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[미국] 텍사스대-펜실바니아대, 더 저렴한 담수화 여과장치 연구
이름 관리자 waterindustry@hanmail.net 작성일 2021.01.05 조회수 195

[미국] 텍사스대-펜실바니아대, 더 저렴한 담수화 여과장치 연구


더 낮은 비용으로 깨끗한 물을 생산하는 것은 텍사스대학교 오스틴(The University of Texas at Austin)과 펜실베니아 주립대학교(Pennsylvania State University ; Penn State)의 연구원들이 지금까지 수십년 동안 과학자들을 당혹스럽게 만들었던 복잡한 문제를 해결한 후, 곧 일어날 수 있게 되었다.

담수화 막(Desalination membrane)은 소금과 다른 화학물질을 물에서 제거하는데, 이것은 사회의 건강에 중요한 과정이며, 농업, 에너지 생산 및 식수를 위해 수십억 갤런의 물을 정화한다.

이 아이디어는 간단해 보인다. 소금물을 밀어내고 깨끗한 물이 다른 쪽으로 나온다. 하지만 그것은 과학자들이 여전히 이해하려고 노력하는 복잡한 내용을 담고 있다.

연구팀은 듀폰워터솔루션(DuPont Water Solution)과 협력하여 이 의문점(mystery)의 중요한 측면을 해결함으로써 깨끗한 물 생산비용을 줄일 수 있는 길을 열었다.

연구원들은 담수화 막(Desalination membrane)이 밀도와 질량 분포에서 일관성이 없다는 것을 밝혀냈는데, 이것은 그들의 성능을 방해할 수 있다.

나노스케일(nanoscale)에서의 균일한 밀도는 이 막들이 얼마나 많은 깨끗한 물을 만들어 낼 수 있는가를 증가시키는 열쇠이다.

이 연구를 공동 이끈 텍사스 대학교 오스틴(The University of Texas at Austin)의 토목, 건축 및 환경공학부 마니쉬 쿠마르(Manish Kumar) 부교수는 "역삼투막(Reverse osmosis membrane)은 물을 전화하는 데 널리 사용되지만, 여전히 우리가 모르는 것이 많다"라고 말했다.

마니쉬 쿠마르(Manish Kumar) 부교수는 이어 "우리는 물이 어떻게 그들을 통과하는지 정말로 말할 수 없었다. 그래서 지난 40년 동안의 모든 개선은 본질적으로 어둠 속에서 이루어졌다"라고 덧붙였다.

이 발견들은 사이언스(Science)에 실렸다. 이 논문은 테스트된 막의 효율성 30∼40%를 기록함으로써 에너지를 크게 덜 사용하면서 더 많은 물을 정화할 수 있음을 의미한다.

그것은 깨끗한 물에 대한 접근성을 높이고 개인 가정과 대형 사용자 모두에게 물 요금을 낮추는 결과를 초래할 수 있다.

역삼투막은 한쪽의 염수 용액에 압력을 가하여 작용한다. 미네랄은 물이 통과하는 동안 그곳에 머무른다.

비막 담수화 과정(non-membrane desalination processes)보다 더 효율적이기는 하지만 여전히 많은 양의 에너지가 필요하며, 막의 효율성을 개선하면 이러한 부담을 줄일 수 있다고 연구원들은 말했다.

이 연구를 공동으로 연구한 펜실베니아 주립대학교(Pennsylvania State University ; Penn State) 화학공학부 엔리케 고메즈(Enrique Gomez) 교수는 "담수관리(Fresh water management)는 전 세계적으로 중요한 과제가 되고 있다"라고 말했다.

엔리케 고메즈(Enrique Gomez) 교수는 이어 "부족, 가뭄-심각한 날씨 패턴이 증가함에 따라, 이 문제는 더욱 심각해질 것으로 예상된다. 특히 자원이 부족한 지역에서는 깨끗한 물을 확보하는 것이 매우 중요하다"라고 강조했다.

수많은 담수화 제품을 만드는 국립과학재단(The National Science Foundation)과 듀폰(DuPont)은 이 연구에 자금을 지원했다. 이는 듀폰(DuPont) 연구원들이 두꺼운 막이 실제로 더 투과성이 있다는 것을 실증 플랜트에서 입증했다.

