폐수 정화를 강화하고 에너지 효율을 높이는 새로운 여과 기술

• 새로운 유형의 멤브레인은 물에서 부유 입자를 걸러내기 위해 표준 멤브레인보다 훨씬 낮은 압력이 필요합니다.
• 기존 막횡단보다 3배 더 오래 지속되고 2배의 에너지를 절약합니다.

정수 기술은 박테리아, 곰팡이, 바이러스, 조류, 기생충 및 부유 입자와 같은 특정 물질의 농도를 감소시킵니다. 몇 가지 물리적, 생물학적, 화학적 과정이 있으며 지난 수십 년 동안 우리는 물을 정화하기 위해 자외선과 같은 전자기 복사를 사용해 왔습니다.

식수, 화학 및 산업 응용 분야를 위한 정수 및 처리 과정은 미국 총 전력 소비의 거의 13%를 차지하며 연간 2억 9천만 미터톤의 이산화탄소를 대기로 방출합니다. 이를 상황에 맞게 표현하면 전 세계 모든 인간의 무게를 합한 것과 같습니다.

물을 정화하기 위해 일반적으로 작은 구멍이 있는 막을 통과합니다. 이 기공의 크기는 물 분자보다 큰 불순물이나 입자를 걸러낼 수 있을 만큼 충분히 작습니다. 이러한 멤브레인은 막힘으로 인해 '마모'되는 경향이 있기 때문에 물 분자를 밀어내기 위해 더 높은 전압이 필요하고 종종 막힌 멤브레인을 교체해야 하므로 수처리 비용이 증가합니다.

이제 하버드 대학의 연구원들은 물에서 부유 입자를 걸러내기 위해 기존의 멤브레인보다 훨씬 더 낮은 압력을 필요로 하는 새로운 유형의 멤브레인을 개발했습니다. 그들은 그것을 액체 개폐막(LGM)이라고 부릅니다. 기존 멤브레인 대비 2배의 효율(에너지 소모량)과 3배의 수명을 자랑합니다.

LGM은 다양한 수처리 환경에서 사용할 수 있으므로 가스 및 석유 시추를 비롯한 대규모 산업 공정의 전력 소비와 비용을 절감할 수 있습니다.

작동 방식

모든 액체 게이트 멤브레인은 가역적인 게이트 역할을 하는 '닫힌' 상태에서 모공을 채우고 밀봉하는 특수 액체로 코팅되어 있습니다. 물을 걸러내기 위해 압력을 가하면 멤브레인의 기공 안의 액체가 끝을 향해 끌려가 열린 기공을 형성하여 특정 가스나 액체가 통과하도록 구성할 수 있습니다.

참조:AIP | 도이:10.1063/1.5047480 | 하버드 대학교

이것은 액체의 미끄러운 표면으로 인한 멤브레인의 '마모'를 방지합니다. 그리고 LGM은 다양한 액체 혼합물에서 표적 물질을 분리할 수 있기 때문에 산업용 액체 처리에 사용할 수 있습니다.

표준 및 개폐식 멤브레인용 TMP(Transmembrane Pressure) | 연구원 제공

LGM을 만들기 위해 연구원들은 30년 이상 항공 산업에서 사용된 특수 액체 윤활제인 퍼플루오로폴리에테르와 함께 기존 필터 멤브레인의 작은 디스크(25mm)에 주입했습니다.

테스트 및 적용

연구원들은 물에 벤토나이트 점토를 혼합하고 적절한 압력을 가하여 LGM 기공을 통과시켰습니다. 그런 다음 결과를 기존 멤브레인과 비교했습니다.

리퀴드 게이트 멤브레인은 기존 멤브레인보다 훨씬 늦게 마모의 징후를 보였습니다. 멤브레인에 쌓인 물질을 수동으로 제거하는 프로세스가 필요하기 전에 처리되지 않은 멤브레인보다 3배 더 오래 물을 효과적으로 여과했습니다. 또한, 여과하는 동안 멤브레인에 모인 나노클레이가 60% 더 적었습니다.

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여과를 시작하기 위해 LGM은 16% 더 적은 압력을 필요로 하여 더 많은 에너지를 절약합니다. 이를 통해 섬유, 석유화학, 바이오의약품 제조, 식품 및 음료 가공을 비롯한 다양한 산업에서 사용되는 수처리 메커니즘의 여과율을 높일 수 있습니다.