청정한 음용수의 이용 가능성은 전 세계 많은 지역에서 시급한 문제가 되고 있다. 많은 연구진은 염수, 기수 또는 오염된 물 등을 처리하는 새로운 방법을 찾고 있다. 최근 미국 MIT 소속의 연구진은 전통적인 담수화 시스템과는 다른 혁신적인 접근을 개발했다. 새로운 시스템은 필터를 이용하여 이온 또는 물 분자를 분리하지 않으며, 따라서 막힘 현상이나 끓어 넘치는 현상이 없으며 상당한 양의 에너지를 절감할 수 있다.
대신 새로운 시스템은 흐르는 물의 흐름 내에 전기적으로 추진된 충격파(shockwave)를 이용한다. 적용된 충격파는 염수를 한쪽으로 흐르게 하고 다른 한쪽으로 담수를 추진하게 하여 두 가지 흐름을 쉽게 분리할 수 있게 해준다. 새로운 접근은 Environmental Science and Technology Letters 저널에 발표됐으며, 화학 공학 및 수학과 교수인 Martin Bazant, 석사 과정 학생인 Sven Schlumpberger, 학부 학생인 Nancy Lu와 전 박사 후 연구원이었던 Matthew Suss 등이 참여했다.
이 접근은 근본적으로 새롭고 다른 분리 시스템이라고 Bazant는 밝혔다. 담수화(desalination) 또는 정수(water purification)를 수행하는 다른 접근과는 달리, 이 방법은 이온과 입자의 막이 없는 분리(membraneless separation)를 수행한다.
역삼투(reverse osmosis) 또는 전기 투석(electrodialysis)을 사용하는 전통적인 담수화 시스템에서 막은 선택적 격막(selective barriers)이라고 Bazant는 설명했다. 전통적인 담수화 시스템은 물 분자를 통과시키지만 크기가 더 큰 염의 나트륨(sodium)과 염소(chlorine) 원자는 차단된다. 상용 전기 투석 방법과 비교했을 때, 새로운 시스템의 공정은 유사하게 보이지만, 근본적으로 다르다고 그는 밝혔다.
충격파 전기 투석(shock electrodialysis)이라고 명명하는 새로운 공정에서, 물은 한 쪽으로 다공성 재료를 끼워넣는 막 또는 전극과 다공성 재료를 통과하여 흐른다. 여기서 다공성 재료는 백옥유(frit)라고 불리는 작은 유리로 만들어진다. 전류가 시스템을 통과하여 흐를 때, 염수는 염 농도가 고갈되거나 풍부한 지역으로 분류된다. 전류가 중앙 지점에서 증가할 때, 구분된 두 지역 사이에 충격파가 생성되고, 흐름은 뚜렷하게 구분되어 흐름의 중앙에서 단순한 물리적 장벽에 의해 담수 지역과 염수 지역으로 구분된다. 여기서 매우 강력한 구배가 생성된다고 Bazant는 밝혔다.
비록 이 시스템이 다공성 재료의 각 측면에 대하여 막을 사용할 수 있지만, 물은 이러한 막을 통과하는 것이 아니라 가로질러 흐른다고 Bazant는 설명했다. 이것은 상용 전기 투석 방법을 포함하여 상용 막 기반의 담수화 시스템에서 일어나는 여과된 재료의 구축으로 인하여 막힘 현상에 취약하지 않다는 것을 의미하거나 수압으로 인한 감손이 없다는 것을 의미한다. 어떤 물질을 통하여 염을 밀어낼 필요가 없다고 Bazant는 밝혔다. 하전된 염 입자 또는 이온은 단지 한 쪽 방향으로 이동하기만 한다고 그는 밝혔다.
스탠퍼드 대학 Juan Santiago 연구진이 수 년 전 염 농도의 충격파를 생성하는 가려진 현상을 발견했다. 그러나 당시의 발견은 작은 미세유체역학 장치(microfluidic device)를 이용한 실험이었으며, 흐르는 물에 대하여 적용하지 못했다. 따라서 스탠퍼드 대학 연구진의 결과는 물에서 염을 제거하는 데 이용되지 않았다고 당시 스탠퍼드 대학에서 안식년을 가졌던 Bazant는 밝혔다.
이와 반대로 새로운 시스템은 연속적인 공정으로 저렴한 다공성 매질을 통하여 흐르는 물을 이용하기 때문에 담수화 또는 정수에 대하여 규모 확대가 상대적으로 용이하다. 이 연구에서 이룬 혁신적인 성공은 실용적인 시스템을 공학적으로 구축하는 데 있다고 Bazant는 밝혔다.
한 가지 가능한 응용은 수압 파쇄(hydraulic fracturing) 또는 파쇄에 의해 생성된 방대한 양의 폐수를 정화시키는 것이 될 수 있다. 이러한 오염된 물은 염분을 함유하는 경향이 있으며, 때때로 미량의 독성 이온(toxic ions)을 포함하고 있다. 따라서 실용적이며 저렴한 방법으로 오염된 물을 정화시키는 방법을 찾는 것은 매우 바람직하다. 이 시스템은 염을 제거할 뿐 아니라 다양한 다른 오염물질 역시 제거한다. 또한 전류가 통과하기 때문에, 이 방법은 흐름을 살균할 수 있다. 전기장은 매우 높고, 따라서 우리는 박테리아를 죽일 수 있다고 Schlumpberger는 밝혔다.
