석유나 천연가스 생산을 위한 프랙킹(fracking) 공법은 친환경적이지 못한 작업이다. 이 프로세스는 수 백만 갤런의 물을 사용하는데, 화학물질과 모래를 포함하고 있다. 오염된 물의 대부분은 트럭에 실려 정화를 위해 공장으로 보내지며, 이 정화 과정 또한 비용이 많이 들고 잠재적으로 환경에 유해하다.
미국 Tufts University의 연구팀은 프랙킹 현장에서 물을 정화할 수 있는 필터용 멤브레인을 제작하는 연구를 진행하고 있다. 생명화학공학과 조교수인 Ayse Asatekin은, 현재의 방법보다 더 비용-효과적이며 에너지를 덜 사용하는 정교한 필터용 물질을 설계하고 있다. 새로운 멤브레인은 프랙킹 현장에서 뿐만 아니라 제조 및 제약회사에서 발생하는 산업폐수를 정화하여 깨끗한 음용수로 공급하는데 도움이 될 것이다.
필터를 사용해 물을 정화하는 것은 새로운 것이 아니다. 기원전 4세기 히포크라테스는 물에서 나는 냄새와 나쁜 맛을 유발하는 침전물을 걸러내기 위한 백 필터(bag filter)를 개발하였으며, 기원전 2000년 사스크리트어 기록에서는 모래와 자갈을 이용한 여과에 대한 기록이 발견되기도 하였다. 물을 정화하는 기본 원리는 동일하다. 물을 다공성 멤브레인을 통과시켜 큰 입자를 포획하고 깨끗해진 물을 통과하도록 하는 것이다.
그러나 특정 화학물질을 포획하기 위해서는 지름이 단지 1nm에 불과한 정도의 구멍을 갖는 멤브레인이 필요하다. 비교하자면 인간 머리카락의 지름은 약 60,000nm 정도이다.
이런 나노기술을 이용하고자 Asatekin은 길다란 체인형태로 분자들이 연결되어 있는 고분자(polymer)를 활용하였다. 고분자는 마치 구슬 목걸이와 같다. 체인을 길게 혹은 짧게 만들 수 있으며, 긴 체인에서 곁가지를 친 것처럼 만들 수도 있다. 이런 유용성을 이용해 고분자의 형태 및 특성을 조절할 수 있다고 밝혔다.
그녀는 아주 작은 오염물질이 스며들 수 있도록 고분자 체인을 이용해 매우 작은 공극을 형성할 수 있도록 네크워크 구조를 만들었다. 이런 나노멤브레인은 실험실적으로 테스트를 마쳤으며, 조만간 현장 실험을 진행할 수 있도록 설계할 것이다.
언젠가 Asatekin의 고분자 필터는 소형화와 스마트화를 동시에 이룰 것이다. Asatekin은 서로 다른 화학물질을 구별할 수 있는 고분자로 실험을 진행하고 있다. 동일한 크기의 두 가지 분자라 할지라도, 이 고분자는 분자에 부착된 특정 기능기(functional group)를 인식하여 한 분자는 차단하고 다른 한 분자는 통과하게 할 수 있다. 이런 방식으로 스마트 멤브레인은 약물을 제조하는 반응을 촉진하는 화합물로부터 약물을 분리하는 데에도 이용할 수 있을 것이다.
고분자를 이용하게 된 계기는 박테리아 관찰로부터 시작되었다. 모든 박테리아 세포벽, 세포막 및 세포질로부터 핵을 구분하는 멤브레인들은, 한 종류의 분자를 통과시키고 다른 것들은 차단하는 구조를 가지고 있다. 예를 들어, 어떤 구조는 당(sugar)은 통과시키고 다른 구조는 칼슘이온을 통과시키지만 다른 분자는 차단한다. 각 세포벽 혹은 멤브레인 구조는 특정 표적물질을 대상으로 하므로 선택성이 매우 높다. 그녀는 향후 10-15년 이내에 개발 중인 고분자가 실용화될 수 있기를 기대하고 있다.
개발된 고분자 멤브레인은 약간 빛나는 종이조각처럼 생겼다. 이 멤브레인을 제작하기 위해 Asatekin은 큰 구멍이 있는 종이와 유사한 물질 위에 고분자 물질을 칠하는 방식을 이용했다. 기질물질은 특별히 제작된 아크릴 고분자이다. 제작된 멤브레인을 그리 흥미롭게 보이진 않지만, 휴대용 기기에 적용가능한 멤브레인 가능성을 높여주고 있다.
프랙킹이나 산업현장 등에서 사용할 수 있도록 실제 운송 가능한 형태로 멤브레인을 변형하여, 더 넓고 긴 시트 형태로 제작할 수 있도록 규모를 키워야 할 필요성이 있다. 사용목적에 따라 편평한 멤브레인을 큰 실린더에 필요한 크기로 말아서 보관하게 될 것이다. 이런 파이프 같은 구조를 범프나 굴착장치인 리그(rig)에 단일 혹은 적층식으로 장착할 수도 있으며, 가압수(pressurized water)를 통과시키면 다른 쪽으로 정화된 물이 나오게 된다.
이 멤브레인을 의약품 정제, 산업 폐수의 정화 혹은 음용수를 생산하든 간에, 연구팀의 멤브레인은 현재의 필터보다 정화능력이나 내구성 측면에서 우수하다. 정확히 이 시스템이 어떻게 작동하는지 밝히기 위한 추가적인 현장 실험이 필요하다. 프랙킹 혹은 산업현장에서, 이 여과 프로세스는 오염된 물을 처리설비로 이송해야 할 필요성을 없애 준다. 정화된 물은 현장에서 바로 재사용도 가능하다.
