[워터저널] “전기투석 이용한 담수화 정화 시스템” 개발

에너지 낮고, 비용 저렴하고, 지역사회에 유용한 식수를 정화하는 방법

일리노이즈대 벡맨연구소 샤오수·김나영·요하네스 엘버트 연구팀 공동연구

에너지 분야 국제학술지  『ACS에너지 레터스(ACS Energy Letters)』 최근호에 실려

화학자들에 따르면 깨끗한 물의 미래는 전기화되어 있다고 한다. 지구 표면의 3분의 2는 물질로 넘쳐나지만 물, 특히 깨끗하고 마실 수 있는 물은 수십억 명의 사람들이 접근할 수 없다.

미국 일리노이즈 대학교(University of Illinois)의 벡맨고등과학기술연구소(Beckman Institute for Advanced Science and Technology)의 샤오수(Xiao Su), 김나영(Nayeong Kim), 요하네스 엘버트(Johannes Elbert, 왼쪽부터)는 전기투석 버전을 이용한 담수화 정화시스템을 개발했다.  [사진출처(Photo source) = 벡맨연구소(Beckman Institute)]

미국 일리노이즈 대학교(University of Illinois)의 벡맨고등과학기술연구소(Beckman Institute for Advanced Science and Technology)의 연구원들에 의해 개발된 새로운 정화 시스템은 소금과 다른 불필요한 입자들을 휴대용 제품에서 분리하기 위해 전기투석 버전(electrified version of dialysis)을 사용한다. 계획된 강과 바다로의 확장으로 하·폐수에 성공적으로 적용된 이 방법은 비용을 절약하고 에너지를 90% 적게 소비한다.

이 연구 논문은 에너지 분야 국제학술지인 『ACS에너지 레터스(ACS Energy Letters)』 최근호에 실렸다. 

만약 물에서 소금을 제거하는 것이 태평양 위의 거대한 자석을 흔들거나 초미세 체를 통해 액체를 체로 걸러내는 것만큼 간단하다면. 변덕스러운 광물이 용해되면 분리 과정, 즉 과학계에서 명명된 담수화는 더 비싸지고 더 많은 에너지를 사용하게 된다.

담수화는 불순물과 유기물(여과하지 않은 바닷물에 떠 있는 작은 알갱이)로 인해 더욱 복잡해지고, 이를 제거하면 에너지와 예산이 팽창한다.

일리노이 대학 어바나-샴페인(University of Illinois Urbana-Champaign)의 화학 및 생체 분자 공학 조교수이자 벡맨고등과학기술연구소(Beckman Institute for Advanced Science and Technology)의 연구원인 샤오 수(Xiao Su)는 “우리는 에너지가 낮고, 저렴하고, 그것을 가장 필요로 하는 지역 사회에 유용한 식수를 정화하는 방법이 필요하다”라면서 “나는 우리의 솔루션이 에너지와 물의 위기를 모두 해결할 수 있는 플랫폼이라고 생각한다”라고 말했습니다.

벡맨고등과학기술연구소 연구원들이 정수를 위해 산화환원에서 영감을 받은 전기투석 방법을 완성하기 위해 만든 장치. [사진출처(Photo source) = 벡맨연구소(Beckman Institute)]

탈염수(De-salting water)는 일반적으로 나트륨(Na), 염화물, 유기물 및 다양한 원자성 저장장치와 같은 바람직하지 않은 요소를 분리하기 위해 여과 또는 증발을 필요로 한다. 예를 들어, 열은 이 효과를 잘 발휘한다. 간단한 주방 실험은 소금물을 끓이면 액체가 증발하고 소금은 고체의 짠 껍질로 남아 있다.

샤오 수(Xiao Su) 연구원과 그의 동료들은 전기투석(Electrodialysis)이라는 다른 접근 방식을 취했다. 우리 몸의 신장(kidney)과 마찬가지로 정맥(veins)에서 염분과 기타 독소를 제거하는 혈액 투석과 마찬가지로 전기투석은 하·폐수에서 염분과 유기물을 제거하여 깨끗하고 마실 수 있는 제품을 생산한다.

