 효과를 소개하고 논의한다.

물 공급은 늘어나는 담수 수요와 다르게 줄어들고 있다. 담수의 수요를 충당하기 위해서 나노여과법은 가장 효율 적이고 경제적인 방법이라고 할 수 있다. 해수담수화를 위한 나노여과법의 일반적인 방법으로는 나노여과 멤브레인을 이용한 역삼투압 방식이다. 하지만 기존의 멤브레인들은 주요 특성인 안정성, 경제성, 그리고 살균 및 방오특성이 부족하다. 기존의 나노여과 멤브레인을 향상시키기 위해서 친수성과 방오성이 높은 흑연 산화물이 가장 향상성이 높으며 널리 연구되고 있는 재료이다. 멤브레인 변형은 다른 레이어에 적용될 수 있다. 얇은 막으로 이루어진 멤브레인은 다른 세 레이어로 구성되어 있 다, 표면의 폴리아미드 레이어, 기공 레이어, 그리고 전체적인 구조를 구성하는 지원 직물이다. 정삼투압 토한 에너지 효율적 인 해수담수화 방식이지만 효율이 생물 오염 때문에 떨어진다. 산화그래핀 결합은 향균 기능을 향상할 수 있으며 멤브레인 표면에 바이오필름 생성을 억제할 수 있다. 압력지연삼투는 해수에서 청정에너지를 발전시키는 최고의 방법 중 하나이다. 멤 브레인의 생물 오염은 합성 폴리머 멤브레인의 합성 레이어에 산화 그래핀을 합성하여 줄일 수 있다. 나노여과 멤브레인을 개량하는 여러 연구가 각자의 장단점을 가지고 이루어지고 있다. 이 보고서는 나노여과 멤브레인의 개량, 성질, 그리고 성능 에 대해 논의한다.

Toxic assessment of antifouling agents (diuron and irgarol) was conducted using the fertilization and the normal embryogenesis rates of the sea urchin, Mesocentrotus nudus. Bioassessment began with male and female reproductive cell induction. White or cream-colored male gametes (sperm) and yellow or orange-colored female gametes (eggs) were acquired and fully washed, separately. Then, the fertilization and normal embryogenesis rates were measured after 10 min and 48 h of exposure to the toxicants, respectively. The fertilization and embryo development rates were greater than 90% in the control, validating the suitability of both endpoints. The normal embryogenesis rates were significantly decreased with increasing concentrations of diuron and irgarol, but no changes in the fertilization rates were observed in concentrations ranging from 0 to 40 mg L-1. The EC50 values of diuron and irgarol for the normal embryogenesis rates were 20.07 mg L-1 and 22.45 mg L-1, respectively. The no observed effect concentrations (NOEC) were <1.25 mg L-1 and the lowest observed effect concentrations (LOEC) were 1.25 mg L-1 and 2.5 mg L-1, respectively. From these results, concentrations of diuron and irgarol over 1.25 mg L-1 and 2.5 mg L-1, respectively, can be considered to have toxic effects on invertebrates, including M. nudus. The ecotoxicological bioassay in this study using the noted fertilization and normal embryogenesis rates of M. nudus can be used as baseline data for the continued establishment of environmental quality standards for the effects of antifouling agents (especially diuron and irgarol) in a marine environment.

