美MIT연구팀, 필터나 고압 펌프 없이 맑고 깨끗한 식수를 생산하는 휴대용 담수화 장치 개발

美MIT연구팀, 필터나 고압 펌프 없이 맑고 깨끗한 식수를 생산하는 휴대용 담수화 장치 개발
버튼 하나로 바닷물에서 식수로

美MIT연구팀이 개발한 휴대용 담수화 장치의 무게는 10kg 미만으로, 작동하는데 휴대전화 충전기보다 더 적은 전력을 필요로 하며, 소형 휴대용 태양전지판으로도 작동할 수 있다. 

이 기술은 버튼 하나로 세계보건기구의 품질기준을 초과한 음용수를 자동으로 생산할 수 있어 사용이 아주 간편하여 주목받고 있다.

물이 필터를 통과해야 하는 다른 휴대용 담수화 장치와 달리 이 장치는 전력을 사용하여 음용수에서 입자를 제거한다. 필터를 교체할 필요가 없으므로 장기적인 유지 관리 요구 사항이 크게 줄어든다는 이점이 있다.

이를 통해 작은 섬이나 해상 화물선과 같이 멀리 떨어져 있거나 자원이 매우 제한된 지역에 이 장치를 사용할 수 있다. 또한 자연재해를 피해 탈출한 난민을 돕거나 장기 군사 작전을 수행하는 군인들에게도 유용하게 사용될 수 있다.

본 연구의 주요 저자인 한종윤 교수는 전기 공학·컴퓨터 과학·생물 공학과 교수이자 전자 연구 연구소의 회원이다. 

그는 ”저와 저희 연구팀이 걸어온 10년 간의 여정의 진정한 정점이다. 우리는 개별 담수화 프로세스의 이면에 있는 물리학에 대해 수년 동안 연구했지만 이러한 모든 발전을 상자에 넣고 시스템을 구축하고 바다에서 검증하는 것은 저에게 정말 의미 있고 보람 있는 경험이었다.“라고 전했다.

이 논문에는 RLE의 과학연구원 이자, 제1저자인 윤정현 연구원, 권혁진 전 박사후과정 연구원, 강성구 노스이스턴대 박사후과정 연구원, 미 육군 전투능력개발사령부의 에릭 브랙이 참여했다. 이번 연구는 『환경 과학과 기술』 온라인판에 게재됐다.

필터 없는 기술

시판되는 휴대용 담수화 장치는 일반적으로 필터를 통해 물을 밀어내기 위해 고압 펌프가 필요하며, 장치의 에너지 효율성을 손상시키지 않고 소형화하기가 매우 어렵다.

대신, 이번 개발한 휴대용 담수화 장치는 10년 전에 한 교수의 연구팀이 개발한 이온 농도 분극(ICP)라는 기술에 의존한다. ICP 프로세스는 물을 여과하는 대신 물 채널 위와 아래에 위치한 멤브레인에 전기장을 적용한다. 멤브레인은 염 분자, 박테리아 및 바이러스를 포함하여 양전하 또는 음전하를 띤 입자가 지나갈 때 밀어낸다. 하전된 입자는 결국 배출되는 두 번째 물 흐름으로 유입된다.

이 프로세스는 용해된 고체와 부유 물질을 모두 제거하여 깨끗한 물이 채널을 통과할 수 있도록 하며, 저압 펌프만 필요하기 때문에 ICP는 다른 기술보다 에너지를 적게 사용한다.

그러나 ICP가 항상 채널 중앙에 떠 있는 모든 염분을 제거하는 것은 아니다. 그래서 연구팀은 남아 있는 염 이온을 제거하기 위해 전기투석으로 알려진 두 번째 공정을 통합했다.

윤 연구원과 강 연구원은 기계 학습을 통해 ICP와 전기 투석 모듈의 이상적인 조합을 찾아냈다. 최적의 설정에는 2단계 ICP 프로세스가 포함되며, 첫 번째 단계에서는 6개의 모듈을 거쳐 두 번째 단계에서 3개의 모듈을 거쳐 단일 전기투석 프로세스가 뒤따른다. 이를 통해 에너지 사용을 최소화하면서 프로세스를 자동 청소 상태로 유지할 수 있다.

