청결 유지: 담수화 멤브레인의 규모를 유지하기 위해 노력하는 엔지니어들

앤 매닝

Tiezheng Tong 조교수의 연구실은 담수화 공정 중 막 스케일링과 관련된 문제를 해결하기 위해 노력하고 있습니다. 왼쪽부터: 대학원생 Yiming Yin; 통; 학부 연구원 Ronny Minjarez; 연구실의 역삼투압 시스템을 사용하는 대학원생 Yiqun Yao.

물을 끓이면 한때 빛나던 알루미늄 주전자의 내부 표면에 어두운 미네랄 침전물이 남을 수 있습니다. 약간의 식초와 베이킹 소다로 닦아낼 수 있는 것은 없습니다.

그러나 다른 맥락에서 볼 때 이러한 보기 흉한 광물 얼룩은 단지 귀찮은 것이 아니라 수십억 명의 사람들이 사용할 수 있는 수십억 갤런의 물을 만드는 능력에 큰 방해가 됩니다.

해수, 내륙 기수, 폐수 등 염분이 많고 더러운 수원에서 깨끗한 물을 추출하는 기술인 물 담수화는 전 세계적으로 18,000개 이상의 플랜트가 운영되고 있으며 전 세계적으로 인기가 높아지고 있습니다. 이는 역삼투라고 불리는 물리적 원리를 사용합니다. 이 원리는 머리카락 너비보다 몇 배나 작은 구멍이 너무 작아 눈에 보이지 않는 막을 통해 더러운 물을 매우 높은 압력으로 밀어내는 것입니다. 깨끗한 물이 짠 부산물과 분리되고 공정이 다시 시작됩니다.

주전자에 형성되는 것과 동일한 미네랄 스케일이 이러한 특수 멤브레인에도 대량으로 형성되어 멤브레인의 구멍을 막고 전체 공정의 효율성을 크게 감소시킵니다. 멤브레인을 자주 교체하거나 청소해야 하므로 비용이 증가하고 전 세계 물 부족 문제를 해결하는 데 선도적인 역할을 하는 담수화 기술의 능력이 방해를 받습니다.

담수화 응용 분야에서 막 표면의 미네랄 스케일링은 콜로라도 주립대학교 토목 및 환경 공학과 조교수인 Tiezheng Tong이 지난 몇 년 동안 해결하려고 노력해 온 매우 기술적 문제입니다.

Scott Bioengineering Building 내부 실험실에서 일하는 그와 그의 학생들은 실험을 수행하고 담수화 중에 그러한 광물 스케일링이 발생하는 이유와 다양한 유형의 광물에서 스케일 형성을 유도하는 메커니즘에 대한 근본적인 통찰력을 밝혀내고 있습니다. 그리고 엔지니어들은 솔루션에 초점을 맞추면서 다른 멤브레인을 발명하거나 수질을 희생하지 않고 멤브레인의 스케일링 저항성을 높이는 새로운 첨가제 솔루션을 테스트하는 등 문제를 해결하기 위한 새로운 방법을 개발하는 데에도 분주합니다.

환경 공학 분야의 저명한 학자인 Menachem Elimelech 밑에서 Yale University에서 박사후 과정을 마친 후 2017년에 CSU 교수진에 합류한 Tong은 "우리는 우리의 물 인프라가 기후 변화에 탄력적이기를 원합니다"라고 말했습니다. "지표수가 고갈되면 사회에 충분한 물을 공급하기 위한 백업이 필요합니다. 이를 달성하려면 광물 스케일링 문제를 포함하여 많은 과제에 직면하게 됩니다. 이는 일종의 틈새 시장입니다. 염도가 매우 높은 염수 처리 공정을 연구하고 있는데, 이는 아마도 비전통적인 수원에서 물을 추출하는 데 있어 가장 어려운 부분 중 하나일 것입니다."

Tong은 현재 담수화 기술과 관련된 다양한 문제를 해결하기 위해 수백 명의 과학자를 모아 에너지부가 주도하는 1억 1천만 달러 규모의 노력인 NAWI(National Alliance for Water Innovation)에 담수화 및 막 과학에 대한 자신의 연구실의 전문 지식을 제공하고 있습니다. 그들의 목표는 호수, 강, 대수층과 같이 가뭄에 시달리는 기존 수원에서 담수를 추출하는 것과 비슷하거나 더 저렴하게 담수화 기술을 만드는 것입니다.

CSU 연구원들이 주도적인 역할을 한 NAWI 파트너십을 통해 Tong의 연구실은 최근 Vanderbilt University 연구원들과 함께 전기투석 기반 고염분 담수화 염수 처리 방법 개발을 지원하기 위한 자금을 지원 받았습니다.

지방자치단체와 국가가 담수화를 실행 가능한 선택으로 만드는 과제는 다층적입니다. 대규모 역삼투 담수화 플랜트를 건설하고 유지하는 측면에서는 경제적 측면, 수처리 공정에서 남은 고염도 염수는 환경 측면에서 상당한 부담을 초래합니다. 수생 생태계에 유해한 오염을 초래합니다.