인도 연구진이 저렴한 비용으로 한 가족이 사용할 수 있는 식수를 만들어낼 수 있는 정수기 개발에 성공했다. 이 장치는 현재 식수 접근성이 낮은 인도 마드라스 지역 주민에게 보급되어 성능 테스트가 진행 중이어서 이 지역 주민의 공중위생 수준 향상에 기여할 것으로 기대된다.

먹을 수 있는 깨끗한 물의 부족은 어느 한 나라에 국한된 문제가 아니라 전 지구적인 문제다. 혹자는 이를 `물 전쟁`으로 표현하기까지 한다. 지구는 표면에 3분의 2 이상이 물로 덮여 있는 행성이다. 겉보기만 보면 ‘물 부족’ 이라는 단어를 쉽게 떠올리기 어렵다.

지구상에 존재하는 물에서 인간이 사용할 수 있는 물에 양은 전체량에 48% 정도라고 한다. 수치상으로 아무 문제가 없어 보이지만 속사정은 다르다. 산업화와 인구 증가로 물 사용량이 급격하게 증가하고 있고, 지역에 따라 수자원 분포도 큰 편차를 보이고 있으며, 환경오염으로 인해 안전하게 사용할 수 있는 물의 양도 점차 줄어들고 있다.

전 세계적인 인구 증가 추이를 보면 1950년 세계 인구는 25억 명이었으나, 1990년에는 53억 명으로 두 배 이상 증가했다. 미국 인구 통계국 조사에 따르면 1999년 60억 명을 돌파한 데 이어 2025년에는 83억 명, 2050년에는 100억 명에 이를 것으로 추산된다.

 

세계 50개국을 대상으로 1인당 이용 가능한 물의 양을 조사한 결과 1950년에 5만 68㎥에서 1990년에는 2만 8662㎥로, 2025년에는 2만 4795㎥로 지속적으로 줄어들 것이 예상되었다. 경제협력개발기구는 「2020년 세계-글로벌 시대의 개막」이라는 보고서에서 전 세계적으로 28개국 3억 4000만 명이 충분한 물을 구하지 못하고 있으며, 2025년에는 52개국에서 약 30억 명이 물 부족을 겪게 될 것이라는 전망을 내놓은 바 있다.

지구상에 인간이 이용할 수 있는 물의 양이 부족한 것도 문제이지만, 물 자원 분포의 지역적 편차가 크다는 것도 간과할 수 없다. 세계적인 물 전문가로 알려져 있는 리카르도 페트렐라(Riccardo Petrella)는 세계 상위 20%에 해당하는 부국이 모든 재화의 86%를 소비하고 있으며, 서구의 부유한 집에서 태어난 아기는 남반구 가난한 나라 가정에서 태어난 아기에 비해 평균 40~70배 가량 많은 물을 소비한다고 지적한 바 있다.

물이 부족하면 가장 고통 받는 것은 경제적으로 소외된 계층이다. 깨끗한 먹을 물을 쉽게 구할 수 없는 계층의 문제를 해결하기 위해선 최소 비용으로 깨끗한 물을 만들 수 있는 장치의 보급이 중요하다. 때문에 세계보건기구(WHO)와 UNICEF는 깨끗하고 안전한 먹을 물에 대한 접근성이 낮은 지역과 국가의 문제를 해결하기 위해 노력하고 있다.

두 국제기구는 이러한 노력의 일환으로 "물 공급과 위생 공동모니터링 프로그램(Joint Monitoring Programme for Water Supply and Sanitation)"을 통해 저렴한 비용으로 깨끗한 물을 만들 수 있는 장치 보급에 힘쓰고 있다.

 "물 공급과 위생 공동모니터링 프로그램"에 따르면 전 세계 인구의 약 10%에 해당하는 7억8,000만 명의 사람들이 깨끗한 물을 마시지 못하고 있다고 한다. 박테리아, 바이러스, 납, 비소 등으로 오염된 물로부터 수많은 사람들이 생명을 지키기 위해서 오염물질을 효과적으로 제거할 수 있는 저렴한 정수 장치의 개발이 필요하다.

이번 연구를 이끈 인도 마드라스 기술원(Indian Institute of Technology Madras) 탈라필 프래딥(Thalappil Pradeep) 박사 연구진은 여러 가지 나노입자를 혼합해서 만든 저렴한 정수기를 개발했다. 우리 돈으로 약 17,000원(미화 16달러)으로 만들 수 있는 이 장치는 하루에 5인 가족이 사용할 수 있는 충분한 양(약 20리터)의 물을 정수할 수 있다.

