[사우디] 사우디 KAUST, 미네랄과 미생물로부터 담수화막 보호기술 연구

사우디 킹 압둘라 과학기술대(KAUST)와 ACWA 파워 연구팀 공동 연구

해수 담수화 전에 선별된 화학물질로 처리하면 생물오염 줄이고 여과막 수명을 연장할 수 있어

“생물오염 유발 막 스케일 방지제 성분 확인하면 해수담수화를 지속 가능한 담수 공급원으로 만드는 데 도움이 될 수 있어”

사우디 킹 압둘라 과학기술대(KAUST)와 ACWA 파워 연구팀은 해수담수화의 막 효율을 향상시키는 방법을 연구했다. [사진출처(Photo source) = 킹 압둘라 과학기술대(KAUST)]

해수를 담수화하기 전에 선별된 화학물질로 처리하면 생물오염을 줄이고 여과막의 수명을 연장할 수 있다는 연구결과가 나왔다.

생물오염을 일으키는 막 스케일 방지제(membrane antiscalants)의 성분을 확인하면 해수담수화를 보다 지속 가능한 담수 공급원으로 만드는 데 도움이 될 수 있다.

사우디아라비아 킹 압둘라 과학 기술 대학교(King Abdullah University ; KAUST)의 물 담수화 및 재사용 센터(Water Desalination and Reuse Center)의 환경과학자인 그라시엘라 곤잘레스-길(Graciela Gonzalez-Gil) 박사는 “안전한 식수는 인권이다. 하지만 약 8억 명의 사람들이 접근할 수 없다”라고 말한다.

UN은 2030년까지 담수에 대한 수요가 자연적인 물 순환 공급을 40%까지 초과할 수 있다고 추정하고 있다.

그라시엘라 곤잘레스-길(Graciela Gonzalez-Gil) 박사의 동료이자 KAUST 졸업생인 라툴 다스(Ratul Das) 연구원은“해수담수화 - 특히 소금과 불순물을 제거하기 위해 높은 압력으로 막을 통해 바닷물을 가압하는 것을 포함하는 해수역삼투(SeaWater Reverse Osmosis ; SWRO)는 건조한 해안 국가에서 널리 채택된 저비용 식수 공급원이 되었다”라고 강조했다. 

KAUST 연구과학자 그라시엘라 곤잘레스-길(Graciela Gonzalez-Gil) 박사, ACWA Power의 라툴 다스(Ratul Das) 연구원 및 KAUST 졸업생인 가디어 하사닌(Ghadeer Hasanin)이 결과에 대해 논의하고 있다. 사진 왼족부터 [사진출처(Photo source) = 킹 압둘라 과학기술대학교(KAUST)]

라툴 다스(Ratul Das)는 현재 4개국에서 16개의 해수담수화 시설을 보유하고 있는 사우디아라비아의 민자발전 및 담수회사인 ACWA 파워(ACWA Power)의 담수화 연구개발 책임자로 일하고 있다.

라툴 다스(Ratul Das) 연구원은 “그러나 SWRO는 에너지 집약적이며 사용된 막은 많은 폐기물을 생성한다”라면서 “바닷물은 일반적으로 막의 염분이 증가하는 것을 방지하기 위해 스케일 방지제로 전처리된다”고 말했다. 

라툴 다스(Ratul Das) 연구원은 이어 “다른 방법에 비해 이러한 화학물질의 낮은 가격은 물 가격을 낮게 유지하는 데 도움이 되며, 따라서 그 인기가 높다”라면서 “하지만 그들 중 많은 것들은 미생물의 성장을 촉진함으로써 오염을 유발한다”라고 말했다.

그라시엘라 곤잘레스-길(Graciela Gonzalez-Gil) 박사는 “탈염 작업자들은 왜 그리고 어느 정도까지 소독제가 생물오염을 유발하는지에 대해 완전히 알지 못한다”라면서 “여러 가지 스케일 방지제로 인한 박테리아 성장을 측정하고 이를 화학 성분과 연결하면 이러한 운영자가 생물 오염이 최소화된 제품을 선택하는 데 도움이 될 수 있다”라고 강조했다.

곤잘레스-길의 연구팀은 천연 해수 병을 소량의 토착 박테리아 농도로 준비했다. 8개의 일반적인 스케일 방지제(antiscalant) 중 하나를 별도의 병에 추가하여, 그들은 매일 박테리아 성장을 측정하고 이것을 스케일 방지제가 없는 바닷물의 박테리아 성장과 비교했다.

“우리는 각 스케일 방지제의 탄소(C), 인(P) 및 질소(N) 함량을 측정하고 핵자기 공명을 사용하여 더 자세한 화학적 지문을 얻었다”라고 곤잘레스-길 박사는 말했다.

연구팀은 일부 스케일 방지제가 활성 성분 외에 다른 화합물을 포함하고 있다는 것을 발견했다. 하나의 특정 오염물질인 오르토인산(orthophosphate)은 세균 성장을 분명히 촉진시킨다.

