[미국] 나노공학 메쉬, 안개 수확과 물정화 병렬처리 시스템 구축

폴리머 코팅된 나노 메쉬로 24시간 전천후 솔루션

햇빛으로 구동, 지속적·수동적으로 물 수집 및 오염 물질 제거

 

나노공학 메쉬로 안개를 수확하고 정화한다 [사진출처(Photo source) = Berkeley Research/Thomas Schutzius]

 

안개 수확은 호수와 강이 없는 지역에서 담수를 확보하는 방법이다. 문제는 도시 지역은 대기 오염으로 인해, 수확된 물이 식수로 사용될 만큼 깨끗하지 않다는 점이다.

이에 취리히 공과대학교(ETH Zurich) 연구원들은 안개에서 물을 수집하는 동시에 유해한 오염 물질을 제거하는 방법을 개발했다. 

17일, 『네이처 지속가능성(Nature Sustainability)』저널 보도에 따르면, 연구원들은 특수 태양열 코팅이 된 나노공학 강철 메쉬(철망)로 안개에서 물방울을 수집한 다음 마실 수 있는 물로 처리하는 방법을 설명했다. 이산화티타늄 나노입자로 구성된 폴리머 코팅은 햇빛에 노출되면 반응성을 유지하고, 기상상에 관계없이 24시간 내내 오염을 제거한다.

토마스 슈치우스(Thomas Schutzius) 버클리대학 기계 공학과 조교수이자 주요 연구원은 "우리는 물 수확을 통해, 필요한 곳에서 마실 수 있는 물을 생산하고 싶지만, 도심의 대기 오염문제는 이를 방해한다"고 말했다. 그는 "따라서 우리의 목표는 이러한 오염(특히 유기 오염)을 제거할 수 있는 안개 수집기를 개발하는 것이었다"라고 말했다.

24시간, 전천후 솔루션

수년 동안, 연구자들은 안개에서 미세한 물방울을 수확하기 위해 나노섬유로 짠 메쉬(그물망) 대형 수직 울타리를 사용한 수동 시스템을 개발해 왔다. 그러나, 이전 연구는 안개가 오염된 상황을 고려하지 않았다. 도시와 산업 환경에서, 혹은 바람이 부는 지역에서 안개 방울은 위험한 수준의 유기 오염 물질로 오염돼있다.

포획된 안개 물방울에서 이러한 오염 물질을 제거하기 위해, 연구자들은 폴리머(고분자) 코팅을 선택했다. 리트윅 고쉬(Ritwick Ghosh) 막스 플랑크 폴리머 연구소(Max Planck Institute for Polymer Research)의 과학자이자 취리히 공과 대학교 객원 연구원은 이산화티타늄과 같은 광촉매 활성 금속 산화물 나노입자를 포함한 메쉬 코팅을 사용하면 오염된 안개를 제한적으로 처리할 수 있음을 발견했다.

이러한 코팅은 햇빛에 노출되면 반응성이 나타나 안개 물방울의 오염 분자를 무해한 물질로 분해해 마실 수 있을 만큼 안전한 물을 만든다. 그러나 이러한 코팅에 반응성이 나타나려면 능동적이고 지속적인 자외선 램프 조명이 필요했다. 이는 유기 오염 물질을 처리하는 능력을 저해시켰다. 

최신 연구에서, 슈치우스와 고쉬는 수동적인 처리를 위해 자외선에 24시간 노출되지 않고도 물을 계속 처리할 수 있도록 나노입자 코팅을 최적화했다.

슈치우스는 반응성 코팅이 배터리처럼 전하를 저장할 수 있어 기상조건과 시간에 상관없이 효과적으로 물을 처리할 수 있다고 설명했다. 그는 "햇빛이 쨍쨍할 때 표면을 반응성으로 만드는 것은 물론, 안개가 끼거나 흐릴 때도 반응성을 유지할 수 있다”라고 말했다.

친수성 코팅, 물처리 탁월해

이 연구의 일환으로, 연구자들은 친수성과 소수성 두 가지 코팅 유형을 테스트했다. 둘 다 물 수집에서 똑같은 수행능력을 보였지만, 친수성 버전은 처리에 탁월했다.

친수성 코팅은 물을 끌어당기기 때문에, 수집된 물방울이 메쉬를 따라 박막(얇은 막)을 형성해 오염 물질 분자가 메쉬의 반응성 코팅과 마주치기 전에 짧은 거리를 이동할 수 있도록 하고, 이로 인해 오염물질 분자가 부패하게 된다. 반대로, 소수성 또는 물 반발성 코팅은 물이 메쉬 위에 두꺼운 층으로 쌓이게 하여 오염 물질 입자가 반응성 표면에 도달하는 데 더 많은 시간이 걸린다.

디젤과 비스페놀A와 같은 일반적인 오염 물질로 실험실 테스트를 수행한 후, 연구자들은 실제 환경에서 친수성 코팅 메쉬의 성능을 측정하고자 했다. 그들은 메틸 오렌지를 오염 물질로 사용해 직사광선이 비치는 옥상에서 메쉬를 테스트했다. 그들의 연구 결과에 따르면 메쉬는 “우수한 물 수집 성능(약 8%)과 탁월한 유기 오염 물질 감소(90% 이하)"로 오염된 안개를 수확하고 처리했다.

슈치우스는 "안개 수확은 이미 전 세계의 건조한 지역에서 규모를 확장하기 위해 시행됐다"라며 "병렬 처리 시스템을 구현하는 것은 대기 오염의 화학 성분과 농도가 장소마다 다를 수 있기 때문에 더 어려울 수 있다"고 말했다. 그는 "하지만 그는 이것이 폴리머 코팅의 추가 테스트를 통해 해결될 수 있다"고 말했다.

