지금까지 모두가 역삼투에 대해 잘못 알고 있었습니다

맥스 G. 레비

Menachem Elimelech는 역삼투압을 결코 화해하지 못했습니다. Yale의 환경 공학 프로그램을 창설한 Elimelech는 바닷물이나 폐수를 깨끗한 식수로 바꾸는 여과 시스템을 개발하는 사람들 사이에서 록스타입니다. 그리고 역삼투압은 필터 기술 중 가장 중요한 역할을 합니다. 역삼투압은 약 25년 동안 세계가 해수를 담수화하는 방법을 지배해 왔습니다. 그러나 그것이 어떻게 작동하는지 실제로 아는 사람은 아무도 없었습니다. 그리고 엘리멜렉은 그것을 싫어했습니다.

그럼에도 불구하고 그는 학생들에게 기술을 가르쳐야 했습니다. 수년 동안 그는 플라스틱 폴리아미드 멤브레인을 통해 바닷물의 물 분자를 밀어내는 고압을 추정하는 방법을 보여주었습니다. 필름의 한 면에는 순수한 물이 생성되고 다른 면에는 염도가 높은 소금물이 남게 됩니다. 그러나 이러한 계산은 Elimelech와 다른 엔지니어들이 잔소리했던 가정, 즉 물 분자가 막을 통해 개별적으로 확산된다는 가정에 의존했습니다. "이것은 항상 나를 괴롭혔습니다. 그것은 말이 되지 않습니다"라고 그는 말합니다.

이것은 난해한 공학적 질문처럼 보일 수도 있지만 Elimelech의 역삼투압 쇠고기는 실제 문제를 기반으로 합니다. 30억 명이 넘는 사람들이 물이 부족한 지역에 살고 있습니다. 2030년에는 수요가 공급을 40% 초과할 것으로 예상됩니다.

그리고 짠 바다의 물을 마실 수 있는 물로 바꾸는 일은 항상 에너지 집약적이었습니다. 에너지가 풍부한 멕시코만 지역의 오래된 열담수화 플랜트는 바닷물을 끓여서 증기를 포착하여 증류합니다. 일련의 플라스틱 막을 통해 물을 흐르게 하는 최신 세대의 역삼투 담수화 플랜트는 에너지 수요를 약간 줄였으나 충분하지 않습니다. 촘촘한 필터를 통해 물을 밀어내는 데는 여전히 많은 전력이 필요하므로 멤브레인 설계를 조금만 개선해도 큰 효과를 볼 수 있습니다.

4월에 발표된 연구에서 Elimelech 팀은 물이 막을 통해 어떻게 이동하는지에 대한 한때 실망스러웠던 가정이 실제로 잘못되었음을 입증했습니다. 그들은 이를 물 분자가 폴리머 내의 작고 일시적인 기공을 통해 클러스터로 이동하여 통과할 때 마찰을 가한다는 "용액-마찰" 이론으로 대체했습니다. 마찰의 물리학은 중요합니다. 이를 이해하면 사람들이 바람직하지 않은 화학물질을 걸러내는 데 더 효율적이거나 더 나은 담수화를 수행하는 막 재료나 구조를 설계하는 데 도움이 될 수 있기 때문이라고 Elimelech는 말합니다.

보다 효과적인 막은 도시 수자원 시스템을 개선하고 담수화 범위를 확대할 수도 있습니다. 교수가 되기 전에 15년 동안 담수화 플랜트를 설계한 센트럴 플로리다 대학교의 환경 엔지니어인 Steve Duranceau는 "이것은 중요한 혁신 중 하나입니다."라고 말합니다. "이것은 사람들이 모델링을 시작하고 이러한 시스템을 설계하는 방법을 해석하는 방식을 바꿀 것입니다."

로렌 구드

줄리안 초카투

윌 나이트

20년 전 Elimelech 밑에서 교육을 받았지만 이번 연구에는 참여하지 않은 UCLA의 환경 엔지니어인 Eric Hoek도 "그들은 성공했습니다."라고 동의합니다. "드디어 누군가가 관에 못을 박았습니다."

새로운 해결-마찰 아이디어의 뿌리는 실제로 오래되었습니다. 그 뒤에 있는 분자 수학은 1950년대와 1960년대로 거슬러 올라갑니다. 당시 이스라엘 연구원 Ora Kedem과 Aharon Katzir-Kachalsky, UC Berkeley 연구원 Kurt Samuel Spiegler는 마찰을 고려한 담수화 방정식을 도출했습니다. 이는 플라스틱 막의 물, 염분 및 기공이 어떻게 작용하는지를 의미합니다. 서로 상호 작용합니다.

마찰은 저항입니다. 이 경우, 이는 막을 통과하는 것이 얼마나 어려운지 알려줍니다. 물에 대한 저항력이 덜하고 염분이나 기타 제거하려는 물질에 대한 저항력이 더 높은 멤브레인을 설계하면 잠재적으로 더 적은 작업으로 더 깨끗한 제품을 얻을 수 있습니다.

그러나 그 모델은 1965년에 다른 그룹이 더 간단한 모델을 도입하면서 보류되었습니다. 이것은 막의 플라스틱 중합체가 조밀하고 물이 흐를 수 있는 기공이 없다고 가정했습니다. 또한 마찰이 중요한 역할을 한다고도 주장하지 않았습니다. 대신, 바닷물 용액의 물 분자가 플라스틱에 용해되어 반대편으로 확산될 것이라고 추정했습니다. 이러한 이유로 이를 "용해-확산" 모델이라고 합니다.