[폴리스TV] 영국 3개 대학 연구팀, 해수담수화 과정서 폴리아미드(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

 

영국의 임페리얼 칼리지 런던의 연구원들이 이끄는 연구팀은 물분자가 밀폐된 공간에서 어떻게 움직이는지 조사했는데, 이 경우 신선한 물을 생산하기 위해 바닷물에서 소금을 제거하는 데 사용되는 폴리아미드 막을 통해 물분자가 움직이는지를 조사했다.

‘역삼투 폴리아미드 막에서의 다모달 밀폐수 역학에 대한 연구는 농업과 에너지 시스템을 포함한 산업 공정에 사용되는 식수와 물에 중요한 정수 및 담수화 과정에 상당한 영향을 미칠 수 있다.

임페리얼 칼리지 런던의 주앙 카브랄 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 그르노블에 있는 라우에-랑주뱅 연구소의 전문가들과의 연구를 통해서만 달성 가능하다고 언급했다.

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.

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 연구팀은 “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.

런던 유니버시티 칼리지와 런던 퀸메리 대학교의 연구진도 포함된 이 연구는 폴리아미드 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'은 학술지 네이처 커뮤니케이션에 게재됐다.