수처리용 멤브레인의 기능 개선은 물과 에너지 자원 부족의 문제를 해결할 대표적인 과제로 떠오르고 있다. 나노 멤브레인을 활용한 정수 과정이 실용 가능할 수준에 도달하려면, 여과막의 표면에 박테리아나 미생물이 축적되는 생물 오손 (biofouling)을 해소하는 전략이 필수적으로 고안되어야 한다. 더 높은 내구성을 가지면서도 기본적인 목적인 여과에 대한 성 능 저하 없이 작동하는 수처리용 멤브레인을 합성하기 위해 현재 수많은 연구가 진행되고 있으며, 이러한 연구들에서 다루어 지는 전략들은 크게 두 가지 종류로 분류될 수 있다. 이 중 일반적으로 제시되는 유형은 멤브레인의 표면에 은 나노 입자를 고정하는 방식이다. 은 나노 입자를 활용하는 방법에도, 은 나노 입자가 오염 방지의 역할을 효과적으로 수행하는 데 필요한 표면과의 유의미한 결합을 실현하기 위해 여러 가지 세부 전략들이 제안되어진다. 은 나노 입자를 사용하는 방식에서 단점이 나 독성 유발 가능성 등의 위험성이 제기되면서, 은 외에도 구리, 그래핀 또는 아연 산화물, 아민 부분과 같은 물질의 입자들 을 적용하여 멤브레인을 알맞게 기능화 하는 유형의 연구들 또한 진행되었다. 위 두 가지 유형의 전략들을 주제로 한 연구들 은 여러 번의 시도와 실험을 거쳐 합성된 멤브레인의 표면에서 박테리아의 박멸이나 그의 번식을 예방하는 등의 몇 가지 주 목할 만한 성과를 낳았으며, 향후 추가적인 연구가 필요한 점들을 제시하였다. 본 리뷰논문은 금속 나노 입자 및 기타 물질들 이 수처리용 멤브레인의 표면과 결합하여 그의 방오화 특성에 기인하는 영향을 조사한 연구들에 대하여 다루고 있다.

Irgarol과 diuron에 각각 노출된 해산규조류(Skeletonema costatum)의 개체군 성장률(r )을 분석 하여 독성평가를 실시하였다. S. costatum을 irgarol (0, 0.31, 0.63, 1.25, 2.5, 5 μg l-1)과 diuron (0, 7.81, 15.63, 31.25, 62.5, 125 μg l-1)에 각각 96시간 노출하여 r 을 계산하였고, 대조구의 r 은 0.04 이상으로 시험기준에 적합하였다. S. costatum의 r은 irgarol에서 0.63 μg l-1, diuron은 15.63 μg l-1 이상에서 대조구 대비 유의하게 감소하기 시작하여 irgarol과 diuron의 농도가 증가할수록 r이 감소하는 농도의존적인 반응을 나타냈고, 시험 최고농도 5와 125 μg l-1에서 r이 대조구 대비 80% 이상 감소하였다. Irgarol과 diuron에 노출시킨 S. costatum r의 반수영향농도(EC50)는 1.09, 45.45 μg l-1, 무영향농도(NOEC)는 0.31, 7.81 μg l-1, 최소영향농도(LOEC)는 0.63, 15.63 μg l-1으로 나타났으며, EC50 기준으로 irgarol이 diuron보다 독성이 큰 것으로 나타났다. 본 연구결과로 해양 생태계에서 Irgarol과 diuron의 농도가 0.63과 15.63 μg l-1 이상이 되면, 해산 규조류 S. costatum 의 r은 독성영향을 받을 것으로 판단된다. 또한, 독성 값으로 제시된 결과들은 irgarol과 diuron 의 기준농도 설정을 위한 기초자료로 유용하게 활용될 것이다.

막 생물 반응기(MBR)에서, 활성화 된 슬러지는 생물학적 성분을 분해하고 막 공정은 이 부유 물질인 박테리아를 분리시킨다. 그러나 MBR에서의 주요 문제는 ‘막 오염’이다. 이 리뷰에서는 ‘막 오염’을 극복하기 위하여 제시된 ‘복합막’을 논의하고 있다. ‘복합막’은 탄소 또는 비탄소 재료 포함하는 막으로 분류할 수 있다. 이 복합막의 친수성은 그래핀, 산화그래핀 (GO) 및 탄소 나노 튜브 또는 그들의 변형 된 부분을 깨끗한 막에 도입시킬 때 향상된다. 이산화규소(SiO2) 또는 이산화티타 늄(TiO2)과 같은 무기 물질 또한 막의 물 흐름을 증가시키기 위해 복합막 형성에 통합된다.

