[미국] 경제적으로 해수 담수화하기 위한 연구 활발
미 텍사스 대학·독일의 마르부르크 대학 화학자들
미 텍사스 대학(University of Texas)과 독일의 마르부르크 대학(University of Marburg)의 화학자들은 해수에 작은 전기장을 만들어 염(Salt)을 제거하여 담수화할 수 있는 기술을 개발하고 있다. 이러한 기술은 기존 일반 담수화 기술 대비 훨씬 간단한 공정으로 가능하며, 훨씬 적은 에너지를 소비할 것으로 기대된다.
이 공정은 현재 담수화 기술이 직면하고 있는 다양한 문제들을 해결하였다. 연구진은 미세단위에서 멤브레인(Membrane)을 사용하지 않으면서 물에 있는 염을 분리하는 방안을 적용하였다. 전기화학적 해수 담수화 기술로 불리는 이 기술에 대한 연구결과는 지난주 Angewandte Chemie 저널에 발표되었다. 새로운 담수화 기술은 현재 특허출원 중이며, 신생회사인 Okeanos Technologies는 이 기술을 상용화하기 위해 노력하고 있다.
이번 연구를 담당하고 있는 Richard Crooks는 인간이 마시거나 및 작물관개(Crop Irrigation)를 위한 물은 인간 건강을 유지하고 개선하기 위한 가장 기본적인 필수 요소 중 하나라고 설명하였다.
그는 “해수 담수화는 이러한 필요성을 다룰 수 있는 한 가지 방법이다. 그러나 대부분의 방법들이 값비싸고 쉽게 오염될 수 있는 멤브레인에 의존하고 있다. 우리가 개발한 멤브레인을 필요로 하지 않는 기술은 아직 더 많은 연구과정을 필요로 하고, 규모확장의 문제가 있지만 성공할 수 있다면 아주 간단한 휴대용 시스템으로 담수를 대량생산할 수 있는 기회를 제공한다”고 덧붙였다.
새로운 방법은 물과 관련된 문제로 고통을 받고 있는 지역에 특히 유용하다. 이들 지역의 대부분은 풍부한 해수를 갖고 있으나 일반적인 기술을 사용하여 물을 담수화할 수 있을 만큼의 충분한 에너지 인프라나 자본을 갖고 있지 않다.
결국 매년 수 백 명의 사람들이 물과 관련된 문제로 죽어가고 있다. Okeanos Technologies의 CEO인 Tony Frudakis는 “담수 부족으로 많은 사람들이 죽고 있다. 새로운 획기적 기술이 개발되지 않으면 이러한 현상은 지속될 것”이라고 설명하였다.
연구진은 담수화를 위해 해수가 담긴 플라스틱 용기에 약 3.0볼트의 전기를 가했다. 이 용기에는 2개의 경로를 가진 마이크로채널(Microchannel)이 포함되어 있다. 마이크로 채널이 만나는 지점에는 전극이 해수 내에 있는 염화이온의 일부를 중화시켜 이온 결핍 지대(Ion Depletion Zone)를 만들어낸다. 이 지대는 채널의 다른 지역과 비교할 때 국소전기장(Local Electric Field)을 증가시킨다. 이러한 전기장 변화로 인해 하나의 경로에는 염을 보내고, 나머지 경로에는 담수화된 물을 흐르게 할 수 있다.
이번 연구논문의 주 저자인 Kyle Knust는 “전극에서 일어나는 중화반응은 해수의 염을 제거하는데 중요한 단계이다. 이온결핍지대는 염이 통과하는 것을 막아주어 담수를 생산할 수 있다”고 설명하였다.
Crooks와 연구진은 지금까지 약 25%의 담수율을 얻을 수 있었다. 식수의 담수를 위해서는 약 99%가 필요하지만 연구진은 이러한 목표가 달성 가능하다고 보고 있다. Knust는 “연구진은 이온결핍지대를 기반으로 하는 다른 활용 분야를 개발하면서 상당한 수준의 성능을 보여준 바 있다. 이는 담수율이 99%에 도달하는 일이 불가능하지 않다는 것을 보여준다”고 설명하였다.
