[영국] 해수담수화 과정서 PA 막 통해 물분자 움직임 최초 연구

처음으로 분자 수준에서 담수화 과정 동안 물이 여과막 통과 방법 보여줘

임페리얼 칼리지 런던·런던 유니버시티 칼리지·런던 퀸메리대 연구팀 공동연구

 학술지 『네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)』에 게재

영국의 임페리얼 칼리지 런던의 연구원들이 이끄는 연구팀은 신선한 물을 생산하기 위해 바닷물에서 소금을 제거하는 데 사용되는 폴리아미드(PA) 막을 통해 물분자가 움직이는지를 조사했다. 사진은 바닷물을 깨끗한 식수로 바꾸기 위해 담수화에 사용되는 역삼투 시스템.

 

영국의 임페리얼 칼리지 런던(Imperial College London)의 연구원들이 이끄는 연구팀은 물분자가 밀폐된 공간에서 어떻게 움직이는지 조사했는데, 이 경우 신선한 물을 생산하기 위해 바닷물에서 소금을 제거하는 데 사용되는 폴리아미드(polyamide ; PA) 막(membrane)을 통해 물분자가 움직이는지를 조사했다.

‘역삼투 폴리아미드 막에서의 다모달 밀폐수 역학(Multimodal confined water dynamics in reverse osmosis polyamide membranes)’에 대한 연구는 농업과 에너지 시스템을 포함한 산업 공정에 사용되는 식수와 물에 중요한 정수 및 담수화 과정에 상당한 영향을 미칠 수 있다.

논문의 주 저자인 임페리얼 칼리지 런던의 주앙 카브랄(Joao Cabral) 화학공학부 교수. [사진출처(Photo source) = 임페리얼 칼리지 런던]

 

이전에는 물이 유리잔에 보관되어 있을 때와 같이 물이 갇히지 않았을 때와 유사한 방식으로 멤브레인 내에서 물이 거동한다고 생각되었지만, 이 연구의 주요저자인 임페리얼 칼리지 런던(Imperial College London)의 주앙 카브랄(Joao Cabral) 화학공학부 교수에게는 이것이 불가능해 보였다.

카브랄 교수는 “분자 자체의 크기보다 약간 더 큰 공간에 국한된 분자가 방해받지 않는 것처럼 움직인다는 것은 나에게 불합리하게 들렸다”고 말했다.

연구팀은 원자로에서 ‘준탄성 및 비탄성 중성자 산란(quasi-elastic and inelastic neutron scattering)’이라는 실험 기법을 사용해 물의 분자운동 기하학을 측정하고 물이 막 물질을 통해 얼마나 빠르게 확산되는지를 다중 확산 계수를 알아냈다.

이를 통해 그들은 중성자와 샘플 사이의 상호작용을 측정하여 물 분자의 특성을 해석함으로써 분자 수준에서 무슨 일이 일어나고 있는지를 이해할 수 있었다.

카브랄 교수는 이러한 유형의 복잡한 실험은 국제적인 협력을 통해서만, 이 경우 프랑스 그르노블(Grenoble)에 있는 라우에-랑주뱅(Laue-Langevin) 연구소의 전문가들과의 연구를 통해서만 달성 가능하다고 언급했다.

차세대 막 설계(Designing the next generation of membranes)

이 연구의 의의는 담수화와 정수용 차세대 막을 설계하고 있는 엔지니어들이 정밀한 측정으로 작업을 고정시킬 수 있도록 한다는 것이다.

카브랄 교수는 “사람들은 새로운 재료를 디자인하려고 노력하고 있고, 그것은 시행착오를 통해 이루어질 수 있기 때문에, 엔지니어들은 그들이 우수한 특성을 얻을 때까지 다른 재료들을 결합하려고 노력할 것이다”라고 말했다.

 

건조 및 수화된 PA(폴리아미드) 막의 평균 제곱 변위 및 IFWS. [사진출처(Photo source) = 임페리얼 칼리지 런던]

 

그는 이어 “현재 대규모 산업용 담수화 막은 1970년대 개발된 막에 기반해 여전히 크기 때문에 이런 경험적 방법은 거의 그대로 진행돼 왔다”라면서 “이 분야는 새로운 일이 일어나야 하는 지점에 도달했다”라고 강조했다.

새로운 재료를 설계하는 한 가지 방법은 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하는 것이지만, 이러한 시뮬레이터는 이전에 작업을 고정하기 위해 엄격한 실험 측정에 액세스할 수 없었다.

