폐수처리장(wastewater treatment plant)에서 박테리아(bacteria)는 끈적끈적한 존재로 많은 비용을 소모시킨다. 미생물이 필터에 축적될 때, 미생물은 수질 여과를 방해하는 고분자 점액(polymeric slime)을 분비한다.

 

이러한 막힘 현상을 예방하기 위하여, 미국 UCR(University of California, Riverside) 화학 공학과 소속의 David Jassby를 주축으로 하는 연구진은 전하(electrical charge)를 유지하는 탄소 나노튜브를 기반으로 하는 필터(carbon nanotube-based filter)를 합성했다. 박테리아는 이러한 하전된 필터에 들러붙지 못하여 필터의 막힘을 형성할 수 없다.

 

폐수를 정화하기 위하여, 폐수 처리장은 종종 폐수 흐름이 나노필터에 반대되는 압력을 가하는 공정인 역삼투압(reverse osmosis) 공정을 채용한다. 이론상으로, 청정한 물은 필터를 통과하고, 거대한 단백질과 박테리아뿐 아니라 대부분의 염, 이온, 바이러스 등은 필터를 통과하지 못한다.

 

그러나 실제적으로 폐수에 있는 박테리아는 제거가 불가능한 중합 단백질(polymeric protein) 및 당의 점착성 혼합물과 함께 필터 위에 신속하게 자리 잡는다고 Jassby는 밝혔다. 이러한 소위 생물막(biofilm)은 필터를 통과하는 물의 흐름을 지연시킨다.

 

폐수 처리장은 역삼투압 공정 이전에 박테리아를 제거하기 위하여 추가 필터 또는 염소(chlorine)로 물을 처리함으로써, 생물막의 형성을 예방한다. 이러한 전처리는 비용을 발생시킨다. Jassby는 추가의 처리 단계 없이 박테리아성 점액(bacterial slime)을 피할 수 있는 방법을 발견했다.

 

Jassby는 1990년대 일본 연구진이 파이프에 작은 전하를 채용함으로써 송수관(water pipe)에서 생물막을 제거했다는 연구 결과를 읽었다. 그는 만약 자신의 연구진이 역삼투압 필터에서 동일한 과정을 수행할 수 있는지 여부를 궁금하게 여겼다.

 

연구진은 나노여과 박막과 고정된 전기적으로 전도성을 띠는 고분자 나노복합체(ECPNC; electrically conductive polymer-nanocomposite)를 적용하여, 극심한 박테리아와 유기물 부하량 하에서 생물막 형성이 예방될 수 있다고 밝혔다.

 

이러한 폴리아미드-탄소 나노튜브 박막을 생성 및 적용하는 단순한 경로를 연구진은 보고했다. 연구진은 이러한 박막이 탄소 나노튜브가 폴리아미드 내에 삽입되어 있으며, 폴리아미드의 단량체(monomer) 중 하나인 트리메조일 트리염화물(trimesoyl chloride)과 에스터 결합(ester bond)을 형성한다는 사실을 입증하기 위하여 FTIR뿐 아니라 SEM과 TEM을 이용하여 그 특징을 규명했다.

 

이러한 고분자 복합체 박막 재료는 높은 전기 전도성(400 S/m), 우수한 염화나트륨 배제 및 높은 투수성(water permeability) 등을 자랑한다.

 

연구진은 폴리아미드 나노필터(polyamide nanofilter)에 탄소 나노튜브를 공유 결합으로 연결함으로써 필터 재료가 전도성을 띠게 만들었다. 연구진은 역삼투압 공정을 시뮬레이션한 작은 챔버에서 연구진이 개발한 필터를 테스트했다. 새롭게 개발된 막의 생물 부착 능력(biofouling capabilities)을 증명하기 위하여, 연구진은 AWG(arbitrary waveform generator)에 ECPNC막을 연결하는 절연 처리된 전기 리드를 갖춘 직교류 수질 여과 용기(cross-flow water filtration vessel)를 고안했다.

 

한 개의 챔버에서 연구진은 필터에 1.5 볼트(volt)를 가하여 매분마다 교류(alternating current)의 극성을 전환시켰다. 다른 챔버에서, 연구진은 전압을 가하지 않은 필터를 테스트했다. 두 개의 챔버에서, 연구진은 생물막을 형성시키는 것으로 알려진 녹농균(Pseudomonas aeruginosa)이 바글거리는 박테리아 점액을 통과시켰다.

 

약 25시간 후, 전하를 가하지 않은 필터를 통과해 흐른 물은 여과를 시작했던 시점의 속도에 대하여 절반으로 물의 흐름이 지연됐다. 필터가 매우 두꺼운 박테리아 층으로 완전히 덮여 버렸다고 Jassby는 밝혔다.

