Due to the uncertainty in the petroleum-based energy supply, research interest on alternative energy sources such as microalgal biofuels has grown rapidly. However, the high production cost for biofuel had hampered its mass production with economic feasibility. Especially, the dewatering for harvesting and extracting bio-lipid from aquatic microalgae is responsible for greater than one third of production cost for microalgal biofuel. Here, we fabricated a cross-linked hydrogel-coated membrane to achieve low-cost, simple but highly efficient separation of bio-lipid from aqueous microalgal culture medium. The membrane is composed of stainless steel mesh coated conformally with a cross-linked hydrogel, poly(2-hydroxyethyl methacrylate) (pHEMA) synthesized in one-step manner by photoinitiated chemical vapor deposition (piCVD) process. The pHEMA-coated membrane showed hydrophilic and underwater oleophobic properties and its selective wettability allowed for the selective the water permeation through the membrane while blocking the oil penetration, leading to an efficient separation of bio-lipid-in-hexane/water mixture solely driven by gravity. The conformal coating of hydrophilic and underwater-oil-repellent pHEMA film membrane enabled extremely high oil rejection performance with the intrusion pressure of 6.1 kPa and water permeation flux of 0.65 × $10^4$ L $m^-2$ $h^-1$, which resulted in the excellent separation efficiency greater than 97.95%. The cross-linked hydrogel-coated membrane also showed an outstanding mechanical and chemical stability, which was confirmed by the reusability of the membrane up to 5 times. The outstanding results exemplify an easily commercializable downstream process for microalgal biofuels.
석유화학 에너지 고갈 및 가격 불안정성의 문제로 인해 미세조류 기반의 바이오 연료 대체 에너지원에 대한 연구가 활발히 진행되어 왔다. 그러나, 높은 생산 공정 비용으로 인해 아직까지 대량 생산으로의 발전에 한계를 가지고 있으며, 특히, 수확 및 추출 과정에서 필요한 탈수 과정은 높은 생산 비용의 주 원인이다. 본 연구에서는 간단하고 저 비용이지만 효율적인 미세조류 지질 분리 공정을 구현하기 위해 가교된 하이드로겔 기반의 분리막을 개발하였다. 분리막은 광개시 화학 기상 증착법을 이용해 단일 공정으로 가교된 하이드로겔 고분자를 스테인리스 스틸 메쉬에 코팅하여 제작되었다. 본 연구에서 개발한 분리막은 우수한 친수성과 물 속에서의 발유성을 나타냈으며,이와 같은 선택적인 젖음성을 이용해 외부 에너지 없이 오직 중력만으로도 미세조류 지질을 함유한 유기용매 층을 배양액 층으로부터 분리 가능했다. 매우 얇으면서도 균일한 하이드로겔 고분자 코팅을 통해, 분리막은 6.1 kPa의 지질을 함유한 유기용매 층을 견딜 수 있었으며, 0.65 × $10^4$ L $m^-2$ $h^-1$의 투과도와 97.95%가 넘는 분리효율을 나타냈다. 높은 가교도와 친수성을 가진 하이드로겔 기반의 분리막은 용매에 대한 안정성까지 확보 되어 5번까지 재사용 가능했다. 본 연구에서 개발한 가교 하이드로겔 기반의 분리막은 미래 미세조류 기반의 바이오 연료 상용화에 크게 기여할 것으로 기대된다.