전기투석은 효과적인 담수화 도구이지만 종종 높은 에너지 비용이 든다. 이것은 주로 물 분자를 양전하를 띤 양성자와 음전하를 띤 수산화물(OH-)의 두 가지 구성 요소로 분리하는 대표적인 물 분해 반응 때문이다. 

소금의 구성 요소에는 자체 전하가 있기 때문에 물을 쪼개면 광물이 반대 전하를 띤 불꽃으로 이동하거나 금속 조각이 자석으로 이동하는 것처럼 지정된 방향으로 광물이 이동한다.

그러나 전기투석은 자석 대신 이온(양전하 또는 음전하를 띤 원자)만 통과할 수 있는 하전 이온 교환막을 사용한다. 이온 교환막은 부지런한 유지 관리와 빈번한 교체가 필요하기 때문에 전기 투석에서 가장 비용이 많이 드는 구성 요소 중 하나이다.

샤오 수(Xiao Su)와 그의 동료들은 전기 투석의 에너지 비용이나 이온 교환막의 재정적 부담 없이 물을 정화하고자 했다. 그래서 그들은 두 가지 주요 방식으로 전통적인 접근 방식을 수정했다.

에너지를 절약하기 위해 연구원들은 산화환원반응(redox reaction)이라는 화학현상으로 염분 분리 과정을 간소화했다. 산화환원이라는 단어는 환원(화학에서 전자를 추가하여 음전하를 생성하는 것을 설명함)과 산화(양전하를 생성하기 위해 전자를 빼는 것을 의미)라는 단어의 합성어이다. 물리적으로 산화환원반응을 유발하는 것은 하·폐수가 여과되고 정제되기 전에 특수 폴리머 기반 물질을 하·폐수에 추가하는 것과 같다.

화학적으로, 결과는 변형적이다. 물 분자를 양전하와 음전하의 슬라이스로 분할하여 소금을 달래는 대신, 산화 환원 반응은 한 번에 전체 물 분자의 전하를 변화시켜 기존의 물 분할보다 약 90% 적은 에너지로 동일한 정도의 짠 분리를 달성한다.

에너지 효율성에 경제적인 절감 효과를 더하기 위해 연구원들은 기존의 이온 교환막(ion-exchange membrane)을 보다 강력하고 저렴한 옵션인 나노여과막(nanofiltration membrane)으로 교체했다.

지역 수처리 플랜트에서의 실험은 연구원의 방법이 성공적으로 하·폐수를 정화할 수 있음을 보여주었다. 향후 계획에는 지하수 및 강과 같은 염수 및 기수(brackish water) 수원으로의 확장이 포함된다.

이번 연구논문의 제1저자인 일리노이 대학 어바나-샴페인(University of Illinois Urbana-Champaign)의 화학 및 생체분자공학과 박사과정 학생인 김나영씨(한국인)가 전기투석 버전을 이용한 담수화 정화 방법을 실험하고 있다. [사진출처(Photo source) = 벡맨연구소(Beckman Institute)]

샤오 수(Xiao Su) 연구원은 “낮은 에너지 요구량으로 인해 산화 환원(redox)에서 영감을 받은 전기투석은 태양광 패널과 잘 어울리도록 설계되었다. 더운 기후에서의 긍정적인 성능은 ‘저비용, 저에너지 담수화가 매우 필요한’ 기후 영향을 받는 지역의 응용 프로그램에 유용하다”고 강조했다.

그는 이어 “물 부족은 전 세계적인 문제이며 하루아침에 바뀌지는 않을 것다. 그러나 우리는 실현 가능하고 규모를 확장할 수 있는 해결책을 향해 한 걸음 더 나아가고 있다”라고 덧붙였다.

지금까지 연구원들은 그들의 방법을 여러 리터의 샘플로 실험했다. 하지만 그들은 더 큰 연못으로 확장하기를 열망한다.

샤오 수(Xiao Su) 연구원은 “우리는 올바른 폴리머, 올바른 멤브레인, 올바른 조건을 가지고 있다”라면서 “과학이 존재하므로 다음 단계는 실제 수처리를 위해 이러한 장치를 배치하기 위한 길을 닦는 것으로, 나는 그 시기가 적절하다고 믿으며 그것이 실현되는 것을 보게 되어 기쁘다”라고 말했다.