February 23,2019

물 회수율 100%, 새 담수화기술 개발

건조지역 물 공급과 고농도 염수 처리 가능

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고도로 농축된 염 용액에서 거의 100% 가까운 물을 회수할 수 있는 새로운 방법이 개발됐다.

이에 따라 이 시스템이 실용화되면 건조한 지역의 물 부족 사태를 완화하고, 파쇄 폐기물 같은 높은 염도의 염수 처리도 수월하게 될 전망이다.

미국 캘리포니아 리버사이드대(UCR) 공대 데이비드 재스비(David Jassby) 조교수(화학 및 환경공학) 팀이 수행한 이번 연구는 막 증류 공정에서 담수 회수율을 크게 향상시키는 탄소나노튜브 기반 발열체 개발을 포함하고 있다.

이 연구는 과학저널 ‘네이처 나노기술’( Nature Nanotechnology ) 최근호에 발표됐다.

최근 미국 캘리포니아 리버사이드대(UCR) 공학자들이 개발한 염수에서 담수를 회수하는 새 기술은 건조지역의 물 부족을 해결하는데 도움을 줄 것으로 기대된다.  Credit: ISTOCK

최근 미국 캘리포니아 리버사이드대(UCR) 공학자들이 개발한 염수에서 담수를 회수하는 새 기술은 건조지역의 물 부족을 해결하는데 도움을 줄 것으로 기대된다. Credit: ISTOCK

기존 막 증류방식, 탄소나노튜브 막으로 개선

흔히 쓰이는 역삼투 정수방식은 바닷물이나 폐수 및 염수에서 소금을 제거하는 가장 일반적인 방법이지만 고도로 농축된 소금 용액을 제대로 처리하지는 못 한다. 염수(brines)로 일컬어지는 이 소금 용액은 폐기물을 역삼투 방식으로 처리하고 수력으로 파쇄하면서 대량 생산되나, 환경 피해를 막기 위해 적절하게 처분하는 것이 과제다.

수력으로 파쇄할 경우 생산된 물이 종종 지하수 우물에서 처리되지만, 일부 연구에 따르면 이러한 관행으로 인해 지역 지진이 증가할 수 있다는 것이다.

염수를 처리하는 한 가지 방법은 막(membrane) 증류다. 이 기술은 열이 막을 가로질러 수증기를 끌어내는 열 담수화기술로서 소금이 남아있는 동안 더 많은 물이 회수되도록 하는 방식이다. 그러나 뜨거운 염수는 부식성이 높아 전통적인 막 증류 시스템의 열 교환기와 다른 부품들은 가격이 비쌌다.

전통적인 막(membrane) 증류 시스템에 사용되는 뜨거운 염수는 부식성이 높기 때문에 열 교환기 및 기타 시스템 요소가 비싸고 물 회수가 제한적이다(a). 이를 개선하기 위해 UCR 연구진은 막 표면의 염수만을 가열하는 자가 발열형 탄소 나노튜브 기반의 막을 개발했다(b). 여기에서 다공성 탄소 나노튜브 층은 줄(joule) 히터 역할을 한다(c). Credit : Jassby Lab / UCR

전통적인 막(membrane) 증류 시스템에 사용되는 뜨거운 염수는 부식성이 높기 때문에 열 교환기 및 기타 시스템 요소가 비싸고 물 회수가 제한적이다(a). 이를 개선하기 위해 UCR 연구진은 막 표면의 염수만을 가열하는 자가 발열형 탄소 나노튜브 기반의 막을 개발했다(b). 여기에서 다공성 탄소 나노튜브 층은 줄(joule) 히터 역할을 한다(c). Credit : Jassby Lab / UCR

물 회수율 기존 6%에서 100% 가까이 올려

더욱이 이 공정은 물의 열 용량에 의존하기 때문에 단일 통과 회수가 10% 미만으로 매우 낮아 복잡한 열 관리가 필요했다.

재스비 교수는 “이상적인 시나리오에서 열 담수화는 염수에서 모든 물을 회수하고, 재사용하거나 폐기하는 소량의 고체 결정 소금만 남기게 된다”며, “안타깝게도 현재의 막 증류 공정은 막을 통해 뜨거운 염수를 공급하고 물을 6%밖에 회수하지 못 한다”고 말했다.

연구팀은 이를 개선하기 위해 막 표면의 염수만을 가열하는 자체 가열형 탄소나노튜브 기반의 막을 개발했다. 새로운 시스템은 공정에서 요구되는 열을 줄이고 물 회수율을 100% 가까이 높였다.

연구를 수행한 미국 캘리포니아 리버사이드대 데이비드 재스비 조교수. Credit : UCR

연구를 수행한 미국 캘리포니아 리버사이드대 데이비드 재스비 조교수. Credit : UCR

나노튜브 발열체 분야에 새로운 통찰력 제공

연구팀은 담수화 성능을 크게 높이는 한편, 막 가열 전극판에 교류 전류를 흘려보내면 염분 환경에서 탄소나노튜브가 분해되는 것을 막을 수 있는지 조사했다. 이 조사를 토대로 연구팀은 특히 나노튜브의 전기화학적 산화가 방지되는 임계 주파수 확인에 성공함으로써 성능 저하 없이 상당한 시간 동안 나노튜브 필름을 작동시킬 수 있었다.

이같은 연구 결과는 나노튜브의 전기화학적 안정성이 중시되는 다른 응용분야에서 탄소나노튜브 기반의 발열체를 사용할 수 있는 통찰력을 제공해 준다.

이번 연구에는 재스비 교수 외에 지난해 재스비 교수 연구실에서 박사 학위를 받은 알렉산더 두첸코( Alexander Dudchenko) 박사가 논문 제1저자로 참여했다.

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