[미국] 프린스턴대, 더 깨끗한 물을 위한 이산화탄소 필터 연구

미국 프린스턴 대학교(Princeton University) 연구원은 물리적 필터 또는 멤브레인보다는 이산화탄소를 사용하는 물에서 입자를 제거하는 저비용 기술의 논문을 발표했다.

이 시스템은 입자를 걸러내기 위해 물의 흐름에 CO2 가스를 주입하는 작업을 포함한다.

연구팀은 가스가 채널 시스템에서 물과 섞여 일시적으로 물의 화학적 성질을 변화시키고 오염된 입자가 전기 요금에 따라 채널의 한쪽으로 이동하게 한다고 보고했다. 이 마이그레이션을 이용함으로써 그들은 물 스트림을 분리하고 부유 입자를 걸러낼 수 있다.

하와이 대학교(University of Hawaii)의 기계공학과 조교수인 상우 신(Sangwoo Shin)은 "연못이나 강에서 박테리아와 먼지 입자가 있는 물을 깨끗이 하는 데 잠재적으로 이것을 사용할 수 있다”고 밝혔다.

이 과정을 기술한 논문의 주 저자인 그는 하워드 스톤(Howard Stone) 연구소의 연구원(박사), 프린스턴의 기계 항공우주공학 교수인 도널드 딕슨(Donald R. Dixon)의 69세 엘리자베스 더블 류 딕슨(Elizabeth W. Dixon) 교수와 연구를 공동으로 수행했다.

최근 『Nature Communications』지에 발표된 논문에서 연구팀은 기존의 정밀여과 공정보다 3배 이상(1천 배)의 입자를 제거하는 실험실 규모의 시스템을 설명했다. 시스템은 저에너지이다. 흐름을 담당하는 펌프 이외에 병에 든 이산화탄소만이 움직이는 부분이며 막히거나 교체가 필요한 물리적인 필터나 멤브레인이 없다.

이산화탄소는 물의 화학적 성질을 약간 더 산성으로 만들어 낸다. 산도는 CO2가 물에 녹을 때 하전된 입자(이온)를 생성한다는 것을 의미한다. 양(+)이온 수소원자인 이온중 하나가 수용액을 통해 매우 빠르게 이동한다. 음(-)으로 전도된 중탄산염 분자인 또 다른 분자는 더 천천히 움직인다. 물을 통한 이온의 움직임은 미묘한 전기장을 만든다. 이렇게 하면 물속에 입자가 그려지는데 (물의 양전하가 음수 또는 양전하를 띤다) 물의 한쪽으로 향하게 된다.

대부분의 오염물질은 일정량의 표면 전하를 가지고 있기 때문에, 전기장은 물에서 이들을 변형시키는 효과적인 방법이다.

연구원의 장치는 흐름의 한쪽으로 오염 물질을 끌어들인 다음 두 개의 채널로 물을 분리하여 전기 분류 효과를 활용한다. 한 경로는 오염 입자를 함유 한 물을 운반하고 다른 경로는 깨끗한 물을 보유한다. 시스템에는 멤브레인이나 기계식 필터가 없으므로 막히는 것이 문제가 되지 않는다.

완료되면 용존 CO2는 물을 공기에 노출시켜 쉽게 제거할 수 있으므로 물에는 보통 수준의 이산화탄소가 포함되어 탄산되지 않는다.

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Carbon dioxide filter for cleaner water

Princeton University researchers report a low cost technique to remove particles from water which uses carbon dioxide rather than physical filters or membranes.

The system involves injecting CO2 gas into a stream of water to filter out particles. The researchers report that the gas mixes with the water in a system of channels, temporarily changing the water's chemistry and causing the contaminated particles to move to one side of the channel depending on their electrical charge. By taking advantage of this migration, they are able to split the water stream and filter out suspended particles.

"You could potentially use this to clean water from a pond or river that has bacteria and dirt particles," says Sangwoo Shin, an assistant professor of mechanical engineering at the University of Hawaii at Manoa.

Shin, the lead author of a paper describing the process, performed the research as a post-doctoral researcher in the laboratory of Howard Stone, the Donald R. Dixon '69 and Elizabeth W. Dixon Professor of Mechanical and Aerospace Engineering at Princeton.

Much more efficient
In a paper published recently in the journal Nature Communications, the research team describes a laboratory-scale system that removes particles three orders of magnitude (1000-fold) more efficiently than conventional microfiltration processes. The system is low energy. Besides the pump responsible for the flow, bottled carbon dioxide is the only moving part, and there is no physical filter or membrane that can clog or require replacement.

Carbon dioxide alters water's chemistry by making it slightly more acidic. The acidity means that when CO2 dissolves in water it creates charged particles (ions). One of the ions, a positively charged hydrogen atom, moves very quickly through the water solution. Another, a negatively charged bicarbonate molecule, moves more slowly. The ions' movement through the water creates a subtle electric field. This draws particles in the water (which have either negative or positive charges of their own) toward one side of the water stream.

Because most contaminants have some amount of surface charge, the electric field is an effective way to strain them from water.

The researchers' device takes advantage of this electric sorting effect by drawing the contaminants to one side of the flow and then splitting the water into two channels. One path carries water containing the contaminating particles and the other holds clean water. Because the system does not have a membrane or a mechanical filter, clogging is not a problem.

When finished, the dissolved CO2 can be easily removed by exposing the water to the air so that the water contains only normal levels of carbon dioxide and is not carbonated.

Further applications
The researchers say using a soluble gas as a method of controlling particles in a solution could lead to other industrial or scientific applications beyond water filtration.

Shin believes the CO2 system could be particularly useful in the developing world because it does not require the installation and replacement of filters. The idea may be useful for portable systems. It is also relatively low cost, only requiring a canned source of carbon dioxide to use.

"It is definitely able to scale up to a hundred litres per hour, which meets a practical household standard," Shin reports.

Another use would be as a supplement to a desalinisation plant. Many types of desalinisation use membranes to strain out salt molecules, but biological particles including viruses and bacteria are able to pass through the membranes. Shin says the carbon dioxide system could strain out the particles before or after the water passes through the desalinisation membrane, reducing the need to treat the water with chemicals such as chlorine.

Shin is now working on methods to scale the system for possible use in water treatment plants to supply larger communities. He says the basic science works, but further engineering is needed to create a large-scale carbon dioxide filter.

Besides Shin and Stone, the researchers include Orest Shardt, who worked on the project as a co-lead author while at Princeton and is now a lecturer at the University of Limerick, Ireland, and Patrick Warren of Unilever. The project was supported by Unilever Research, the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada, and the Princeton Environmental Institute.

[출처 = Filtration+Separation(www.filtsep.com) / 2017년 5월 17일]

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