전기 충격파를 이용하여 소금물에서 염분과 맑은 증기를 구분하는 새로운 담수화 기술이 개발되었다.
가뭄과 오염된 물의 영향을 받는 지역에 사는 사람들이 점점 더 늘어가면서 담수화 기술은 전세계적으로 직면한 마시는 물에 대한 수요에 있어서 점점 더 중요한 문제로 자리잡고 있다. 과학자들은 이러한 담수화 기술을 더욱 간단하면서도 저렴한 방법으로 개발하고자 많은 노력을 기울이고 있다.
현재의 기술은 이온을 기반으로 하는 멤브레인 필터가 주로 많이 사용된다. 이러한 멤브레인은 사용횟수가 증가함에 따라 그 필터의 수명이 다해 교체를 필요로 하고 이는 결국 비용 상승으로 이어진다.
최근에 과학자들은 물에서 소금을 분리하는 방법으로 전기화학적인 방법을 사용하고자 하는 노력을 기울이고 있다. 최근 한 연구진은 용량성 전극 쌍들을 소금 물에 넣어 소금을 흡수하여 이를 다시 소금 챔버에 옮긴 다음 소금을 분리하는 새로운 기술을 설계하기도 했다.
이번에 매사추세츠공과대학(Massachusetts Institute of Technology) Martin Z. Bazant 교수가 이끄는 연구진은 다공성 글라스 비즈로 만들어진 새로운 형태의 소자를 개발했다. 다공성 글라스 비즈는 두 전극 사이에 놓이게 된다. 연구진은 전극 사이로 전류를 인가하여 소금 물이 다공성 글라스 비즈를 통해 흐르게 하였다. 이러한 과정에서 이온이 한 곳으로 모이는 특정 영역이 발생하며 또한 이온이 고갈되는 영역이 형성되게 된다.
전기 흐름이 충분히 강해질 때 충격파를 인가하여 두 서로 다른 흐름이 발생한 영역을 가른다. 한 영역은 소금물 영역이 되고 다른 영역은 맑은 물 영역이 된다. 충격파 전기 투석(shock electrodialysis)이라고 알려진 현상을 통해서 소금 물에서 맑은 물을 분리할 수 있게 되었다.
연구진은 이번에 개발된 소자를 통해서 거의 소금을 비롯하여 나트륨, 클로라이드 및 다른 이온들을 소금 물에서 거의 99.9% 제거할 수 있게 되었다. “새로운 시스템은 매우 유망하게 보인다”고 이번 연구에 참여한 ECESW(European Centre of Excellence for Sustainable Water Technology)의 P. Maarten Biesheuvel 박사는 말했다.
그는 그가 기존에 개발한 방법과 비교할 때 전기 충격 방법은 움직이는 부분이 필요가 없다는 것이 가장 큰 장점이라고 설명했다. 이번 기술은 또한 다른 장점들을 가지고 있다. 예를 들어 전기 흐름은 병원성 세균을 박멸하는 효과도 가지고 있다고 말했다. MIT 연구팀은 향후 산업적으로 사용하기에 적합하도록 장치의 규모를 크게 하는 연구를 진행할 계획이라고 밝혔다. 이번 연구는 Environmental Science&Technology Leters에 “Scalable and Continuous Water Deionization by Shock Electrodialysis”라는 제목으로 게재되었다. (DOI: 10.1021/acs.estlett.5b00303)
그림. 소자를 가로지르는 전기 흐름은 충격파를 만들어내고 이러한 충격파는 소금 물에서 맑은 물을 분리한다.
New Desalination Method Shocks The Salts Out Of Water
A novel method for water desalination separates salt water into briny and fresh streams with the help of an electric shock wave (Env. Sci. & Tech. Lett. 2015, DOI: 10.1021/acs.estlett.5b00303)
As more and more people live in areas affected by drought or contaminated water, desalination is becoming an important way to meet global drinking water needs. So scientists continue to develop ever simpler and less expensive desalination methods.
Current technologies, for example, frequently rely on membranes to filter out ions. These membranes eventually get clogged and must be replaced, increasing costs.
In recent years, scientists have been exploring electrochemical methods of removing salts from water. For example, one group has designed a method where pairs of capacitive electrodes are first dipped in salt water to absorb salt, and then in a brine chamber, where they discharge the salt.
Now, a team led by Martin Z. Bazant at Massachusetts Institute of Technology has demonstrated another method with a prototype device composed of porous glass beads, known as a frit, sandwiched between two electrodes. They applied a current across the electrodes as salt water flowed through the frit, causing some areas of the stream to collect more ions while others became ion depleted.
When the electrical current became strong enough, it induced a shockwave that separated these regions into two streams—one briny, one fresh—a phenomenon known as shock electrodialysis.
The device continuously removed up to 99.99% of salts, including sodium, chloride and other ions, from a saltwater stream.
“This new system seems very promising indeed,” says P. Maarten Biesheuvel, a principal scientist at Wetsus, European Centre of Excellence for Sustainable Water Technology, who helped develop the capacitive electrode desalination technology.
Biesheuvel says that compared with his method, the electroshock method “has the major advantage that we don’t need any moving parts,” he says.
The method may have other advantages, says the new study’s coauthor Sven Schlumpberger. For example, the electoral current might kill pathogenic bacteria.
The MIT team says the next step will be to design scaled-up versions of their prototype to test the method’s industrial feasibility.
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