이 연구의 공동 저자는 취리히 공과대학교 기계 및 공정공학과 다상 열유체학 및 표면 나노공학 연구소의 아드리엔 바우트(Adrien Baut)와 조르지오 벨레리(Giorgio Belleri), 그리고 막스 플랑크 고분자 연구소(Max Planck Institute for Polymer Research)의 인터페이스 물리학과의 마이클 카플(Michael Kappl)과 한스 위르겐 버트(Hans-Jürgen Butt)이다.

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Scientists Develop Parallel Method for Fog Harvesting and Water Treatment

Nanoengineered meshes powered by sunlight work continuously to collect water and remove pollutants

 

Fog harvesting offers regions devoid of lakes and rivers another source for freshwater, but in urban centers, where water is often scarce, there is the added challenge of air pollution. Now, researchers have developed a simple way to simultaneously collect water from fog and remove harmful contaminants, an advancement that could help provide millions of people worldwide with access to safe drinking water.

As reported today in the journal Nature Sustainability, researchers demonstrate how a nanoengineered steel mesh with a special solar-powered coating can collect water droplets from fog, then treat the water to make it safe for drinking. The coating, a polymer consisting of titanium dioxide nanoparticles, has the unique ability to stay reactive once exposed to sunlight and remove pollution, rain or shine, around the clock.

This fully passive, hybrid approach to collecting and treating water is “a first in its field,” according to principal investigator Thomas Schutzius, assistant professor of mechanical engineering at UC Berkeley. Previously, he was an assistant professor at ETH Zurich, where most of this work was completed.

“With water harvesting, we want to solve the problem of creating drinkable water where it’s needed, but there’s the concurrent problem of air pollution in urban centers,” said Schutzius. “We think the answer is parallel treatment, so our goal was to develop fog collectors that could both collect water and remove some of this pollution — especially, organic pollution — while staying passive.”

All-day, all-weather solution

For years, researchers have been developing passive systems to efficiently harvest microscopic water droplets from fog, often using large, vertical fences of nanoscopic woven mesh. This prior work, however, focused on uncontaminated fog. In urban and industrial settings, and even in downwind areas, fog droplets can become contaminated with dangerous levels of organic pollutants, many linked to cancer or other serious health problems, making the collected water unsafe to drink.

To remove these contaminants from the captured fog water droplets, the researchers looked to polymer coatings. Lead author Ritwick Ghosh, a scientist from the Max Planck Institute for Polymer Research and a visiting researcher at ETH Zurich, had previously discovered that it was possible to treat, to a limited degree, contaminated fog by using mesh coatings containing photocatalytically active metal oxide nanoparticles such as titanium dioxide.

Such coatings become reactive when exposed to sunlight and cause pollution molecules in fog droplets to decompose into harmless agents, making the collected water safe to drink. But these coatings required active and continuous ultraviolet lamp illumination to do the job, which impeded their ability to effectively treat against organic pollutants.

In this latest study, Schutzius and Ghosh took the next step to make treatment fully passive: They optimized the nanoparticle coating so that it could continue treating the water without requiring around-the-clock exposure to UV light.

“The key here is that we can make the surface reactive when it’s sunny, and it stays reactive even when it’s foggy or cloudy — exhibiting almost a capacitive-like behavior,” said Schutzius, describing the reactive coating’s ability to store charge, much like a battery, making it possible to effectively treat water regardless of weather conditions and time of day.

Excelling at treatment

As part of this study, the researchers tested two coating types, hydrophilic and hydrophobic. Both performed equally well at water collection, but the hydrophilic version excelled at treatment.

Because the hydrophilic coating attracts water, collected water droplets form a thin film along the mesh, enabling pollutant molecules to travel a short distance before encountering the mesh’s reactive coating, which then causes them to decay. Conversely, the hydrophobic, or water repelling, coating causes water to build up into a thick layer on the mesh, requiring more time for the contaminant particles to reach the reactive surface.

After conducting laboratory tests with common contaminants, such as diesel and bisphenol A, the researchers wanted to gauge the hydrophilic-coated mesh’s performance in a real-world environment. They then tested the mesh on a rooftop, in direct sun, using methyl orange as the contaminant. Their findings showed that the mesh harvested and treated the polluted fog with “good water collection performance (≈8%) and exceptional organic pollutant reduction (> 90%).”

For context, in related experiments with fog harvesters, researchers were able to achieve maximum collection efficiencies of ≈12% to 17%, though this work was done in a lab using uncontaminated fog. And in Ghosh’s earlier experiments with polymer coated meshes that required constant UV exposure, the amount of organic content removed was less than 36%.

According to Schutzius, fog harvesting has already been implemented to scale in arid regions across the world. Implementing a parallel treatment system may prove more challenging because air pollution can differ, both in its chemical composition and concentrations, from place to place. But he is optimistic that this can be addressed through further testing of the polymer coating, easing the way for future adoption of the treatment system.

“You would first need to pick out the mix of pollutants that’s coming with your fog,” said Schutzius. “Once you understand that, I don’t believe anything stands between you and scaling it up.”

Co-authors of the study are Adrien Baut and Giorgio Belleri of the Laboratory for Multiphase Thermofluidics and Surface Nanoengineering, Department of Mechanical and Process Engineering, ETH Zurich; and Michael Kappl and Hans-Jürgen Butt of the Department of Physics at Interfaces, Max Planck Institute for Polymer Research.

[출처 = Berkeley Research(https://vcresearch.berkeley.edu/news/scientists-develop-parallel-method-fog-harvesting-and-water-treatment) 2023년 8월 17일]