선박에 파울링이 발생되면 운항 중 선박의 저항이 증가하게 되고 이로 인해 연료 소모량도 높아지게 된다. 또한 파울링의 제거에 많은 시간이 필요하게 되어 전체적으로 선박의 유지보수 비용이 증대되는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하고 환경오염을 방지 하기 위해 주석과 같은 독성 물질을 포함하지 않는 자기연마형 방오도료를 개발하고 있다. 이와 같은 종래기술은 해수와의 마찰이나 진동이 많이 발생하는 운항 중에는 연마기능이 촉진되어 방오성능이 증대되나, 정박 중과 같이 실제로 파울링이 심화되는 경우에는 해수의 흐름이 없어 연마기능이 저하되어 방오성능이 떨어지는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 선체의 진동 및 해수의 흐름이 없어서 연마 기능이 저하되는 정박 중에도 진동을 부여하여 연마 기능의 저하를 방지하는 제품을 개발하였다. 개발된 초음파 방오장비의 성능의 신뢰성을 위해 파형발생기의 반복성을 확인하였고 장치의 파울링 제거효율의 정성적인 경향은 시편을 통해 파악하였다. 실험 결과 주파수와 진폭의 반복성의 변동계수 값은 평균 0.2 %, 4.0 %를 나타냈고 시편의 파울링 발생량은 No.5 시편에서 73.3 g으로 가장 많았고 파울링 제거효율은 장치를 설치하지 않은 시편과 비교하여 평균 93.2 % 값을 확인할 수 있었다.

본 연구에서는 한외여과 polysulfone (PSf) 중공사막에 첨가제를 섞는 방법을 통해 친수성 증가에 따른 분리막 특성 및 성능을 향상하고자 하였다. 15 nm 크기의 fumed silica (FS)를 0.1, 0.3, 0.5 wt%로 방사 용액에 분산시켜 혼합 매트릭스 분리막을 제조하였다. 단면 및 표면상태를 확인하기 위해 SEM 분석을 진행하였으며, FS가 함유될수록 중공사막의 평균 기공 반경이 4 nm 이상 증가하는 것을 확인하였다. 또한, 분리막의 친수성 분석을 위해 접촉각 측정을 진행하였으며, FS 함유로 분리막의 친수성이 높아진 것을 확인하였다. 수투과도의 경우 FS가 섞인 분리막은 91~96 LMH 수준을 보였으며 PSf 분리막보다 5~11%의 증가율을 보였다. 내오염성 평가에서도 친수도가 상승한 FS 혼합 중공사막 표면에 소수성을 띄는 BSA가 흡착되지 못하여 상대 유량 감소율이 PSf 단일막 보다 낮아졌음을 확인하였다.

해산로티퍼 (Brachionus plicatilis)의 생존 및 개체군 성장률 (r)을 사용하여 Zinc undecylenate (ZU)에 대한 독성평가를 실시하였다. 24 h 동안 ZU에 노출된 B. plicatilis의 생존율은 실험 최고농도 100 mg L-1에서도 영향이 나타나지 않았으나, ZU에 72 h 노출된 개체군 성장률 (r)은 농도 의존적으로 감소하는 경향을 나타내, 12.5 mg L-1 에서 유의적인 감소를 나타냈고 최고농도 50.0 mg L-1에서 개체군 성장률이 90% 이상 감소되었다. ZU에 노출된 B. plicatilis의 개체군 성장률의 반수영향농도 (EC50)값은 26.4 mg L-1, 무영향농도 (NOEC)는 6.3 mg L-1, 최소영향농도 (LOEC)는 12.5 mg L-1로 나타났다. 자연생태계 내에서 ZU 물질이 해수 중에서 12.5 mg L-1 이상을 초과하여 나타낼 때 B. plicatilis와 같은 동물성플랑크톤의 개체군 성장률이 영향을 받을 것으로 판단되며, 이러한 연구결과는 신방오도료물질의 생태안정성 평가를 위한 기준치 설정 및 다른 방오도료물질과의 독성치를 비교할 수 있는 유용한 자료로 활용될 것으로 판단된다.