이것은 놀라운 일이었다. 왜냐하면 두께가 얼마나 많은 물이 막을 통해 흐를 수 있는지를 줄여준다는 것이 일반적인 지식이었기 때문이다.

이 팀은 2015년 쿠마르(Kumar)가 조직한 '물 정상 회의(water summit)에서 현재 듀폰(DuPont)에 속해 있는 다우 워터 솔루션스(Dow Water Solutions)와 연결되었고, 이 의문점(mystery)을 풀기 위해 노력했다.

아이오와 주립대학교(Iowa State University)의 연구진들도 참여하고 있는 연구팀은 펜실베니아 주립대학교(Pennsylvania State University ; Penn State)의 소재 특성 연구소에서 최첨단 전자 현미경을 사용하여 나노 크기의 막 구조의 3D 재구성을 개발했다.

그들은 구조물에 기초하여 얼마나 효율적으로 물이 정화될 수 있는지를 예측하기 위해 물이 이 막들을 통과하는 경로를 모델링했다. 텍사스 고급컴퓨팅센터(Texas Advanced Computing Center ; TACC's)의 그레그 포스(Greg Foss)는 이러한 시뮬레이션을 시각화하는 데 도움을 주었고, 대부분의 계산은 TACC's의 슈퍼컴퓨터인 '스탬프드 2(Stampede2)'에서 수행되었다.





Desalination breakthrough could lead to cheaper water filtration


Producing clean water at a lower cost could be on the horizon after researchers from The University of Texas at Austin and Penn State solved a complex problem that had baffled scientists for decades, until now.

Desalination membranes remove salt and other chemicals from water, a process critical to the health of society, cleaning billions of gallons of water for agriculture, energy production and drinking.

The idea seems simple - push salty water through and clean water comes out the other side - but it contains complex intricacies that scientists are still trying to understand.

The research team, in partnership with DuPont Water Solutions, solved an important aspect of this mystery, opening the door to reduce costs of clean water production.

The researchers determined desalination membranes are inconsistent in density and mass distribution, which can hold back their performance.

Uniform density at the nanoscale is the key to increasing how much clean water these membranes can create.

“Reverse osmosis membranes are widely used for cleaning water, but there’s still a lot we don’t know about them,” said Manish Kumar, an associate professor in the Department of Civil, Architectural and Environmental Engineering at UT Austin, who co-led the research.

“We couldn’t really say how water moves through them, so all the improvements over the past 40 years have essentially been done in the dark.”

The findings were published in Science. The paper documents an increase in efficiency in the membranes tested by 30%-40%, meaning they can clean more water while using significantly less energy.

That could lead to increased access to clean water and lower water bills for individual homes and large users alike.

Reverse osmosis membranes work by applying pressure to the salty feed solution on one side. The minerals stay there while the water passes through.

Although more efficient than non-membrane desalination processes, it still takes a large amount of energy, the researchers said, and improving the efficiency of the membranes could reduce that burden.

“Fresh water management is becoming a crucial challenge throughout the world,” said Enrique Gomez, a professor of chemical engineering at Penn State who co-led the research.

“Shortages, droughts ? with increasing severe weather patterns, it is expected this problem will become even more significant. It’s critically important to have clean water availability, especially in low-resource areas.”

The National Science Foundation and DuPont, which makes numerous desalination products, funded the research. The seeds were planted when DuPont researchers found that thicker membranes were actually proving to be more permeable.

This came as a surprise because the conventional knowledge was that thickness reduces how much water could flow through the membranes.

The team connected with Dow Water Solutions, which is now a part of DuPont, in 2015 at a “water summit” Kumar organized, and they were eager to solve this mystery.

The research team, which also includes researchers from Iowa State University, developed 3D reconstructions of the nanoscale membrane structure using state-of-the-art electron microscopes at the Materials Characterization Lab of Penn State.

They modeled the path water takes through these membranes to predict how efficiently water could be cleaned based on structure. Greg Foss of the Texas Advanced Computing Center helped visualize these simulations, and most of the calculations were performed on Stampede2, TACC’s supercomputer.

[출처=스마트워터매거진(https://smartwatermagazine.com/news/university-texas-austin/desalination-breakthrough-could-lead-cheaper-water-filtration) / 20201년 1월 4일]

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