연구진이 공정의 실험적 논증과 어떻게 이 공정이 작동하는지를 설명하는 이론적 분석을 모두 수행했다고 Bazant는 밝혔다. 다음 단계는 실용적인 테스트를 통하여 규모가 확대된 시스템을 고안하는 것이다. 최소한 초기에 이 공정은 대규모 해수 담수화를 위한 역삼투 같은 방법과 경쟁할 수 없다. 그러나 새로운 방법은 오염된 물의 정화 같은 다른 용도에 사용될 수 있다고 Schlumpberger는 밝혔다.
담수화에 대한 일부 다른 접근과는 달리, 이 시스템은 사회기반시설을 거의 필요로 하지 않기 때문에, 멀리 떨어진 지역에서 사용하기 위하여 휴대용 시스템으로 유용하거나, 물 공급이 폭풍우 또는 지진에 의해 파괴된 지역에 비상용으로 유용하다.
이 연구에는 참여하지 않았던 네덜란드 수처리 기술 연구소(Netherlands Water Technology Institute) 소속의 선임 과학자인 Maarten Biesheuvel은 이 연구가 물 담수화 영역에서 상당한 의미를 가지고 있다고 밝혔다. 이 연구가 해수 자원, 기수 및 지하수 등과 같은 자원에 대한 물 담수화 방안에서 새로운 가능성을 열었다고 Biesheuvel은 지적했다.
Biesheuvel은 연구팀이 한 개의 시스템 내에서 합리적으로 운영되는 새로운 디자인과 동일한 채널의 이온이 다른 지역에서 분리된다는 것을 보여 주었다고 덧붙였다.
Research team invents efficient shockwave-based process for desalination of water
As the availability of clean, potable water becomes an increasingly urgent issue in many parts of the world, researchers are searching for new ways to treat salty, brackish or contaminated water to make it usable. Now a team at MIT has come up with an innovative approach that, unlike most traditional desalination systems, does not separate ions or water molecules with filters, which can become clogged, or boiling, which consumes great amounts of energy.
Instead, the system uses an electrically driven shockwave within a stream of flowing water, which pushes salty water to one side of the flow and fresh water to the other, allowing easy separation of the two streams. The new approach is described in the journal Environmental Science and Technology Letters, in a paper by professor of chemical engineering and mathematics Martin Bazant, graduate student Sven Schlumpberger, undergraduate Nancy Lu, and former postdoc Matthew Suss.
This approach is "a fundamentally new and different separation system," Bazant says. And unlike most other approaches to desalination or water purification, he adds, this one performs a "membraneless separation" of ions and particles.
Membranes in traditional desalination systems, such as those that use reverse osmosis or electrodialysis, are "selective barriers," Bazant explains: They allow molecules of water to pass through, but block the larger sodium and chlorine atoms of salt. Compared to conventional electrodialysis, "This process looks similar, but it's fundamentally different," he says.
In the new process, called shock electrodialysis, water flows through a porous material —in this case, made of tiny glass particles, called a frit—with membranes or electrodes sandwiching the porous material on each side. When an electric current flows through the system, the salty water divides into regions where the salt concentration is either depleted or enriched. When that current is increased to a certain point, it generates a shockwave between these two zones, sharply dividing the streams and allowing the fresh and salty regions to be separated by a simple physical barrier at the center of the flow.
"It generates a very strong gradient," Bazant says.
Even though the system can use membranes on each side of the porous material, Bazant explains, the water flows across those membranes, not through them. That means they are not as vulnerable to fouling—a buildup of filtered material—or to degradation due to water pressure, as happens with conventional membrane-based desalination, including conventional electrodialysis. "The salt doesn't have to push through something," Bazant says. The charged salt particles, or ions, "just move to one side," he says.
The underlying phenomenon of generating a shockwave of salt concentration was discovered a few years ago by the group of Juan Santiago at Stanford University. But that finding, which involved experiments with a tiny microfluidic device and no flowing water, was not used to remove salt from the water, says Bazant, who is currently on sabbatical at Stanford.
The new system, by contrast, is a continuous process, using water flowing through cheap porous media, that should be relatively easy to scale up for desalination or water purification. "The breakthrough here is the engineering [of a practical system]," Bazant says.
One possible application would be in cleaning the vast amounts of wastewater generated by hydraulic fracturing, or fracking. This contaminated water tends to be salty, sometimes with trace amounts of toxic ions, so finding a practical and inexpensive way of cleaning it would be highly desirable. This system not only removes salt, but also a wide variety of other contaminants—and because of the electrical current passing through, it may also sterilize the stream. "The electric fields are pretty high, so we may be able to kill the bacteria," Schlumpberger says.
The research produced both a laboratory demonstration of the process in action and a theoretical analysis that explains why the process works, Bazant says. The next step is to design a scaled-up system that could go through practical testing.
Initially at least, this process would not be competitive with methods such as reverse osmosis for large-scale seawater desalination. But it could find other uses in the cleanup of contaminated water, Schlumpberger says.
Unlike some other approaches to desalination, he adds, this one requires little infrastructure, so it might be useful for portable systems for use in remote locations, or for emergencies where water supplies are disrupted by storms or earthquakes.
Maarten Biesheuvel, a principal scientist at the Netherlands Water Technology Institute who was not involved in this research, says the work "is of very high significance to the field of water desalination. It opens up a whole range of new possibilities for water desalination, both for seawater and brackish water resources, such as groundwater."
Biesheuvel adds that this team "shows a radically new design where within one and the same channel ions are separated between different regions. … I expect that this discovery will become a big 'hit' in the academic field. … It will be interesting to see whether the upscaling of this technology, from a single cell to a stack of thousands of cells, can be achieved without undue problems."
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