 미국 MIT(Massachusetts Institute of Technology) 소속의 연구진은 슈퍼컴퓨터를 적용하는 진보된 분자 모델링을 이용하여 원자 두께의 탄소 층이 부적절한 담수를 보유하고 있는 지역에 새롭고 개선된 담수화(desalination) 방안을 제공하는 막으로 전환될 수 있을 것이라고 밝혔다.
실제적인 실험적 증명 없이, 연구진이 산출한 계산은 수자원 담수화(water desalination)를 위한 그래핀 막(graphene membrane)의 수행력이 매우 우수하다는 것을 보여주었다고 이 연구의 조사 책임자이며 MIT 소속의 재료 과학자인 Jeffrey Grossman은 밝혔다.
1962년에 처음으로 만들어진 그래핀(graphene)은 2010년 노벨 물리학상을 수상하며 관심을 집중시켰다. 육각형 메시의 탄소 원자는 흑연, 숯, 탄소 나노튜브 및 버키볼(buckyball) 등을 위한 지주를 제공한다. Grossman 연구진의 관심을 불러일으킨 것은 해수로부터 염을 여과시키는 데 이상적인 그래핀의 경이적인 구조적 강도와 화학적 특성에 있다.
일반적으로 불가사의한 그래핀 표면에 나노기공을 뚫는 것이 목표이며, 따라서 매우 얇은 구조에 손상을 주지 않고 가압된 물만 통과될 수 있다. Grossman은 이것이 모든 해수 담수화 선택 사항의 가장 우수한 수행력을 제공하는 전통적인 역삼투(RO; reverse osmosis) 공정보다 새로운 방식의 역삼투 방안을 더 효율적으로 만드는 핵심이라고 밝혔다.
RO가 비교적 높은 비용 및 에너지 사용이 소요된다는 점이 문제가 될 수 있다. 이러한 단점은 비록 해수가 광범위하게 이용될 수 있다고 하더라도, 비약적인 새로운 기술이 지속 가능한 수자원 공급 선택 사항을 구현하기 위하여 필요하다는 것을 의미한다고 Grossman과 대학원 학생인 David Cohen-Tanugi는 2012년 초 Nano Letters 저널에 발표된 논문(나노기공 그래핀의 수자원 담수화, Water Desalination across Nanoporous Graphene)에서 보고한 바 있다.
기후는 지속적으로 온난해지는 한편, 담수 자원은 일부 해안 지역에서 희박해지기 때문에, 많은 지역에서 담수화가 매우 중요한 선택사항이 될 것이라고 Grossman은 밝혔다.
삼투(osmosis)에서, 물은 자발적으로 반투성 막(semipermeable membrane)을 통과하여 용해된 용질이 더 집중되는 다른 쪽으로 이동한다. 물은 물이 이동할 때, 삼투압(osmotic pressure)을 구축한다.
역삼투에서, 선호되는 담수화 선택 사항은 시스템의 방향을 전환시키는 반대의 압력을 도입하는 것이다. 물은 용질 농도가 최저인 쪽 막으로 강제로 이동되어, 용해된 염 이온으로부터 물이 분리된다. 담수화를 위하여 일반적으로 고분자로 만들어진 반투성 막은 물을 통과시키는 한편, 원하지 않는 용질은 제거하도록 제작된 박막이다.
비록 물이 일반적으로 느린 확산을 통하여 이동한다고 하더라도, RO는 이 공정을 반전시키고 역삼투를 극복하기 위하여 높은 압력을 필요로 한다. 담수 속도는 산업용 RO 설비에서 평균 일일 약 2억 5천 갤런에 도달할 수 있다고 Cohen-Tanugi는 밝혔다. 그러나 보다 더 높은 에너지 소모에 따른 비용이 요구된다.
반대로, Grossman과 Cohen-Tanugi는 그래핀이 용해된 염을 직접 여과시킬 수 있으며, 물이 통과하는 속도를 증가시키는 한편, 에너지 수요는 낮출 수 있을 것으로 생각했다. 그리고 단일 탄소 원자 두께의 시트는 RO 반투성 막보다 약 1,000배 더 얇은 극도로 얇은 막이 될 수 있다고 연구진은 밝혔다.
그래핀은 가장 강력한 재료로 알려져 있기 때문에, 연구진의 결과는 물 분자만 통과시키기 적합한 크기의 작은 구멍이 견딜 수 있다고 제안했다. 한편, 염 이온은 나노 규모에서 제거될 수 있다.
