청정한 음용수의 이용 가능성 및 식수 문제는 전 세계 많은 지역에서 해결이 시급한 문제로 많은 연구진은 염수·기수·오염된 물 등을 처리하는 새로운 방법을 모색 중이다. 최근 미국 MIT공과대학 소속의 연구진은 전통적인 담수화 공정과는 다른 혁신적인 접근을 개발했다. 새로운 시스템은 필터를 이용해 이온 및 물분자를 분리하지 않아 막힘현상이나 끓어 넘치는 현상이 없어 상당한 양의 에너지를 절감할 수 있다.

대신 새로운 공정은 흐르는 물의 흐름 내에 전기적으로 추진된 충격파(shockwave)를 이용한다. 적용된 충격파는 염수를 한쪽으로 흐르게 하고 다른 한쪽으로 담수를 추진하게 해 두 가지 흐름을 쉽게 분리할 수 있게 한다. 관련 내용은 『Environmental Science and Technology Letters』 저널에 발표됐으며, 화학공학 및 수학과 교수 Martin Bazant, 석사 과정 학생 Sven Schlumpberger, 학부생 Nancy Lu와 전 박사 후 연구원Matthew Suss 등이 참여했다. Bazant 교수는 이번 기술은 근본적으로 새롭고 차별하된 분리 공정이라고 밝혔다.

담수화 및 정수의 수행은 다른 접근과 달리 이온과 입자의 멤브레인이 없는 분리(membraneless separation)를 수행하며, 역삼투 또는 전기투석(electrodialysis)을 사용하는 전통적인 담수화 시스템에서 멤브레인은 선택적 격막(selective barriers)이라고 Bazant는 설명했다. 전통적인 담수화 시스템은 물분자를 통과시키지만 크기가 더 큰 염의 나트륨(sodium)과 염소(chlorine) 원자는 차단된다. 상용 전기 투석 방법과 비교했을 때 새로운 시스템의 공정은 유사하게 보이지만 근본적으로 다르다고 덧붙였다.

충격파 전기 투석(shock electrodialysis) 공정에서 물은 한 쪽으로 다공성 재료를 끼워 넣는 멤브레인 또는 전극과 다공성 재료를 통과해 흐르는데, 다공성 재료는 백옥유(frit)라는 작은 유리로 만들어진다. 전류가 시스템을 통과해 흐를 시 염수는 염 농도가 고갈되거나 풍부한 지역으로 분류된다. 전류가 중앙 지점에서 증가할 때 구분된 두 지역 사이에 충격파가 생성되고, 흐름은 뚜렷하게 나뉘어 흐름의 중앙에서 단순한 물리적 장벽에 의해 담수 지역과 염수 지역으로 구분된다. 여기서 매우 강력한 구배가 생성된다.

다공성 재료의 각 측면에 대하여 멤브레인을 사용할 수 있지만 물은 멤브레인을 통과하는 것이 아니라 가로질러 흐른다. 이는 상용 전기 투석 방법을 포함해 상용 멤브레인 기반의 담수화 시스템에서 일어나는 여과된 재료의 구축으로 인해 막힘 현상에 취약하지 않음을 의미하거나 수압으로 인한 손실이 발생하지 않는다는 것을 의미한다. 이에 Bazant 교수는 어떤 물질을 통해 염을 밀어낼 필요가 없다고 밝혔으며 염 입자 또는 이온은 단지 한 쪽 방향으로 이동하기만 한다고 말했다.
 

▲ 미국 MIT공과대학 연구진이 새롭게 개발한 담수화 공정은 담수화에 대한 일부 다른 접근과는 달리 사회기반시설을 거의 필요로 하지 않는다. 또한 해수자원·기수 및 지하수 등과 같은 자원에 대한 담수화 방안에 새로운 가능성을 제시했다.

한편, 스탠퍼드대학의 Juan Santiago 연구진은 수년 전 염농도의 충격파를 생성하는 가려진 현상을 발견했으나 당시의 발견은 작은 미세유체역학 장치(microfluidic device)를 이용한 실험으로 흐르는 물에 적용되지 못했다. 때문에 스탠퍼드대학 연구진의 결과는 물에서 염을 제거하는 데 이용되지 않았다고 당시 스탠퍼드 대학에서 안식년을 가졌던 Bazant교수는 밝혔다.

이와 달리 새로운 시스템은 연속적인 공정으로 저렴한 다공성 매질을 통해 흐르는 물을 이용하기 때문에 담수화 및 정수에 대한 규모 확대가 상대적으로 용이하며, 이번 연구에서 이룬 혁신적인 성공으로 실용적인 시스템을 공학적으로 구축했다. 또한 수압파쇄(hydraulic fracturing) 및 파쇄에 의해 생성된 방대한 양의 폐수 정화에도 응용할 수 있다.

오염된 물은 염분을 함유하는 경향이 있어 때때로 미량의 독성 이온(toxic ions)을 포함해 저비용으로 오염된 물을 정화시키는 방법을 찾는 것은 매우 바람직한데, 이 시스템은 염을 제거할 뿐 아니라 다양한 다른 오염물질 역시 제거해 실용적이다. 아울러 전류가 통과하므로 흐름을 살균할 수 있으며 전기장은 매우 높아 박테리아를 사멸시킨다고 Schlumpberger는 말했다.

Bazant 교수는 연구진이 공정의 실험적 논증과 함께 어떻게 이 공정이 작동하는지를 설명하는 이론적 분석을 모두 수행했다고 밝혔다. 다음 단계는 실용적인 테스트를 통해 규모가 확대된 시스템의 고안이다. 초기에는 대규모 해수담수화를 위한 역삼투 등의 방법과 경쟁할 수 없으나 오염된 물의 정화 같은 다른 용도에 사용될 수 있다고 Schlumpberger는 말했다.

또한 담수화에 대한 일부 다른 접근과는 달리 이 공정은 사회기반시설을 거의 필요로 하지 않는다. 때문에 먼 지역에서 휴대용 시스템으로 사용하기 유용하며 폭풍우 또는 지진에 의해 피해를 입은 지역에 비상용으로 물을 공급하기도 유용하다.

이번 연구에는 참여하지 않았던 네덜란드 수처리 기술연구소(Netherlands Water Technology Institute) 소속의 선임연구원 Maarten Biesheuvel은 이 연구가 담수화 영역에서 상당한 의미를 가지고 있다며 해수자원·기수 및 지하수 등과 같은 자원에 대한 담수화 방안에 새로운 가능성을 제시했다고 말했다. 연구진은 한 개의 시스템 내에서 합리적으로 운영되는 새로운 디자인과 동일한 채널의 이온이 다른 지역에서 분리된다는 것을 시사한다고 밝혔다.