이 장치는 10리터 크기의 플라스틱 저수탱크, 오염된 물을 정화하는 여과장치와 정수된 물을 배출하는 밸브로 이루어져 있다.(그림 1, 여과기에 사용된 나노입자와 정수기 전체 형태) 이 장치의 정수 처리능력은 시간당 1리터이다. 저녁에 물을 부어 놓으면 아침 식사 시간에 5인 가족이 충분히 사용할 수 있는 양의 깨끗한 물을 얻을 수 있다.

오염된 물을 이 장치에 통과시키면 미생물과 바이러스는 물론이고 비소, 납, 살충제 같은 화학물질이 모두 제거된다. 이는 나노기술을 이용해 연구진이 개발한 여과기 때문이다. 이 정수기에는 2가지 여과장치가 부착되어 있다.

뚜껑 부분에 장착된 여과기(1차 필터)는 은 양이온(silver cation)을 지속적으로 방출해 미생물과 바이러스를 죽이는 역할을 한다. 배출 밸브에 직렬로 연결된 블록형 다층여과기(2차 필터)는 비소와 납 등의 오염물질을 제거한다.(그림 2, 정수기의 전체 구조와 역할 설명)

살균필터는 다양한 나노물질을 혼합해서 제작되었다. 천연 탄수화물(carbohydrate)계 고분자인 키토산(chitosan) 섬유와 수산화알루미늄 나노입자(aluminum hydroxide nanoparticle)를 결합해서 점토질 케이지(claylike cage)를 구조를 만들고 여기에 은 나노입자를 박아 넣는 방식이 사용되었다.

점토질 케이지 구조는 은 나노입자를 보호해서 살균효과가 지속되도록 하는 역할을 한다.(그림 3, 살균필터 제작과정 모식도) 여과기 제작 방법은 미국 국립과학아카데미회보(Proceedings of the National Academy of Sciences) 최신호에 실린 연구보고서에 자세히 설명되어 있다. 완성된 정수기는 현장실험(field test)을 통해 문제점을 보완한 후 보급될 계획이다.

 

 

 

 

About 780 million people—a tenth of the world’s population—do not have access to clean drinking water. Water laced with contaminants such as bacteria, viruses, lead and arsenic claims millions of lives each year. But an inexpensive device that effectively clears such contaminants from water may help solve this problem.

 

Thalappil Pradeep and his colleagues at the Indian Institute of Technology Madras developed a $16 nanoparticle water filtration system that promises potable water for even the poorest communities in India and, in the future, for those in other countries sharing the same plight. Although cheap filtration systems have been developed previously, this is the first one to combine microbe-killing capacity with the ability to remove chemical contaminants such as lead and arsenic. Because the filters for microbes and chemicals are separate components, the system can be customized to rid water of microbial contaminants, chemical contaminants or both, depending on the user’s needs.

 

 

 

 

In a report published yesterday in Proceedings of the National Academy of Sciences, Pradeep and his collaborators explain that the microbe filter relies on silver nanoparticles embedded in a cage made of aluminum and chitosan, a carbohydrate derived from the chitin in crustacean shells. The cage blocks macroscale water contaminants as well as protects the nanoparticles from sediments that would otherwise accumulate on their surfaces, thereby preventing them from releasing microbe-zapping ions.

 

The team used nanoparticles that release iron- and arsenic-trapping ions to make its chemical filter. But Pradeep notes that the “cage” technique can be used with other nanoparticles to target contaminants such as mercury.

 

 

          The membrane filter at the top kills bacteria and viruses, and the axial block at the bottom can be custom fitted

 

The materials are added one by one into water and self-assemble into small sheets that resemble clay (see image below). These sheets are the “cages” that then hold on to the silver nanoparticles. Production requires no electricity because the claylike filters are made at room temperature. Every liter of water used to make the material goes to filtering 500 liters of water. “This is a room-temperature green synthesis, which means it can be deployed in any part of the world,” Pradeep says.

 

 

 

“This is probably the strongest aspect of the study,” says John Georgiadis, professor of bioengineering at the University of Illinois at Urbana–Champaign. “Other systems are very expensive and have very low green profiles.”

 

James Smith, professor of environmental and civil engineering at the University of Virginia called the new work “promising and exciting” but foresees problems with the filter’s production in countries like India and Africa. “The method involves both strong acids and bases and likely would not allow for manufacturing in a developing-world setting,” Smith commented via e-mail.

 

Depending on how high the region’s contamination levels are, the filter must be boiled in water for about four hours every six months to remove deposits that reduce nanoparticle potency. According to Smith, this cleaning may be “difficult for developing-world families to accomplish on a regular basis.” Smith is the co-developer of PureMadi, a clay filtering pot coated with nanoparticles that gets rid of harmful bacteria—but not chemicals—in water that is currently being used in South Africa.