[미국] 로렌스 버클립 국립연구소, 막 오염 메커니즘 밝혀

양전하 이온 및 천연 유기물 간 상호작용으로 막이 오염되는 과정 밝혀내

수처리 시설은 물에서 오염물질을 걸러내기 위해 압연된 막을 포함한 원통형태의 구조 배열을 이용한다. 이러한 막은 이온(적색 구체)과 천연 유기물(녹색-갈색의 타원형)을 포함한 물을 여과하기 위해 본 연구의 실험에서 사용됐다. 다양한 X선 프로브를 사용해 오염된 막을 분석했으며, 칼슘 양이온이 유기 분자 사이에 다리를 형성해 막을 통해 응집 및 흐름을 줄이는지에 대한 과정을 밝혀냈다. [사진출처(Photo source = Brookhaven National Laboratory]

 

막을 이용해 수처리할 경우 막 표면에 이물질(junk)이 쌓여 처리 효율을 떨어뜨리는 파울링(Fouling) 문제가 발생한다. 미국 에너지부(DOE) 로렌스 버클립 국립 연구소의 연구팀은 미네랄과 소금이 용해된 물에서 일반적으로 발견되는 양전하 이온(예: 칼슘 양이온)과 천연 유기물간의 상호 작용을 통해 어떻게 막이 오염되는지 연구했다.

매튜 랜즈먼(Matthew Landsman) 본 연구의 제1 저자이자 DOE 에너지 프론티어 연구 센터(EFRC)인 텍사스 대학교 오스틴 캠퍼스의 물 및 에너지 시스템 재료 센터(M-WET)의 ALS 협력 박사 후 연구원은 "막 오염에 대한 연구는 막이 정수 처리에 사용되기 시작하면서 연구돼 왔지만, 여전히 정수 처리에서 가장 큰 도전 과제 중 하나로 남아있다"라며 "우리의 연구는 천연 유기물에 의한 막 오염에 영향을 미치는 분자 수준의 메커니즘을 이해해 보다 개선된 막의 설계 기준을 설정하는 것을 목표로 한다"라고 설명했다.

텍사스대학 오스틴 캠퍼스에서 막에 대한 파울링 실험을 실행한 후 연구팀은 ALS(Advanced Light Source) 및 브룩헤이븐(Brookhaven)의 국립 싱크로트론 광원 II(National Synchrotron Light Source II, NSLS-II)에서 싱크로트론 특성화 기술을 사용해 오염된 막의 표면 및 크기 구성을 분석했다. ALS 빔라인(ALS Beamline) 7.3.3에서는 광각 X선 산란(WAXS)을 사용해 탄산칼슘과 같은 무기 오염 물질이 막에 침전되고 있는지 확인했다. 또, NSLS-II에서는 X선 산란 실험이 파울링 층에서 칼슘 분포를 결정했다.

연구된 메커니즘 중 하나에서, 칼슘 양이온은 유기 분자 사이에 다리를 형성하고 유기 분자를 응집시켜 두꺼운 오염 층을 생성한다는 것을 발견했다. 또한 '상승효과' 파울링 실험에서, 유기물과 무기물이 혼합된 오염물은 개별 효과를 합산해 예상했던 결과보다 파울링이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 복잡한 오염 혼합물 간의 상호작용이 파울링을 더 유발할 수 있을 뿐만 아니라 전체적으로 파울링을 줄이기 위해 경쟁할 수도 있음을 시사한다.

끝으로, 랜즈먼 연구원은 "이러한 연구 결과는 오늘날 증가하는 물수요에 더욱 중요해지고 있는 복잡한 수처리에 접근법에 대한 직관을 개발하는 데 도움이 된다"라고 말했다.

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Keeping Water-Treatment Membranes from Fouling Out

 

When you use a membrane for water treatment, junk builds up on the membrane surface—a process called fouling—which makes the treatment less efficient. In this work, researchers studied how membranes are fouled by interactions between natural organic matter and positively charged ions (such as calcium cations) that are commonly found in water from dissolved minerals and salts.

“Fouling has been studied since membranes emerged for use in water purification decades ago, but it still remains one of the largest challenges in water treatment,” said the study’s first author, Matthew Landsman, an ALS collaborative postdoctoral fellow from the University of Texas at Austin’s Center for Materials for Water and Energy Systems (M-WET), a DOE Energy Frontier Research Center (EFRC). “Our research aimed to understand the molecular-level mechanisms that influence membrane fouling by natural organic matter so that we can establish design rules for making better membranes.”

After running laboratory fouling experiments on membranes at UT Austin, the team used synchrotron characterization techniques at the Advanced Light Source (ALS) and Brookhaven’s National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) to analyze the surface and bulk compositions of the fouled membranes. At ALS Beamline 7.3.3, wide angle x-ray scattering (WAXS) was used to see if any inorganic contaminants, such as calcium carbonate, were precipitating on the membranes. At NSLS-II, soft and tender x-ray scattering experiments determined the distribution of calcium in the fouling layers.

In one of the mechanisms studied, calcium cations formed bridges between organic molecules and caused them to aggregate, creating a thick fouling layer that limited the amount of clean water that could pass through the membrane. In “synergistic” fouling experiments, mixtures of organic and inorganic foulants resulted in less fouling than would have been expected by just summing up their individual effects, suggesting that interactions between contaminants in complex foulant mixtures can not only contribute to more fouling, but they can also compete with each other to induce less fouling overall.

“There’s a lot of interesting water chemistry to play with here,” said Landsman. “These results helped us start to develop an intuition for how we approach the treatment of complex water sources that are becoming more important to today’s growing water needs.”

[출처 = Brookhaven National Laboratory(https://www.bnl.gov/newsroom/news.php?a=221392) / 2023년 8월 4일]