혁신적 막 기술, 폐수 정화·에너지 효율 동시 향상

• 새로운 유형의 막, 표준 막보다 훨씬 낮은 압력으로 물에서 부유 입자 여과
• 기존 막보다 3배 오래 지속되고 에너지는 2배 절약

수처리 기술은 박테리아, 곰팡이, 바이러스, 조류, 기생충, 부유 입자 같은 특정 물질의 농도를 낮춥니다. 여러 물리적, 생물학적, 화학적 공정이 있으며, 지난 수십 년간 UV 광선 같은 전자기 복사도 정수에 사용해 왔습니다.

음용 및 화학·산업용 수처리 공정은 미국 총 전력 소비의 거의 13%를 차지하며, 연간 2억 9천만 톤의 이산화탄소를 대기로 배출합니다. 이를 감안하면 전 세계 모든 인간의 몸무게 합계와 맞먹습니다.

물을 정화하려면 보통 미세한 기공이 있는 막을 통과시킵니다. 이 기공 크기는 물 분자보다 큰 불순물이나 입자를 걸러내기에 충분히 작습니다. 이러한 막은 막힘으로 인해 '마모'되기 쉬워 물 분자를 밀어내기 위해 더 높은 전압이 필요하며, 막힌 막은 교체해야 해 수처리 비용이 증가합니다.

이제 하버드 대학 연구자들이 기존 막보다 훨씬 낮은 압력으로 물에서 부유 입자를 여과하는 새로운 유형의 막을 개발했습니다. 이를 액체 게이트 막(LGM)이라고 부릅니다. 기존 막보다 에너지 소비 측면에서 2배 효율적이고 3배 더 오래 지속됩니다.

LGM은 다양한 수처리 환경에서 사용될 수 있어 대규모 산업 공정(가스 및 석유 시추 포함)의 전력 소비와 비용을 줄입니다.

작동 원리

모든 액체 게이트 막은 특수 액체로 코팅되어 '닫힌' 상태에서 기공을 채우고 밀봉하며, 가역적 게이트 역할을 합니다. 압력을 가해(물을 여과하기 위해) 막 내 기공의 액체가 양 끝으로 끌려가며 열린 기공을 형성하고, 특정 기체나 액체가 통과하도록 구성할 수 있습니다.

참조: AIP | doi:10.1063/1.5047480 | 하버드 대학

액체의 미끄러운 표면으로 인해 막의 '마모'를 방지합니다. 또한 LGM은 목표 물질(들)을 다양한 액체 혼합물에서 분리할 수 있어 산업용 액체 가공에 사용될 수 있습니다.

표준 막과 게이트 막의 막간 압력(TMP) | 연구진 제공

LGM을 만들기 위해 연구자들은 기존 필터 막의 작은 디스크(25mm)에 특수 액체 윤활제인 퍼플루오로폴리에테르를 주입했습니다. 이는 30년 이상 항공 산업에서 사용되어 왔습니다.

테스트와 응용

연구자들은 벤토나이트 점토를 물에 섞고 적절한 압력을 가해 LGM 기공을 통과시켰습니다. 그런 다음 결과를 기존 막과 비교했습니다.

액체 게이트 막은 기존 막보다 훨씬 나중에 마모 징후를 보였습니다: 수동으로 막에 쌓인 물질을 제거하는 과정이 필요하기 전까지 기존 막보다 3배 더 오래 효과적으로 물을 여과했습니다. 또한 여과 동안 막에 모인 나노점토가 60% 적었습니다.

참고: 빗물에서 오염물질 제거하는 새로운 방법

여과 개시를 위해 LGM은 16% 더 적은 압력이 필요해 에너지를 더 절약합니다. 이는 섬유, 석유화학, 바이오제약 제조, 식음료 가공 등 다양한 산업에서 사용되는 수처리 메커니즘의 여과율을 높일 수 있습니다.