전 세계적으로 물위기에 대한 우려가 증가하면서 염수를 음용수로 전환시키는 고가공정에 대한 관심이 다시 증대되고 있다. 버지니아대학(University of Virginia)의 공과대학은 담수화 공정을 더욱 단순화하면서 비용도 절감시키는 고분자 멤브레인의 개선방법을 연구 중이며, 화학공학과 조교수인 Geoffrey M. Geise는 이 기술을 통해 청정에너지를 생산하고 저장하는 데 도움이 될것이라고 최근 밝혔다.

“멤브레인을 통과하는 오염물질이나 염분을 대량으로 차단시켜 물을 정화하는데, 현재 연구 중인 담수화 멤브레인은 염분보다 물이 고분자 멤브레인을 더욱 빨리 통과하도록 해 막의 한쪽 면에 있는 물 속 염분 함량을 감소시켰다”고 Geise는 말했다.

염분은 이온으로 분리되어 물 속에 존재하는데 단일 물분자보다 수화된 이온의 크기가 더 크기 때문에 물은 염분 및 이온보다 더 빠르게 통과한다. 게다가 이온은 수상(water phase)보다 멤브레인 상(membrane phase)에서 에너지적으로 불리해 고분자 밖에 머무르려는 경향이 있어 물에 비해 염의 이동을 효과적으로 늦추는 것이 가능하다. Geise의 연구진은 이런 메커니즘을 기반으로 고분자의 특성을 변화시켜 분리 효율을 최대화하기 위해 노력 중이다.

물·에너지에 관한 연구는 전 세계적으로 진행되고 있으며 Geise 연구진은 해당 분야에서 스스로를 선두주자라고 생각한다. 이에 Geise는 “우리 연구진은 실험·전산 연구 능력을 통합시키는 고유한 방법을 사용하므로 분야를 선도하는 것이 가능하다고 믿는다. 동일한 원리를 다른 오염물질에 적용할 수 있지만 핵심은 고분자의 선택도를 최대화하기 위해 물질의 화학적 특성을 미세하게 조절하는 방법을 개발하는 것이, 가능한 효율적으로 정화된 물을 만들 것”이라고 말했다.

▲ 해리슨 학부의 연구 보조금을 지원 받고 있는 화학공학 전공자 Andrew Biedermann(왼쪽)과 고분자 멤브레인에 대한 연구를 진행하고 있는 버지니아대학 화학공학과 조교수 Geoffrey Geise(오른쪽).

고분자는 훨씬 작은 반복단위(repeat unit)가 이루는 체인으로 구성된 거대분자(macromolecule)이다. 반복단위의 화학적 특성 변화는 전반적인 고분자의 성질 변화와 같다. 고분자 멤브레인은 고체 고분자 필름으로 보통 장벽(barrier) 역할을 하도록 설계되었다.

“연구에는 다른 분자의 이동은 허용하지만 특정 분자의 이동은 억제하는 장벽 역할을 하도록 설계된 반 투과성 멤브레인을 사용했다”고 Geise는 밝혔다.

연구진은 멤브레인을 통과하는 물분자 양에는 영향을 미치지 않지만 염분 및 이온이 통과하는 양을 최소화하기 위한 방법을 연구 중이다. 또한 고분자의 구조를 변화시켜 멤브레인을 통과하는 물의 이동 속도에 비해 염분의 이동 속도를 조절할 수 있을 것으로 기대하고 있다. “염분이 물보다 훨씬 느리게 확산되면 담수화가 가능하다”고 Geise는 덧붙였다.

그러나 연구진은 첫 단계부터 멤브레인으로 유입되는 염분을 차단하는 방법을 이용할 수도 있다. 염분이 멤브레인을 통과해 최종 용액에 유입되는 것을 막기 위해 연구진은 유입되는 염수에 염분이 최대한 잔류하도록 고분자를 설계할 수 있다고 밝혔다. 만약 염분이 멤브레인까지 도달하지 못하면 멤브레인을 통과할 수 없어 담수화될 것이다.

시장에서 기존 해수담수화 기술의 절반 이상은 역삼투압 방식을 사용한다. 멤브레인이 공급되는 쪽에 압력을 가하면 물은 압력에 의해 폴리머를 통해 이동한다. 이처럼 전기투석(electrodialysis)과 같은 다른 기술들은 분리를 위해 전기에너지를 사용한다. Geise는 “멤브레인의 선택도를 더 높이면 역삼투압을 위해 가해지는 압력을 감소시키고 전기투석에서 전기 에너지의 필요량을 줄여 전기 에너지의 소비량을 낮춘다”고  말했다.

이번 연구는 담수화뿐만 아니라 유사한 멤브레인을 이용해 청정에너지를 생산하는 방법의 탐구도 가능하다. 그러나 Geise 연구진의 에너지 생산·저장에 관한 연구 중 많은 부분은 오늘날 널리 사용되지 않는 신기술의 일부분이다. 에너지 생산에 대한 신기술인 역전기투석(reverse electrodialysis)은 멤브레인의 양쪽 면의 염도의 농도 차이를 이용하고 전기투석 공정을 사용해 전력을 생산하는 기술이다.

“흐름 전지(flow battery)와 같은 에너지저장 기술에서 멤브레인은 전지의 구역을 구별하기 위해 사용되지만 전지가 작동하게 하기 위해 이온의 통과를 여전히 허용하고 있다. 담수화와 달리 배터리·에너지 생산 분야에서는 멤브레인을 통한 이온의 통과는 허용하면서도 시스템에서 다른 구성요소가 통과하는 것은 효과적으로 차단하는 역할을 한다”고 Geise는 말했다.

또한 “전 세계적으로 정수된 물과 청정에너지에 대한 수요가 증가하는 것은 연구진의 동력이 된다. 이번 멤브레인 기술은 다양한 분야에서 많은 기술을 활성화시키고 향상된 멤브레인은 효율적으로 물을 정화시키는 동시에 강화된 신재생에너지 자원에 기여할 것”이라고 덧붙였다.