이 멤브레인이 갖는 이동성은 전 세계 외딴 곳에서 물을 정화하는데 활용할 수 있음을 의미한다. 세계보건기구(World Health Organization) 및 UNICEF의 Joint Monitoring Programme 에 따르면, 전 세계적으로 약 7억 8천 만 명의 사람은 깨끗한 물을 이용하지 못하는 것으로 예측되고 있다.또한 나노멤브레인은 물을 끓여 증기로 만들고 다시 증류해야 하는데 필요한 에너지 사용을 필요없게 해 준다.
미국 에너지부는 산업체에서 여과 및 분리공정에서 사용하는 에너지의 비중은, 화학제조 프로세스 상에서 필요한 에너지 비용의 40~70%를 차지하는 것으로 예상하고 있다. 연구팀은 증류 대신에 선택성 필터를 통과시키는 방식으로 많은 제조 공정에서의 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 고분자 멤브레인의 실용화를 위해 노력하고 있다.
Asatekin의 고분자 멤브레인에는 산업체에서 유용한 내오염성(fouling resistance)이라는 중요한 특성이 하나 더 있다. 즉 오일 등이 멤브레인의 공극을 막지 못하므로 정화 공정을 방해하지 않는다. Asatekin이 창업에 참여한 Clean Membranes는, 석유 및 천연가스 회사를 상태로 각 회사에 맞는 맞춤형 고분자 멤브레인 개발을 위해 작업을 진행하고 있다.
그림> 실험실에서 제작한 고분자 멤브레인
A Tufts engineer is researching how to create membranes for filters that may one day be able to purify the
water right at a fracking site. Ayse Asatekin, an assistant professor of chemical and biological engineering, is designing materials for sophisticated filters that would be more cost-effective and use less energy than current methods. They would work not only at fracking sites, but could also be used to clean industrial waste from manufacturing and
pharmaceutical companies and to provide
clean drinking water.
Using filters to purify water isn't new. Hippocrates, in the fourth century B.C., invented a bag filter to trap sediments that caused water to smell and taste bad, while Sanskrit writings from 2000 B.C. describe sand and gravel filtration. Water is still filtered using the same basic principle: force it through a porous
membrane that traps large particles while allowing
clean water to pass through.
But to catch certain chemicals, you need a membrane with pores that measure just one nanometer across. For perspective, a strand of human hair is some 60,000 nanometers wide.
For this nanotechnology, Asatekin has turned to polymers—molecules strung together to form long chains. "A
polymer is like a necklace of beads," Asatekin says. "You can make a long chain or a short chain; you can make branches going off it. By playing with all these things, you can control a polymer's configuration and its properties."
She's using the polymer chains to create a grid of ultra-small pores capable of snaring the tiniest pollutants. These nano-membranes are working in the lab, and will soon be ready to be designed for specific uses, manufactured and tested in the field.
But someday, in addition to being small, Asatekin's polymer filters will also be smart: she's experimenting with polymers that could distinguish between different chemicals. "So even if two molecules were the same size, the polymer would 'know' that one has certain functional groups that the other lacks, and be able to block it," she says.
Right now she is testing polymers that can recognize the difference between molecules using characteristics that define their structures. This could allow, for example, a smart membrane to separate a pharmaceutical from the chemical compounds that catalyze the reactions to create the drug.
Filters Go Mobile
Asatekin's inspiration for the polymers came from observing bacteria. All
bacterial cell walls, cell membranes and membranes that separate the nuclei from the cytoplasm have structures that allow one type of molecule to pass through their "doorways" while blocking others, she says.
"For example, there is one structure that allows a sugar to come in, one that allows calcium ions but no other molecules," she says. "Each cell's wall or membrane structure has its own target, and is very selective—this is what I am hoping my polymers will be able to do maybe 10 to 15 years from now."
A polymer membrane looks like a piece of slightly shiny paper. To create a membrane, Asatekin takes her polymers and paints them onto a large-pore, paper-like material that is itself an acrylic polymer specially manufactured to suit each project. They might not look exciting, but it is these membranes that will allow filtration to go mobile.
For the membranes to be turned into actual transportable units to be used in the field at fracking, manufacturing or other sites, a company would need to scale up their production to make them as wide, long sheets. Then, several flat membranes would be rolled into large cylinders that could be one inch in diameter by one foot long or as large as eight inches in diameter by 40 inches tall, depending on the use. These pipe-like structures would be attached to a pump and secured on a rig, sometimes singly and sometimes stacked, and pressurized water would be forced through them, coming out clean on the other side.
Whether they are used for pharmaceutical purification, cleaning industrial wastewater or producing
drinking water, the membranes Asatekin's group is designing could be cleaned and last longer than current filters. More field testing is needed to define exactly how these systems would function. At fracking or industrial sites, the filtering process eliminates the need to transport
contaminated water to a treatment facility. The purified water could be reused without ever leaving the site.
And the membranes' mobility means they could purify water in remote areas of the world, a boon for the estimated 780 million people with no access to clean water, according to the World Health Organization and UNICEF's Joint Monitoring Programme.
The nano-membranes would also save energy by eliminating the need boil water to turn it into vapor and then distill it.
"The Department of Energy estimates that these industrial purification and separation processes account for 40 to 70 percent of energy costs generated by a chemical manufacturing process," Asatekin says. "What we are working on is expanding the applications for polymer membranes that would improve the energy efficiency of many manufacturing processes by not having to use distillation, but instead, passing it through our selective filters."
Asatekin's
polymer membranes have another quality important for industrial use—something called fouling resistance. This means that oil and other heavy substances can't clog the membrane pores and foul the purification process. Clean Membranes, the Tyngsboro, Massachusetts, company that Asatekin co-founded and now consults for, is working with oil and gas companies across the country to develop polymer membrane applications tailored to their needs.
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