이번 연구에 있어 또 다른 도전은 공정을 확대하는 것이다. 인간 머리카락 정도의 크기를 가진 마이크로채널은 1분에 약 40 나노리터의 담수를 생산한다. 이러한 기술이 상업화되기 위해서는 하루에 몇 리터의 물을 생산할 수 있어야 한다. 연구진은 이러한 문제를 해결할 수 있다면 필요에 따라 다양한 규모에서 이 기술을 적용할 수 있다고 예상한다.
Frudakis는 “재난구조용이나 지방자치단체에서 활용할 정도의 장치를 만들 수 있다. Okeanos는 음료수 자판기와 같은 규모의 소형 시스템을 고려하고 있다. 이러한 시스템이 가능하다면 작은 마을에 독자적으로 운영되어 담수를 생산할 수 있을 것”이라고 설명하였다.
[출처 : KISTI 미리안(http://mirian.kisti.re.kr) 『글로벌동향브리핑(GTB)』2013. 07. 01]
[원문보기]
Chemists Work to Desalinate the Ocean for Drinking Water, One Nanoliter at a Time
June 27, 2013 — By creating a small electrical field that removes salts from seawater, chemists at The University of Texas at Austin and the University of Marburg in Germany have introduced a new method for the desalination of seawater that consumes less energy and is dramatically simpler than conventional techniques. The new method requires so little energy that it can run on a store-bought battery.
The process evades the problems confronting current desalination methods by eliminating the need for a membrane and by separating salt from water at a microscale.
The technique, called electrochemically mediated seawater desalination, was described last week in the journal Angewandte Chemie. The research team was led by Richard Crooks of The University of Texas at Austin and Ulrich Tallarek of the University of Marburg. It's patent-pending and is in commercial development by startup company Okeanos Technologies.
"The availability of water for drinking and crop irrigation is one of the most basic requirements for maintaining and improving human health," said Crooks, the Robert A. Welch Chair in Chemistry in the College of Natural Sciences. "Seawater desalination is one way to address this need, but most current methods for desalinating water rely on expensive and easily contaminated membranes. The membrane-free method we've developed still needs to be refined and scaled up, but if we can succeed at that, then one day it might be possible to provide fresh water on a massive scale using a simple, even portable, system."
This new method holds particular promise for the water-stressed areas in which about a third of the planet's inhabitants live. Many of these regions have access to abundant seawater but not to the energy infrastructure or money necessary to desalt water using conventional technology. As a result, millions of deaths per year in these regions are attributed to water-related causes.
"People are dying because of a lack of freshwater," said Tony Frudakis, founder and CEO of Okeanos Technologies. "And they'll continue to do so until there is some kind of breakthrough, and that is what we are hoping our technology will represent."
To achieve desalination, the researchers apply a small voltage (3.0 volts) to a plastic chip filled with seawater. The chip contains a microchannel with two branches. At the junction of the channel an embedded electrode neutralizes some of the chloride ions in seawater to create an "ion depletion zone" that increases the local electric field compared with the rest of the channel. This change in the electric field is sufficient to redirect salts into one branch, allowing desalinated water to pass through the other branch.
"The neutralization reaction occurring at the electrode is key to removing the salts in seawater," said Kyle Knust, a graduate student in Crooks' lab and first author on the paper.
Like a troll at the foot of the bridge, the ion depletion zone prevents salt from passing through, resulting in the production of freshwater.
Thus far Crooks and his colleagues have achieved 25 percent desalination. Although drinking water requires 99 percent desalination, they are confident that goal can be achieved.
"This was a proof of principle," said Knust. "We've made comparable performance improvements while developing other applications based on the formation of an ion depletion zone. That suggests that 99 percent desalination is not beyond our reach."
The other major challenge is to scale up the process. Right now the microchannels, about the size of a human hair, produce about 40 nanoliters of desalted water per minute. To make this technique practical for individual or communal use, a device would have to produce liters of water per day. The authors are confident that this can be achieved as well.
If these engineering challenges are surmounted, they foresee a future in which the technology is deployed at different scales to meet different needs.
"You could build a disaster relief array or a municipal-scale unit," said Frudakis. "Okeanos has even contemplated building a small system that would look like a Coke machine and would operate in a standalone fashion to produce enough water for a small village."
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