소금물을 어떻게 더 잘 청소할 수 있나요? 담수화 도구를 건조한 상태로 유지합니다.

USC 연구원들은 친환경 또는 저에너지 투자를 사용하여 염도가 높은 하천의 담수화를 허용하는 막 설계에 대한 이해를 심화했습니다.

사진/PEXELS, 안나 네크라셰비치.

시애틀에서 성장한 Allyson McGaughey, USC Viterbi School of Engineering Ph.D. '21년에는 가뭄이라는 일상적인 현실을 접한 적이 없었습니다. 그러나 점점 더 덥고 건조한 로스앤젤레스 사막에서는 물 부족 현상이 드러나 대체 물 ​​솔루션을 찾는 것이 시급해졌습니다.

Journal of Membrane Science에 발표된 연구에서 McGaughey는 USC Viterbi Gabilan 석좌 교수인 Amy Childress와 협력하여 막 증류를 사용하여 수처리 시설의 폐수 처리와 같은 정수 공정을 설계하는 최선의 방법에 대한 새로운 통찰력을 밝혔습니다. (MD). MD는 얇고 건조한 다공성 막을 이용해 물과 소금을 분리하는 공정이다. 적당한 온도 차이로 인해 물이 한쪽에서 다른 쪽으로 이동합니다.

이것을 더 잘 이해하려면 스파게티 여과기를 생각해보세요. 하지만 구멍이 훨씬 더 작습니다. 스트레이너를 통해 쏟아진 물 흐름은 스트레이너의 구멍(막의 기공과 같은)을 통과하기에는 너무 큰 물 속의 특정 물질을 "청소"하여 스트레이너의 반대쪽에 "깨끗한" 흐름을 남깁니다. 하지만 파스타 물에 녹아 있는 소금처럼 그 구멍보다 작은 것은 여전히 ​​통과할 수 있습니다. 더욱 정화하기 위해 증기만 모을 수도 있고, 순수한 수증기도 모을 수도 있다면 어떨까요? 이제 액체 물이 아닌 증기만 구멍을 통과하도록 허용하는 여과기를 상상해 보십시오. 그러면 용해된 염분도 통과할 수 없습니다. MD는 이를 수행하는 매우 소수성(물을 두려워하는) 막을 사용하여 오염된 하천에서 순수하고 담수화된 물을 추출하는 데 사용할 수 있습니다.

막의 한쪽에는 따뜻한 고염분수 흐름이 있고 다른 쪽에는 시원하고 순수한 물 흐름이 있습니다. 따뜻해진 물은 증발하여 염분만 남기고 증기를 형성하며, 막 반대편의 차가운 물 흐름과 만나면 증류액 형태로 변합니다. 이미지/ALLYSON MCGAUGHEY.

연구진은 막 증류의 성공 여부는 막에 축적되는 수분을 줄이거나 제거할 수 있는 막 설계에 크게 좌우된다고 말했습니다. 막이 젖게 되면 막의 효능이 상실되어 처리된 물의 품질이 저하될 수 있다고 연구진은 말했습니다. 이를 위해 현재 프린스턴 대학의 박사후 연구원인 McGaughey는 멤브레인이 과도하게 젖지 않도록 설계하는 최선의 방법을 연구했으며, 물을 성공적으로 처리하여 염분과 오염 물질을 제거하고 고품질 또는 순수한 유출을 생성했습니다.

McGaughey는 그들의 주요 연구 결과 중 막 기공 크기를 줄이거나 막 자체의 두께를 늘리면 내수성을 높이고 정제수 흐름의 오염을 지연하거나 방지할 수 있다는 점을 밝혔습니다.

멤브레인은 일반적으로 0.1~0.5 마이크로미터 크기의 작은 기공을 가진 소수성 또는 방수 합성 물질로 만들어집니다. McGaughey는 염도가 높은 물 흐름의 경우 다른 공정(예: 역삼투압 공정)이 일반적으로 막 증류보다 에너지 효율적이지만 이러한 보다 일반적인 공정에서는 물 분자가 막을 통과하도록 하기 위해 엄청난 양의 압력이 필요하다고 말했습니다. . 따라서 염도가 매우 높은 하천을 처리하는 데 실용성이 떨어집니다.

이와 대조적으로 막 증류를 사용하면 역삼투압보다 염도가 높은 물을 더 효율적으로 정화할 수 있으며, 과학자들은 전통적인 수처리 공정으로는 효율적으로 청소할 수 없기 때문에 일반적으로 폐기되는 염도가 높은 폐수를 정화할 수 있습니다.

McGaughey는 문제는 폐수를 여과하는 막이 지나치게 젖을 수 있다는 것이라고 말했습니다. "역삼투에서는 물 분자만 통과할 수 있도록 비다공성인 조밀한 막을 사용하지만, 막 증류에서는 막이 젖으면 오염될 수 있는 구멍이 있습니다."라고 그녀는 말했습니다.