We developed a regenerable antifouling membrane using photo-dynamic reversible cross-linking. We modified a branched polymer with photo-responsive group, and coated it to a membrane by dip-coating method. The combined results of Fourier-transform infrared spectroscopy, proton nuclear magnetic resonance spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, and field-emission scanning electron microscopy measurements clearly revealed that the modified polymer were successfully synthesized ,and coated to the membrane by photo-dynamic reversible cross-linking. As expected, the modified film could be detached by UV irradiation. In addition, the photo-reversible membrane surface was recovered decreased water flux by photo-induced regeneration process.

내열성이 우수하며, 태양광 모듈의 유리 표면에 방담성(antifogging) 및 방오성(antifouling) 을 동시에 부여하여 효율을 향상시키기 위한 친수성 코팅액을 제조하기 위해 초친수성과 우수한 방담효 과를 나타내는 Tween 20과 데카플루오로부탄과 폴리에틸렌글리콜 성분으로 구성된 불소계면활성제 수 용액에 방오성 부여를 위하여 나노실리카를 분산하였다. 고온 처리에서 나노실리카의 함량에 따른 방담 효과는 모든 코팅액이 우수하였으나, 방오 효과는 나노실리카의 함량이 6 wt%일 때부터 나타났다. 불소 계면활성제의 함량이 증가할수록 초기 접촉각이 증가하며 방담 효과도 500회 wiping까지 잘 유지되었 다. 방오 효과 역시 불소계면활성제의 함량에 상관없이 우수하여 불소계면활성제의 적절한 첨가량은 0.1 wt%이상 이면 충분하였다. AFM 결과로부터 불소계면활성제가 0.1 wt%에서 0.3 wt%가 첨가된 경우 코팅 표면의 프랙탈구조가 확실히 나타나 방오성 향상에 기여하였다. 코팅된 유리의 투과도는 불소계면 활성제가 0.1 wt% 첨가된 TL-1의 경우가 가장 높았으며 더 많은 양의 불소계면활성제를 첨가할 경우 오히려 투과도 향상은 미미하였다. 이러한 결과는 앞의 AFM 결과에서 나타난 표면 조도가 높으며 프랙 탈구조 형성도 잘 일어난 TL-1 코팅액의 결과와 잘 일치하는 것이다.

In this study, we present a unique surface modification method for a water desalination membrane to control the surface fouling via titanium dioxide (TiO2) nanopillar pattern imprinting. The patterned membranes showed significantly improved fouling resistance for both organic protein and bacterial foulants compared to the nonpatterned membranes. The hydrophilicity of TiO2 used as a pattern material affects the improvement of chemical antifouling resistance of the membrane. Fouling behavior was also interpreted in terms of the topographical effect depending on the relative size of foulants to the pattern dimension. Moreover, the computational fluid dynamics simulation intimates that the overall and local shear stress enhancement on the patterned surface could affect the foulant deposition behavior on the membrane.

Recently, among the water treatment technologies, the forward osmosis (FO) system has been received much attention due to the advantages in energy consumption. However, the practical application of the FO system has been limited because of the remaining obstacles such as the absence of both adequate osmotic agent and efficient membrane. In this study, polymers having lower critical solution temperature (LCST) and upper critical solution temperature (UCST), one of the thermal responsive characteristics, are used as the osmotic agents. These materials could be recovered easily by heating them to above their LCST and to below their UCST, respectively. Finally, we believe that our results will provide insight into the synthesis of osmotic agents for water treatment applications.