태양광 전기로 여과막 없이 물속 미세플라스틱·세균 없앤다

하이커뮤니티매니져 0 2 04:49

왼쪽부터 임근배 포스텍 기계공학과 교수, 최운재 박사과정생. 포스텍 제공

국내 연구팀이 태양광으로 생산된 전기만으로 오염된 물을 정화해 안전한 식수를 만드는 다공성 구조체 기반의 정수 기술을 개발했다. 기존 막 여과 방식의 정수 시스템보다 비용이 적게 들고 과정이 단순해 수질오염이 심각한 지역의 식수 문제를 해결할 것으로 기대된다.

포스텍은 임근배 기계공학과 교수, 최운재 박사과정생 연구팀이 태양광과 전기로 미세플라스틱 등 나노입자와 유기염료, 대장균 같은 세균을 효과적으로 제거할 수 있는 여과 플랫폼을 개발했다고 11일 밝혔다. 연구결과는 지난달 14일(현지시간) 국제학술지 '어드밴스드 사이언스'에 공개됐다.

전세계 인구 4분의 1은 아직도 심각한 물 부족을 겪고 있다. 기존 정수 공정은 응집, 침전, 여과, 소독, 담수화 등 다단계로 이뤄져 자원이 제한적인 지역에서는 정수 시스템을 설치해 활용하기가 까다로웠다.

불순물이나 유해 물질 등을 여과하는 '막(membrane)'을 이용한 정수 시스템이 주로 개발되고 있다. 고압 펌프를 포함한 복잡한 장비가 필요하고 전력 소요가 많다는 점이 한계로 지목된다. 정수를 반복하면 여과막이 막혀 효율이 떨어지는 것도 해결 과제다.

연구팀은 여과막과 복잡한 장비나 고압 펌프 없이 물을 정화할 수 있는 전기 기반 정수 시스템을 제안했다. 나노전기수력학적 여과(nanoelectrokinetic filtration) 원리를 활용해 물속의 미세입자를 전기적으로 밀어내 거르는 방식이다.

여과에 활용되는 구조체는 셀룰로오스 스펀지와 면섬유로 만든 친환경 다공성 구조체에 이온 교환 수지와 나피온을 코팅한 형태다. 이온교환수지는 용액의 이온성 불순물을 다른 이온으로 교환해 제거하는 고분자 물질이고 나피온은 양(+)전하를 띤 이온만 투과시키는 고분자다.

태양광 패널로 생성된 전력만으로 초미세입자를 제거하는 시스템 모식도. 포스텍 제공

물이 통과할 때 구조체 내부에 전기장이 집중되면서 눈에 보이지 않는 그물처럼 작용한다. 미세플라스틱이나 세균처럼 음전하를 띤 미세 입자를 효과적으로 밀어낸다는 설명이다.

기존 나노여과(Nanofiltration)나 한외여과(Ultrafiltration) 시스템은 수십~수백 킬로파스칼(㎪, 압력의 단위)의 고압 펌프가 필요하지만 개발된 시스템은 1㎪ 이하의 낮은 압력만으로도 작동한다. 10나노미터(nm, 1nm는 10억분의 1m) 이하의 초미세 입자까지 99% 이상 제거하며 1제곱미터(㎡)에서 시간단 400리터(L) 이상의 물을 처리할 수 있다.

구조체 제작에 복잡한 미세 가공이나 고도의 공정 기술이 필요 없다는 점이 큰 장점이다. 단순한 세척만으로도 성능이 회복돼 20회 이상 재사용이 가능하고 외부 전원 없이 태양광 충전 배터리만으로 전력이 충당돼 유지비용도 거의 들지 않는다는 설명이다.

임 교수는 "실험실 수준에 머물렀던 나노전기수력학 현상을 실제 시스템으로 확장하는 데 성공했다"며 "태양광 기반의 단순하고 효율적인 정수 기술로 물 부족 지역의 식수 문제 해결에 큰 도움이 될 것"이라고 밝혔다.

이어 "식수를 정화하는 것뿐 아니라 바이오의약품 생산 과정에서의 입자 분리, 반도체 공정용 초순수 생산 등 초미세 오염 제어가 필요한 산업 전반에도 실질적인 해결책을 제시할 수 있을 것"이라고 말했다.

https://m.dongascience.com/news.php?idx=75018

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