[해외연구보고서] WUR, 물에서 문제되는 이온 제거 방법 발견

바헤닝언 대학교 & 연구소(WUR), 테크니온 이스라엘 공대와 공동 연구

바닷물을 담수로 바꾸는 것은 물이 부족한 국가에서 중요하다. 그 과정에서 이온으로 알려진 특정 하전 입자를 물에서 제거해야 한다. 그러나 일부 이온은 화학적 특성으로 인해 물에서 제거하기 어렵다. 이스라엘과 네덜란드 과학자들의 최근 연구는 이러한 이온 제거 과정을 개선하는 데 도움이 되고 있다. 

 

연구원들은 물처리 중 붕소(B; boron) 이온의 거동을 예측할 수 있었고 따라서 제거를 단순화할 수 있었다. 이 연구는 미국 국립과학원회보(PNAS ; Proceedings of the National Academy of Sciences)에서 온라인으로 볼 수 있다.

해수(seawater), 기수(brackish water) 또는 담수(freshwater)에 있는 많은 유해하거나 유용한 이온은 양쪽성이다. 그 특성은 pH(수소이온농도)에 따라 다르다. 네덜란드 바헤닝언 대학교 & 연구소(Wageningen University & Research ; WUR)의 환경기술과 조교수인 쥬크 딕스트라(Jouke Dykstra)는 “표준 멤브레인 기술을 사용하여 물에서 이러한 입자를 제거하는 것은 어렵다”라고 말한다.

딕스트라(Dykstra) 교수는 “그런 다음 pH를 제어하기 위해 특정 화학물질을 추가해야 한다. 그러나 우리는 가능한 한 그것을 피하고 싶다. 더 적은 화학물질을 사용하는 경향이 강하다”라고 덧붙였다.

■ 해수담수화(Seawater desalination)

딕스트라(Dykstra) 교수는 이러한 이온 제거 프로세스의 예로 해수의 담수화를 들고 있다. 이는 전 세계적으로 담수가 부족한 지역에서 일어나고 있다. 예를 들어, 지중해 주변의 많은 국가에서는 관개용으로 담수화된 해수를 사용한다.

딕스트라(Dykstra) 교수는 “그러나 바닷물에는 고농도에서 유독하고 식물의 성장을 억제하는 붕소도 포함되어 있다. 분명히 이것은 관개에 대한 문제이며 이것이 우리가 해수에서 붕소 및 기타 이온을 제거하는 새로운 방법을 찾는 이유다”라면서 “많은 지역에서 가뭄으로 인해 담수화의 중요성이 점점 커지고 있다. 지중해와 중동뿐만 아니라 네덜란드에서도 담수 수요를 계속 충족하려면 새로운 기술이 필요하다”라고 강조했다.

네덜란드 바헤닝언 대학교 & 리서치(Wageningen University & Research ; WUR)의 연구원들은 테크니온 이스라엘 공과대학교(Technion-Israel Institute of Technology) 및 네덜란드 국가기관인 웨수스(Wetsus) ; 레이우아르던의 지속가능한 물기술을 위한 유럽 엑설런트 센터(European Center of Excellence for Sustainable Water Technology in Leeuwarden)의 동료들과 함께 이 문제를 해결하기 위해 노력하고 있다.

그들은 함께 용량성 탈이온화(capacitive deionisation)로 알려진 과정에서 붕소의 움직임에 대한 새로운 이론적 모델을 개발했다. 이것은 미세다공성(microporous) 통과 전극을 사용하여 수처리 및 담수화를 위한 막이 없는 새로운 기술이다. 전류가 흐르면 이온이 전극에 흡착되어 물에서 제거된다.

딕스트라(Dykstra) 교수는 “이런 행동을 예측하고 유리하게 활용할 수 있는 이론적 모델을 개발한 것은 우리가 처음이다”라고 말했다.

 

 

■ 완전히 새로운 디자인(Entirely new design)

이스라엘과 네덜란드 연구원들은 그러한 시스템이 완전히 새로운 설계를 필요로 한다는 것을 발견했다. 예를 들어, 그들은 이론적으로나 실험적으로 물이 양극에서 음극으로 흘러야 하고 지금은 관례처럼 그 반대의 방향으로 흐르지 않아야 함을 보여주었다.

딕스트라(Dykstra) 교수는 “우리의 연구는 이러한 복잡한 화학 공정을 효과적으로 제어하기 위해서는 좋은 이론적 모델이 필수적이라는 것을 보여주었다”라고 결론지었다.

딕스트라(Dykstra) 교수는 특히 “이 접근법은 많은 흥미로운 가능성을 제공한다. 약물 잔류물이나 제초제와 같은 비소 또는 작은 유기 분자를 제거하는 것을 포함하여 하·폐수 처리의 다른 문제에 이 모델을 사용할 수도 있다”라고 강조했다. 

 

[원문보기]

Scientists from Israel and the Netherlands find a new way to remove troublesome ions from water

 

Converting seawater into fresh water is important in water-scarce countries. For that process, certain charged particles - known as ions - have to be removed from the water. However, some ions are difficult to remove from water due to their chemical properties. Recent research by scientists from Israel and the Netherlands is helping to improve this ion-removal process.

The researchers were able to predict the behaviour of boron ions during water processing and thus simplify their removal. The study is available on-line at the Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). 

Many harmful or valuable ions in seawater, brackish water or freshwater are amphoteric: their properties vary with the pH. “It is difficult to remove these particles from the water with standard membrane technologies,” says Jouke Dykstra, Assistant Professor at the Department of Environmental Technology at Wageningen University & Research.

 “You then have to add certain chemicals to control the pH. But we want to avoid that as much as possible: there is a strong trend to use fewer chemicals.”

Seawater desalination

As an example of this ion removal process, Dykstra refers to the desalination of seawater. This is happening worldwide at locations with a shortage of fresh water. For example, many countries around the Mediterranean use desalinated seawater for irrigation. 

“But seawater also contains boron, which is toxic in high concentrations and it inhibits plant growth. Obviously, this is a problem for irrigation, and that is why we are looking for new ways to remove boron and other ions from sea water.” Desalination is becoming increasingly important due to drought in many regions. Dykstra: “New technologies are needed to continue to meet the demand for fresh water, not only in the Mediterranean and the Middle East, but also in the Netherlands.”

Wageningen researchers are working on this challenge together with colleagues from Technion ? the Israel Institute of Technology, and from Wetsus ? the European Centre of Excellence for Sustainable Water Technology in Leeuwarden. 

Together they have developed a new theoretical model of the behaviour of boron during a process known as capacitive deionisation. This is an emerging, membraneless technique for water treatment and desalination using microporous, flow-through electrodes When an electric current is applied, ions are adsorbed to the electrodes and hence removed from the water. 

Dykstra: “We are the first to develop a theoretical model that enables us to predict this behaviour and use it to our advantage.”

Entirely new design

The Israeli and Dutch researchers discovered that such systems require a completely new design. For example, they demonstrated both theoretically and experimentally that the water has to flow from the positive to the negative electrode, and not the other way around, as is now customary. 

“Our research has shown that a good theoretical model is essential to effectively control such complex chemical processes,” concludes Dykstra. 

“This approach offers many interesting possibilities. You could also use this model for other challenges in waste water treatment, including removing arsenic or small organic molecules, such as drug residues or herbicides.”

[출처 = 바헤닝언대학교&연구소(Scientists from Israel and the Netherlands find a new way to remove troublesome ions from water - WUR) / 2021년 10월 5일자 보도자료]