윤 연구원은 “일부 하전입자가 이온교환막에 포착될 수 있는 것은 사실이지만, 갇히게 되면 전장의 극성을 뒤집기만 하면 하전입자가 쉽게 제거될 수 있다"고 설명했다.

ICP 및 전기투석 모듈을 수축 및 적층하여 에너지 효율성을 개선하고 휴대용 장치 내부에 장착될 수 있도록 했다. 연구원들은 자동 담수화 및 정화 과정을 시작하는 버튼 하나만으로 비전문가를 위한 이 장치를 설계했다. 염도 수준과 입자 수가 특정 임계값으로 감소하면 장치가 사용자에게 물을 마실 수 있음을 알린다.

연구원들은 또한 장치를 무선으로 제어하고 전력 소비 및 수염도에 대한 실시간 데이터를 보고할 수 있는 스마트폰 앱도 만들었다.

해변 테스트

염분과 탁도(흐림) 수준이 다른 물을 사용하여 실험실에서 실험을 실행한 후, 보스턴의 카슨 비치(Carson Beach)에서 이 장치의 현장 테스트를 실행했다.

윤 연구원와 권 연구원은 상자를 해안가에 두고 급수관을 물 속에 던졌다. 약 30분 만에 장치는 플라스틱 컵에 깨끗하고 마실 수 있는 물을 채웠다.

한 교수는 “첫 실행에도 성공적이었고, 상당히 흥미롭고 놀라웠다. 하지만 우리가 성공할 수 있었던 주된 이유는 우리가 이 과정에서 이룩한 모든 작은 발전의 축적이라고 생각한다”라고 말했다.

결과물은 세계보건기구(WHO)의 수질기준을 초과했고, 이 단위는 부유물질의 양을 최소 10배 이상 줄였다. 그들의 프로토타입은 시간당 0.3리터의 속도로 식수를 생산하고 리터당 20와트의 전력만을 필요로 한다.

윤 연구원은 "현재, 우리는 그 생산율을 높이기 위해 연구를 추진하고 있다"라고  말했다.

휴대용 시스템을 설계할 때 가장 큰 어려움 중 하나는 누구나 사용할 수 있는 직관적인 장치를 설계하는 것이라고 한 교수는 말했다.

윤 연구원은 기술 상용화를 위해 출시할 계획인 스타트업을 통해 장치를 보다 사용하기 쉽게 만들고 에너지 효율성과 생산 속도를 개선하기를 바라고 있다.

이 실험실에서 한 교수는 지난 10년 동안 배운 교훈을 식수의 오염물질을 빠르게 감지하는 것과 같은 담수화를 넘어서는 수질 문제에 적용하기를 원한다며, "이것은 분명 흥미로운 프로젝트이고, 우리가 지금까지 이룬 진보가 자랑스럽지만, 여전히 해야 할 일이 많다"라고 전했다.

예를 들어, 뉴욕대 아부다비 물 연구센터의 공학과 교수로 재직 중인 니달 힐랄(Nidal Hilal) 본 연구에는 관여하지 않았지만 "전기막 공정을 사용한 휴대용 시스템의 개발은 독립형 소규모 담수화 분야에서 독창적이고 흥미로운 방향"인 반면, "특히 물의 탁도가 높은 경우 오염의 영향은 유지 관리 요구 사항과 에너지 비용을 크게 증가시킬 수 있다"라고 지적했다. 

또한 “또 다른 한계는 값비싼 재료를 사용하는 것이다. 저비용 재료가 있는 유사한 시스템을 보는 것은 흥미로울 것이다"라고 덧붙였다.

이 연구는 부분적으로 DEVCOM 솔져 센터, 압둘 라티프 자멜 물 및 식품 시스템 연구소, 노스이스트 대학의 실험 AI 포스트닥 펠로우십 프로그램, 루스 AI 연구소의 지원을 받았다.