임페리얼 칼리지 런던의 화학공학부 연구원은 “우리의 연구는 이제 새로운 물질을 구상하고자 하는 모든 사람이 물이 막을 가로질러 얼마나 빨리 이동할 수 있는지, 그리고 물이 이 플라스틱 시트를 가로질러 어떤 메커니즘으로 이동할 수 있는지에 대한 매우 정확한 값으로 그들의 연구를 고정시키고 검증할 수 있게 한다”고 덧붙였다.

 

QENS(준탄성 중성자 산란) 데이터 및 건식 PA 완화도. [사진출처(Photo source) = 임페리얼 칼리지 런던]

 

런던 유니버시티 칼리지(University College London)와 런던 퀸메리 대학교(Queen Mary University of London)의 연구진도 포함된 이 연구는 폴리아미드(PA) 막을 사용하여 수행되었으므로, 다음 단계는 다른 막의 물 분자의 행동을 조사하는 것이다.

카브랄 교수는 “연구팀이 다양한 수준의 압력을 받거나 다양한 유형의 염이 물에서 제거될 때와 같은 다른 시나리오에서 물 분자가 어떻게 행동하는지 살펴보고 싶다”고 말했다.

‘역삼투 폴리아미드 막에서의 다모달 밀폐수 역학(Multimodal confined water dynamics in reverse osmosis polyamide membranes)’은 학술지 『네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)』(https://www.nature.com/articles/s41467-022-30555-6#Fig2)에 게재되었다.

[원문보기]

Desalination study could help engineers produce clean water more efficiently

Scientists have shown how water passes through a filtration membrane during the process of desalination at a molecular level for the first time.

A team led by researchers from Imperial College London investigated how water molecules move in a confined space - in this case through a polyamide (PA) membrane that is used to remove salt from seawater to produce fresh water.

The study could have a significant impact on the processes of water purification and desalination, which are important for drinking water and water used for industrial processes, including in agriculture and energy systems.

It had previously been thought that water behaves within membranes in a similar way to how it behaves when it is not trapped, such as when water is kept in a glass, but this seemed unlikely to Professor Joao Cabral, lead author of the study, from Imperial’s Department of Chemical Engineering.

Professor Cabral said: “That just sounded unreasonable to me - that a molecule confined to spaces only slightly larger than the size of the molecules themselves would move as if it was unencumbered.”

The research team used an experimental technique called quasi-elastic and inelastic neutron scattering in a nuclear reactor to measure the geometry of the molecular motions of the water and work out multiple diffusion coefficients - how fast the water was diffusing through the membrane material.

This allowed them to understand what was happening at the molecular level, with researchers measuring the interactions between neutrons and a sample to interpret properties of the water molecules.

Professor Cabral noted that these types of complex experiments are only achievable through international collaboration, in this case through work with experts from the Institut Laue-Langevin in Grenoble, France.

Designing the next generation of membranes

 

The significance of the study is that it will allow engineers who are designing the next generation of membranes for desalination and water purification to anchor their work with precise measurements.

Professor Cabral said: “People are trying to design new materials and the way to do that can be through trial and error, so engineers will try to combine different materials until they obtain superior properties.

“That empirical way has pretty much had its course, because the current membranes for large scale, industrial desalination are still by and large based on those developed back in the 1970s.

“The field has reached a point where something new has to happen.”

One way of designing new materials is to use computer simulations, but these simulators have previously not been able to access rigorous experimental measurements to anchor their work.

The Imperial researcher added: “Our study now allows anyone who wants to dream up new materials to anchor and validate their work with these very precise values for how fast water is able to move across the membrane and with what mechanisms water can move across this plastic sheet.”

The study, which also included researchers from University College London and Queen Mary University of London, was conducted using a polyamide (PA) membrane, so the next step for the research would be to examine the behaviour of water molecules in other membranes.

Professor Cabral said that the research team would also like to look at how the water molecules behave in other scenarios, such as when put under different levels of pressure or when different types of salts are removed from the water.

‘Multimodal confined water dynamics in reverse osmosis polyamide membranes’ by Fabrizia Foglia et al. is published in Nature Communications.

[출처=임페리얼칼리지런던(https://www.imperial.ac.uk/news/236755/desalination-study-could-help-engineers-produce/)/ 2022년 5월 26일자 보고서]