유흡착 특성 향상을 위한 폴리올레핀계 고분자 표면의 미세구조 형태 및 습윤성 제어 = Effects of microstructure formation and wettability on the oil recovery of polyolefin-based polymers

국문 초록 (Abstract)

해양에 유출된 위험·유해물질(Hazardous and Noxious Substances, HNS)은 심각한 환경적, 경제적 문제를 일으킨다. 해양에 유출된 위험·유해물질을 방제하는 방법으로는 유회수기, 유분산제, 유흡착제 등이 있다. 하지만 이러한 방법으로는 대규모로 유출된 위험·유해물질을 빠르게 제거할 수 없을 뿐 아니라 이차적 환경오염을 유발한다. 특히, 흡착제는 재사용성이 낮으며 대면적의 위험·유해물질을 제거하기 위해서는 많은 양의 흡착제가 필요하기 때문에 경제성이 떨어진다. 이러한 흡착제의 단점을 보완하기 위해 다양한 연구들이 진행되었으며 대표적으로 표면의 거칠기를 증가시킨 흡착제 또는 폐기물을 업사이클링한 흡착제가 연구되었다.
본 연구에서는 해양에 유출된 위험·유해물질을 신속하게 제거하기 위해 상용 흡착제와 유사한 구성을 가지는 안면 마스크를 업사이클링하여 유흡착제로 전환하는 연구와 폴리올레핀계 흡유제의 표면 패터닝을 통한 흡유속도 향상에 관한 연구를 진행했다.
버려진 안면 마스크를 재활용 또는 업사이클링하는 것은 환경 오염 방지와 경제성에서 상당한 이점을 가지고 있다. 본 연구에서는 해양 기름 유출 시 사용하는 유흡착제와 유사한 구성을 가지는 안면 마스크를 유흡착제로 업사이클링하는 연구를 진행했다. 버려진 안면마스크를 유흡착제로 업사이클링 하기위해 알케인 용매(n-hexane, n-heptane 및 n-decane)를 사용하여 표면 거칠기를 증가시켰으며, 이를 통해 초소수성 안면 마스크를 제작했다. 제작된 안면 마스크 유흡착제는 표면 거칠기 증가에 따라 기름에 대한 선택성이 증가하였으며 특히, 헵탄 처리된 안면 마스크는 수면 위에 있는 아라비아 경질 원유를 21 g∙g-1까지 흡착할 수 있다. 또한, 안면마스크의 표면처리 용매로서 헵탄은 재사용 효율이 높고 최소 10회 재사용이 가능하다. 따라서 본 연구를 통해 재활용이 어려운 버려진 안면 마스크는 간단한 공정을 통해 유흡착제로 업사이클링 할 수 있다.
또한, 본 연구에서는 부유하거나 침강하는 HNS를 신속하게 제거하기 위한 새로운 형태의 흡유제를 제작했다. 폴리올레핀은 소수성 특성을 가지며 결정화도가 낮아 적은 양으로 많은양의 HNS를 쉽게 흡유할 수 있다. 따라서 폴리올레핀 엘라스토머 (Polyolefin Elastomer, POE)을 이용하여 솔루션 캐스팅을 통해 필름형태로 제작했다. 그 후 POE 필름 표면에 스테인리스 메쉬를 사용하여 핫프레스를 통해 패턴을 추가했다. 패턴으로 인해 흡유제의 표면적이 증가하였으며 HNS와 접촉면적이 증가하여 초기 흡유 속도가 급격하게 증가했다. 특히 32 mesh를 사용하여 제작된 POE-32경우 60초 동안 HNS 제거 효율이 상용 흡착제보다 toluene은 1.7배, chloroform은 1.5배 증가했다. 따라서 본 연구에서 제안된 표면 패터닝 POE 필름 흡유제는 HNS가 해양에 유출되었을 시 신속하고, 효율적인 제거가 가능하다.
위험·유해물질이 해양에 유출되면 물리적 특성에 따라 형태가 변화하게 되며 이로 인해 제거가 어렵게 된다. 따라서, 해양에 유출된 위험·유해물질을 신속하게 제거할 필요가 있다. 앞서 언급된 안면 마스크 흡착제와 표면 패터닝된 POE 필름 흡유제는 손쉬운 방법을 통해 표면을 제어하여 습윤성과 표면적을 증가시켰다. 습윤성의 증가는 오일의 선택성을 높일 뿐 아니라 오일의 제거 능력도 향상시켰다. 또한, 표면적의 증가는 오염물질과의 접촉 면적을 증가시켜 신속한 제거를 유도했다. 따라서, 본 연구를 통해 제작된 안면마스크 흡착제와 표면 패터닝된 POE 필름 흡유제는 초기에 유출된 위험·유해물질에 대한 신속한 대응을 가능하게 함으로써 환경 및 생태계의 문제를 해결할 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. Background 1
• 1.2. Characteristics of polyolefins 4
• 1.3. Hazardous and noxious substances and oil spill 5
• 1.4. Factors affecting sorption performance 7
• 1.4.1. Sorption mechanism 7
• 1.4.2. Surface tension and wettability 10
• 1.4.3. Viscosity dependence of oil 14
• 1.4.4. Oil absorption capacity 15
• Chapter 2. Superhydrophobic polypropylene sorbent derived from discarded face masks: A highly efficient adsorbent for oil spill sorbent 17
• 2.1. Introduction 17
• 2.2. Experimental Section 22
• 2.2.1. Materials 22
• 2.2.2. Solvent treatment of face mask 23
• 2.2.3. Surface characterization 24
• 2.2.4. Oil sorption capacity of modified face mask sorbent 25
• 2.2.5. Evaluation of oil/water separation of the face mask sorbent 26
• 2.2.6. Experimental setups for disposable face mask pyrolysis 27
• 2.3. Result and Discussion 28
• 2.3.1. Fabrication process of a superhydrophobic face mask 28
• 2.3.2. Physical properties of solvent-treated the KF94 mask 35
• 2.3.3. Hydrophobic properties of solvent-treated the KF94 mask 38
• 2.3.4. Oil adsorption and oil/water separation 42
• 2.3.5. Practical application of heptane-treated face masks for various types of oil 45
• 2.3.6. Pyrolysis of oil adsorption mask 52
• 2.4. Conclusion 56
• Chapter 3. Rapid removal of organic compound spill through polyolefin sorbent surface pattern control 57
• 3.1. Introduction 57
• 3.2. Experimental Section 61
• 3.2.1. Materials 61
• 3.2.2. Preparation of polyolefin elastomer(POE) film 61
• 3.2.3. Fabrication a pattern on the POE film surface 62
• 3.2.4. Oil absorption capacity of patterned POE film 63
• 3.2.5. Prediction of oil absorption capacity of surface-controlled POE sorbent 64
• 3.2.6. Observation of the change in the degree of swelling according to the pattern spacing 65
• 3.2.7. Characterizations 66
• 3.3. Result and Discussion 67
• 3.3.1. Characteristics of POE pellet 67
• 3.3.2. Fabrication process of surface patterned POE film 72
• 3.3.3. Hydrophobic properties of surface patterned POE film 78
• 3.3.4. Difference in absorption rate of POE film according to surface pattern 81
• 3.3.5. Relationship between surface pattern and swelling of POE film 83
• 3.3.6. Practical application of surface patterned POE film for various types of oil 87
• 3.4. Conclusion 91
• Chapter 4. Summary 92
• References 94
• Abstract 114