또 연구는 나노기공의 가장자리가 물의 흐름을 촉진하기 위하여 추가로 변경될 수 있다고 제안했다. MIT 연구팀의 계산은 기공 화학(pore chemistry)이 염 제거뿐 아니라 유속에 영향을 끼친다는 것을 보여주었다.
MIT 연구진은 로렌스 버클리 국립 연구소에서 미국 에너지부 산하 NERSC(National Energy Research Scientific Computing Center)에 있는 두 개의 고수행력 시스템을 이용하여 이러한 이론을 추론했다. 연구진은 철저한 계산을 수행하기 위하여 LAMMPS라고 명명하는 진보된 분자 역학 시뮬레이션 도구를 사용했다. 연구진은 수많은 단계를 거쳤다. 이것은 한 번에 수일 또는 심지어는 수주가 걸리는 수많은 프로세서가 운영되는 시뮬레이션이다.
컴퓨터 모델링은 이론과 실험의 사이에 있기 때문에, 현대 화학 및 재료 과학에 필수적이라고 Grossman은 밝혔다. 컴퓨터 모델링은 이러한 시스템을 이해할 수 있는 외관상 사실적인 시스템을 해명하고 이론을 확립할 수 있게 해준다고 Grossman은 밝혔다.
RO는 다른 담수화 접근과 비교했을 때 경쟁력을 지니고 있음에도 불구하고, 고압에서 운영되어야 하는 조건으로 인하여 많은 에너지가 사용되고 비용을 상승시킨다. 아직까지 수질 문제에 대한 해결 방법으로 사용하기에는 너무 고가의 비용이다.
연구진의 컴퓨터를 이용한 조사는 그래핀 필터를 구비한 RO의 대체가 확산을 통한 RO 막보다 100~1,000배 가량 유속을 증가시킬 수 있다고 제안했다. 높은 압력이 아직까지 필요하다고 하더라고, 그래핀을 구비한 RO는 다른 시나리오에 따른 RO보다 더 적은 그래핀을 사용할 수 있다고 연구진이 산출한 계산은 밝혔다. Grossman은 열역학 법칙에 따라 부과된 한계 때문에 유속만큼 에너지 효율성을 추진할 수 없다고 지적했다.
그러나 실제적인 실험은 분자 모델링이 제안한 유망한 기준이 성취될 수 있는지 여부를 최초로 보여주었다. 이 실험은 적합한 직경이 7~9 옹스트롬 또는 약 1 나노미터의 충분한 기공을 생성하는 것을 포함하고 있다.
이러한 세밀한 기공을 어떻게 만드는지는 명확하지 않다. 가능한 방법으로는 자기 조립(molecular self-assembly, 분자들이 분자 간 인력을 통해 자발적으로 모여 특정한 구조와 성질을 갖는 분자 집합체), 헬륨-이온 충격(helium-ion bombardment) 및 화학적 에칭 등이 포함된다.
연구진은 단일 층으로 독립되어 있는 그래핀에 나노규모의 기공이 물에서 염화나트륨 염을 효과적으로 여과시킬 수 있다는 것을 보여주었다. 고전적인 분자 역학을 이용하여, 연구진은 기공 크기, 화학적 기능화(chemical functionalization) 및 적용된 압력 등의 함수로서 이러한 막의 담수화 수행력을 보고했다.
연구진의 결과는 염이 통과하는 것을 예방하는 막의 능력이 이온을 차단하는 한편, 물의 흐름(water flux)을 가능하게 하는 적절한 크기의 기공을 지닌 기공 직경에 임계적으로 의존한다는 것을 암시한다. 그 외에, 그래핀 기공의 가장자리에 결합한 화학적 작용기(chemical functional group)의 역할에 대한 조사는 일반적으로 생성되는 하이드록실기(hydroxyl group)가 친수성 특성으로 인하여 물의 흐름을 약 2배로 증가시킬 수 있다고 제안했다.
물 흐름에서의 증가는 염 제거(salt rejection) 수행력에 더 적은 비용을 소요시키며, 이러한 성과는 이온의 수화 껍질(hydration shell)에 있는 물 분자를 하이드록실기로 치환하는 연구진의 능력에 기인한다. 전체적으로 연구진의 결과는 이러한 재료의 물 투과력이 상용 역삼투막보다 몇 배 더 높으며, 나노기공을 지닌 그래핀이 수질 정화에 유용한 역할을 한다는 것을 보여주었다.
그림1> 나노기공 그래핀을 이용한 물 담수화. 나트륨과 염소 이온(녹색과 보라)에서 물 분자(빨간색과 흰색)를 스크리닝할 수 있는 적절한 크기의 기공을 지닌 그래핀 시트(중앙)
[출처 : KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑(GTB)』2012. 11. 07] |
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