 

또 전기적으로 하전된 필터는 약 80시간 후 원래 속도의 절반으로 반감됐으며, 흐름은 점진적으로 소실됐다. 그러나 만약 우리가 단순하게 압력을 차단하고, 60초 동안 물로 막을 씻어내면 흐름을 100% 복구할 수 있다고 Jassby는 밝혔다. 단순하게 박테리아를 씻어내는 능력은 하전된 필터 위에 생물막이 형성되지 않는다는 것을 의미한다고 Jassby는 덧붙였다.

 

하버드 대학(Harvard University) 소속의 환경 공학자인 Chad D. Vecitis는 새로운 탄소 나노튜브 코팅이 최소의 에너지를 소비하면서, 박테리아가 필터에 들러붙지 못하도록 해준다고 밝혔다. 그는 왜 이러한 공정이 작동하는지를 알기를 바란다고 덧붙였다. Jassby와 공동 연구진은 내면에 숨어 있는 메커니즘을 규명하기 위하여 적극적인 연구를 수행 중이다.

 

연구진은 새롭게 개발된 필터가 경제적이라고 생각하고 있다. 연구진은 탄소 나노튜브의 추가가 단 1.5%의 필터 비용을 증가시키는 것으로 추정했다. 그리고 전통적인 전처리를 제거함으로써 얻어지는 비용 절감은 상당할 수 있다고 연구진은 밝혔다.

 

연구팀은 캘리포니아 주 오렌지카운티를 관할하고 있는 폐수 처리장이 전기적으로 하전된 탄소 나노튜브 필터를 활용하여 화학적 전처리 공정을 대체한다면, 일일 당 약 17000달러의 비용을 절감할 수 있을 것으로 추산하고 있다.

 

[그림 1]은 탄소 나노튜브로 코팅된 전기적으로 하전된 필터로 유입되는 박테리아를 함유한 물의 흐름이다. 순수한 물(파란색 화살표)은 막을 통과해 흐르고, 전하가 필터 위에 생물막 형성을 예방하거나 박테리아 부착을 방해한다.

 

 

 

Bacteria present a sticky and costly problem for wastewater treatment plants. When the microbes accumulate on filters, they secrete a polymeric slime that gums up water filtration.

 

To help prevent these clogs, chemists have synthesized carbon nanotube-based filters that can hold an electrical charge. Bacteria can’t glom onto these charged filters and don’t form clogging films (Environ. Sci. Technol., DOI: 10.1021/es3045168).
 
To clean wastewater, treatment plants often employ reverse osmosis, a process in which a flow of sewage presses against a nanofilter. In theory, clean water flows through the filter, and most of the salts, ions, viruses, as well as larger proteins and bacteria, do not.

 

In reality, however, bacteria in the wastewater quickly set up camp on the filter by dumping a gummy mix of polymeric proteins and sugars that are “essentially impossible to remove,” says David Jassby, a chemical engineer at University of California, Riverside. This so-called biofilm slows the flow of water through the filter.
 

Treatment plants prevent biofilms by treating the water with chlorine or extra filters to get rid of the bacteria before the reverse osmosis step. Such pretreatment is costly. Jassby found a way to avoid the bacterial slimes without these extra treatment steps.
 

He read that in the 1990s a Japanese group limited biofilms in water pipes by applying a small electrical charge to the pipes. He wondered if he and his colleagues could do the same with the reverse osmosis filters.
 

The researchers made the filter materials conductive by covalently linking carbon nanotubes to a polyamide nanofilter. They tested their filters in tiny chambers that simulated the reverse osmosis process.

In one chamber they applied 1.5 volts to the filter, flipping the polarity of the alternating current every minute. In another, they tested a filter with no applied voltage. Through both chambers, they flowed a bacterial broth teeming with Pseudomonas aeruginosa, a species known to form biofilms.
 

After about 25 hours, the water flow through the filters with no applied charge slowed to half its starting rate. The filters “were absolutely covered in very thick layers of bacteria,” Jassby says. The electrically charged filter also gradually lost flux-slowing to half the original rate after about 80 hours. However, “if we simply shut the pressure off and flushed the membrane for 60 seconds,” Jassby says, “we recovered the flux 100%.” The ability to simply rinse off the bacteria means no biofilms formed on the charged filters, he adds.

 

Chad D. Vecitis, an environmental engineer at Harvard University, says the novel carbon nanotube coating stops bacteria from sticking to filters with minimal energy consumption. He would like to know why it works.
 
Jassby and coworkers are actively working on determining the underlying mechanism.
 
The researchers think the filters make financial sense. They estimated that the addition of the carbon nanotubes increases the filters’ cost by just 1.5%. And the savings offered by eliminating traditional pretreatment could be substantial: The team calculated that a water treatment plant serving Orange County, Calif., could potentially save $17,000 per day if it replaced chemical pretreatment with electrically charged carbon nanotube filters.