[영국] 재해지역 식수 정화하는 새로운 담수화 방법 개발

영국 바스·스완지·에딘버러대학 공동연구팀, 전력이 제한된 재해지역서 유용할 수 있는 식수로 바닷물 변환하는 방법 개발

부산물 없이 물을 추출할 수 있어 에너지 절약 및 큰 규모의 처리장도 필요하지 않아

미세 다공성 물질, 분리 및 수질정화뿐 아니라 촉매 작용에서도 엄청난 잠재력 가져

미국화학학회 저널지 『ACS 출판물(ACS Publications)』 9월 11일자에 연구논문 발표

영국의 바스대학·스완지대학·에딘버러대학의 공동연구팀은 외부 압력 사용하지 않고 막을 통해 물 펌핑하는 담수화 방법을 개발했다. 이 기술은 식수가 필요하지만 외딴지역이나 재해지역과 같은 물을 정화할 수 가능한 기반시설이 없는 소규모 지역에서 사용될 수 있다. [사진출처(Photo source) = 바스대학교(University of Bath)]

 

과학자들이 전력이 제한된 재해지역에서 유용할 수 있는 식수로 바닷물을 변환하는 새로운 방법을 개발했다.

해수에서 염분(염화나트륨)을 제거하는 가장 널리 사용되는 방법은 역삼투법(reverse osmosis, RO)으로, 물 분자는 통과하지만 염분은 통과시키지 않는 다공성 막을 사용한다. 그러나 이 방법은 높은 압력과 상당한 양의 전력을 필요로 한다. 멤브레인이 막히는 경우가 많아 공정 효율성이 저하된다.

영국의 바스(Bath), 스완지(Swansea), 에딘버러(Edinburgh) 대학의 과학자팀이 공동연구로 개발한 새로운 기술은 외부 압력을 사용하지 않고 대신 소량의 전기 에너지를 사용하여 막을 통해 염소 이온을 양전하를 띤 전극으로 끌어당긴다.

이로 인해 물 분자가 염화물과 동시에 피스톤처럼 밀려나게 된다. 한편, 나트륨 이온은 막 반대편에 남아 음전하를 띤 전극을 끌어당긴다. 그런 다음 염화물 이온은 소금물이 들어 있는 챔버로 다시 재활용되고 이 과정이 반복되어 점차적으로 점점 더 많은 물 분자를 끌어당긴다.

이번 연구를 주도한 바스대학교(University of Bath) 물혁신연구센터( Water Innovation Research Centre, WIRC) 및 지속가능성 연구소(Institute for Sustainability)의 프랭크 마켄(Frank Marken) 교수는 “이 기술은 식수가 필요하지만 외딴 지역이나 재해 지역과 같은 이용 가능한 기반 시설이 없는 소규모 지역에서 사용될 수 있다”고 예측했다.

프랭크 마켄(Frank Marken) 교수는 “현재 역삼투 방식은 너무 많은 전력을 사용하기 때문에 물을 담수화하기 위한 전용 발전소가 필요해 소규모로는 달성하기 어렵다”고 말했다.

그는 특히 “우리의 방법은 더 작은 규모의 대체 솔루션을 제공할 수 있으며, 부산물 없이 물을 추출할 수 있기 때문에 에너지가 절약되고 산업 규모의 처리장이 필요하지 않다. 또한 인슐린과 같은 약물의 투여 시스템과 같은 의료 응용 분야에 사용하기 위해 소형화될 수도 있다”고 강조했다.

지금까지 이 기술은 단지 몇 밀리리터(mL)만 변환하는 개념 증명 단계에 있지만, 공동연구팀은 이제 프로세스를 1리터(L)로 확장하여 에너지 소비를 보다 정확하게 계산할 수 있도록 잠재적인 협력과 투자를 위한 파트너를 찾고 있다. 

또한 공동연구팀은 건조 공정이나 다양한 공급원에서 물을 회수하는 등 다른 잠재적인 응용 분야도 탐색하고 싶어한다.

바스대학의 물혁신연구센터(WIRC)의 공동 소장인 얀 호프만(Jan Hoffman) 교수는 “중카이 리(Joongkai Li)와 프랭크 마켄(Frank Marken)은 물을 위한 새로운 유형의 분자 전기 펌프 역할을 할 수 있는 고분자 물질을 개발했다”라면서 “이번 발견이 해수담수화와 물질 건조 및 물 회수 공정에 잠재적으로 혁신적인 영향을 미칠 수 있다고 생각한다”라고 말했다.