[그림출처(picture source) = 킹 압둘라 과학기술대학교(KAUST)]

곤잘레스-길 박사는 특히 “놀랍게도 모든 인산염 기반의 스케일 방지제가 오르토포스페이트에 오염된 것은 아니다”라면서 “예를 들어 HEDP(1-히드록시에틸리덴-(1,1-디포스폰산)는 세균 성장을 촉진하지 않는 유일한 스케일 방지제이다”라고 강조했다.

곤잘레스-길 박사 연구팀의 화학적 지문 채취 기술은 제조업체들이 박테리아를 증가시키는 화합물을 더 적게 포함하도록 스케일 방지제를 맞춤화하는 데 도움이 될 수 있다. 

라툴 다스(Ratul Das) 연구원은 “바이오 오염을 줄이면 SWRO에 필요한 에너지를 줄일 수 있다”라면서 “이는 담수화 비용을 낮추고 온실 가스 배출을 줄임으로써 지구를 보호하는 데 도움이 될 것이다”라고 역설했다.

역삼투막은 현재 10년에서 15년의 잠재적인 수명에도 불구하고 3년에서 5년마다 교체된다. 곤잘레스-길 박사는 “바이오 오염을 최소화하면 사용 수명이 연장되고 매립지에 쌓인 막 폐기물이 줄어든다”고 덧붙였다.

KAUST의 요하네스 S. 브루웬벨드(Johannes S. Vrouwenvelder) 교수(왼쪽)와 ACWA 파워의 토마스 알트만(Thomas Altmann) 부사장 (오른쪽). [사진출처(Photo source) = 킹 압둘라 과학기술대학교(KAUST)]

라툴 다스(Ratul Das) 연구원은 “전 세계 담수화 시설에서 사용할 수 있는 간단한 저기술 테스트를 개발하기를 희망한다”라면서 “우리는 담수화 산업에서 ‘블랙박스’를 없애고 사우디아라비아와 국제적으로 영향을 미치는 더 친환경적인 이니셔티브를 추진하고자 한다”라고 그는 덧붙였다.

[원문보기]

Saving desalination membranes from minerals and microbes

Treating seawater with selected chemicals before desalination could reduce biofouling and lengthen the lifespan of filtration membranes.

Identifying the components of membrane antiscalants that cause biofouling could help make seawater desalination a more sustainable source of fresh water.

“Safe drinking water is a human right,” says environmental scientist Graciela Gonzalez-Gil, “yet roughly 800 million people have no access.” The United Nations estimates that demand for fresh water could exceed the natural water cycle supply by as much as 40 percent by 2030.

“Seawater desalination - particularly by reverse osmosis (SWRO), which involves pressurizing seawater through a membrane at high pressure to remove salt and impurities - has become a widely adopted low-cost source of drinking water in arid coastal countries,” says Gonzalez-Gil’s colleague and KAUST alumni Ratul Das, who now works as Head of Desalination R&D for energy company ACWA Power, which has 16 water seawater desalination plants across four countries.

However, SWRO is energy intensive, and the used membranes create a lot of waste. Seawater is typically pretreated with antiscalants to prevent the scaling of salt on the membranes. “The low cost of these chemicals compared to other methods helps keep water prices low, hence their popularity,” says Das. But many of them trigger fouling by promoting microbial growth.

“Desalination operators are not fully informed about why and to what extent antiscalants cause biofouling,” says Gonzalez-Gil. “Measuring the bacterial growth caused by different antiscalants and linking this to their chemical composition can help these operators select products with minimal biofouling.”

Gonzalez-Gil’s team prepared vials of natural seawater with a small starting concentration of indigenous bacteria. Adding one of eight common antiscalants to separate vials, they measured daily bacterial growth and compared this to bacterial growth in seawater without antiscalant.

“We measured the carbon, phosphorous and nitrogen content of each antiscalant and used nuclear magnetic resonance to get a more detailed chemical fingerprint,” says Gonzalez-Gil.

The team found that some antiscalants contained other compounds besides the active ingredients[1]. One particular contaminant - orthophosphate - clearly promoted bacterial growth. “Surprisingly, not all phosphanate-based antiscalants were contaminated with orthophosphates,” says Gonzalez-Gil, “such as HEDP (1-hydroxyethylidene-(1,1-diphosphonic acid), which was also the only antiscalant that didn’t promote bacterial growth.”

The team’s chemical fingerprinting technique could help manufacturers tailor antiscalants to contain fewer bacteria-boosting compounds. “Reducing biofouling will reduce the energy required for SWRO,” says Das. “It will lower the costs of desalination and, by reducing greenhouse emissions, will help to protect the planet.”

Reverse osmosis membranes are currently replaced every three to five years, despite a potential lifespan of 10 to 15 years. “Minimizing biofouling will extend their useful life and reduce the membrane waste deposited to landfill,” adds Gonzales-Gil.

Das hopes to develop a simple low-tech test for use at desalination plants worldwide. “We want to eliminate ‘black boxes’ in the desalination industry and drive greener initiatives that have impact for Saudi Arabia and internationally,” he adds.

[출처 = 킹 압둘라 과학기술대학교(KAUST)(https://discovery.kaust.edu.sa/en/article/21062/saving-desalination-membranes-from-minerals-and-microbes-2/) / 2023년 5월 11일]