CSU 과학자들이 정수 기술에 대한 주요 통찰력을 공개합니다

앤 매닝

왼쪽은 옴니포빅(omniphobic) 멤브레인을 나타내고 오른쪽은 물-공기 계면 영역(녹색 선)이 증가된 기존의 소수성 멤브레인을 나타냅니다. 크레딧: 코타랩

전 세계적으로 물 부족이 심각한 문제로 대두되면서 과학자와 엔지니어들은 해수나 폐수와 같은 비전통적인 공급원에서 정제수를 수확하는 새로운 방법을 추구하고 있습니다.

그러한 연구원 중 한 명인 Tiezheng Tong은 토목환경공학과 조교수로, 그의 연구실에서는 막 증류라는 새로운 기술을 연구하고 있습니다.

막 증류에는 "공급수"라고 불리는 더 뜨거운 불순한 액체와 "투과물"이라고 불리는 더 차가운 정제수 사이의 증기압 차이를 이용하는 얇은 발수성 막을 사용합니다. 공정 중에 수증기는 막을 통과하여 염분이 많거나 더러운 급수와 분리됩니다. Tong에 따르면 막 증류는 역삼투압과 같은 다른 기술보다 더 잘 작동합니다. 역삼투압은 담수화 염수나 수압파쇄로 생성된 물과 같이 염도가 매우 높은 물을 처리할 수 없습니다.

막 증류는 가능성이 있지만 완벽하게 작동하지는 않습니다. 핵심 과제는 깨끗한 물의 오염을 전혀 방지하면서 물을 효율적으로 정화할 수 있는 막을 설계하는 것입니다.

Tong과 기계 공학과의 재료 과학자인 Arun Kota는 완벽한 멤브레인 설계 뒤에 숨은 기초 과학을 파악하기 위해 힘을 합쳤습니다. Nature Communications에 설명된 새로운 실험에서 CSU 엔지니어들은 막 증류에 사용되는 특정 막 설계가 다른 막 설계보다 더 잘 작동하는 이유에 대한 새로운 정보를 제공합니다.

"우리 논문의 기본 지식은 미세 다공성 기판 내의 수증기 수송에 대한 기계적인 이해를 향상시키고 막 증류에 사용되는 막의 미래 설계를 안내할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다"라고 Tong은 말했습니다.

막 증류에서는 공급수를 가열하여 휘발성의 차이를 통해 순수한 성분과 불순한 성분을 분리합니다. 미세 다공성 멤브레인은 수증기를 통과시키지만 불순한 액체 전체를 통과시키지는 못하기 때문에 설정의 핵심 구성 요소입니다. 일반적으로 멤브레인은 수증기만 통과시키고 급수에 대한 장벽을 유지하기 위해 "소수성" 또는 발수성 재료로 만들어집니다.

그러나 셰일 오일에서 생산된 물과 같은 공급수는 표면 장력이 낮을 수 있기 때문에 이러한 소수성 막은 실패할 수 있습니다. 이러한 낮은 표면 장력으로 인해 공급수가 멤브레인 기공을 통해 누출되어 반대쪽의 순수한 물이 오염됩니다. 이러한 현상을 멤브레인 습윤화라고 합니다.

이전 연구에서는 물과 표면 장력이 낮은 액체를 포함한 모든 액체를 밀어내는 막인 "옴니포빅(omniphobic)" 막을 사용하여 증기/물 분리를 그대로 유지한다는 사실이 밝혀졌습니다. 그러나 옴니포빅 멤브레인은 일반적으로 멤브레인을 통과하는 수증기의 속도와 양을 느리게 하여 전체 공정의 효율성을 극적으로 감소시킵니다.

CSU 연구자들은 소수성 막과 전수성 막 사이에 이러한 상충관계가 존재하는 이유를 발견하기 시작했습니다. Kota 연구실의 박사후 연구원 Wei Wang과 Tong의 대학원생 Xuewei Du가 이끄는 연구실에서의 체계적인 실험을 통해 그들은 기존의 소수성 막이 더 큰 액체-증기 계면 영역을 생성한다는 것을 발견했습니다. 이로 인해 증발량이 증가합니다. 전지성 멤브레인을 사용하여 그들은 훨씬 더 작은 액체-증기 경계면을 보았습니다. 이는 멤브레인 성능의 차이를 설명합니다.

실험에 사용된 전지성 멤브레인은 여분의 입자를 증착하지 않고 만들어졌습니다. 따라서 연구자들은 그들의 관찰이 막의 구조적 변화의 결과가 아니라는 것을 결정할 수 있었습니다.

막 증류에 사용되는 기존 소수성 막의 단면도. 파란색은 물을 나타냅니다. 크레딧: Tong and Kota 연구소

그들은 트레이드오프에 대한 해결책을 제시하지는 않았지만, 그들의 통찰력은 막 증류를 성공적인 기술로 만드는 데 대한 핵심 과제를 보여줍니다. "문제를 철저하게 이해한다면 문제를 해결할 수 있는 여지가 있습니다"라고 Kota는 말했습니다. "우리는 메커니즘을 확인했습니다. 이제 트레이드오프 문제를 해결해야 합니다."