얀 호프만 교수는 이어“물론 최근 발견을 기반으로 본격적인 기술을 개발하려면 아직 갈 길이 멀지만 기존 펌핑 및 담수화 기술에 비해 확실히 유망하고 매우 혁신적으로 보인다”고 덧붙였다.

공동연구팀이 개발한 새로운 담수화 방법은 내부 전하(아민 메틸화에 의해 유도 된 양전하)를 갖는 분자 적으로 단단한 중합체는 전하 밀도(메틸화 정도)를 조절함으로써 전기 삼투 물 흐름을 조정할 수 있게 한다. 공동연구팀은 이 새로운 담수화 방법이 재난 피해 지역에 소규모로 식수를 공급하는 데 사용될 수 있기를 바라고 있다. [그림출처(picture source) = 『ACS 출판물( ACS Publications)』]

 

스완지대학(Swansea University)의 마리올리노 카르타(Mariolino Carta) 박사는 “미세 다공성 물질은 특히 분리 및 수질 정화뿐 아니라 촉매 작용에서도 엄청난 잠재력을 가지고 있다”라면서 “미래에는 더 나은 재료와 공정을 이용할 수 있을 것”이라고 논평을 했다.

이 연구논문은 미국화학학회 저널지인 『ACS 출판물( ACS Publications)』 2023년 9월 11일자에 게재되었다. 

[원문보기]

New method for purifying drinking water could be used in disaster zones

Scientists at Bath have developed a new desalination method that pumps water through a membrane without using any external pressure

 

Scientists have developed a new method that converts seawater into drinking water that could be useful in disaster zones where there is limited electrical power.

The most popular method for removing salt (sodium chloride) from sea water is reverse osmosis, which uses a porous membrane that allows water molecules through but not salt.

However, this method requires a high pressure and substantial amounts of electricity. The membrane often clogs up, reducing the efficiency of the process.

The new technique, developed by a team of scientists from the Universities of Bath, Swansea and Edinburgh, doesn’t use any external pressure but instead uses a small amount of electrical energy to pull chloride ions through the membrane towards a positively charged electrode.

This causes water molecules to be pushed through at the same time as the chloride, a bit like a piston.

Meanwhile, sodium ions remain on the other side of the membrane, attracted to the negatively charged electrode.

The chloride ions are then recycled back into the chamber containing the salt water and the process is repeated, gradually drawing more and more water molecules through.

Professor Frank Marken, from the University of Bath’s Water Innovation Research Centre (WIRC) and Institute for Sustainability led the study, and predicts this could be used on a small scale where drinking water is needed but there is not the infrastructure available, such as in remote areas or disaster zones.

He said: “Currently reverse osmosis uses so much electricity, it requires a dedicated power plant to desalinate water, meaning it is difficult to achieve on a smaller scale.

“Our method could provide an alternative solution on a smaller scale, and because water can be extracted without any side products, this will save energy and won’t involve an industrial scale processing plant.

“It could also potentially be miniaturised to use in medical applications such as dosing systems for drugs like insulin.”

So far, the technology is at the proof-of-concept stage, converting only a few millilitres, howeverthe team is now looking for partners for potential collaboration and investment to scale up the process to a litre which will enable them to calculate energy consumption more accurately.

The team would also like to explore other potential applications such as drying processes or recovering water from different sources.

Professor Jan Hoffman, Co-Director of the Water Innovation Research Centre (WIRC) at Bath said: "Zhongkai Li and Frank Marken have developed polymeric materials that can act as a new type of molecular electrical pump for water.

“I think the discovery can potentially have a revolutionary impact on desalination of seawater and also processes for drying materials and recovering water.

“Of course, there is still a long way to go to create full scale technology based on the recent discovery, but it definitely looks promising and very innovative compared to existing pumping and desalination technologies."

Dr Mariolino Carta from Swansea University commented: "Microporous materials have enormous potential especially in separation and water purification, but also in catalysis. “In the future even better materials and processes will be available."

The research is published in ACS Publications. Any individuals or organisations wishing to find out more or collaborate should contact Dr Frank Marken: fm202@bath.ac.uk.

[출처 = 바스대학교(University of Bath)(https://www.bath.ac.uk/announcements/new-method-for-purifying-drinking-water-could-be-used-in-disaster-zones/) / 2023년 9월 21일]

[연구논문 출처 = 『ACS 출판물( ACS Publications)』(https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.3c10220) / 2023년 9월 11일자]