[미국] 소금물을 먹는 물로 바꾸는 더 효율적인 방법

비록 세계 표면의 71%가 바닷물로 덮여 있지만, 40억 명의 사람들이 1년에 적어도 한 달은 심각한 물부족 조건에서 살고 있다.

연구자들은 기존의 방법보다 적은 에너지를 사용하여 물을 담수화시킬 수 있는 몇 개의 원자에 불과한 벌집무늬 막에 대해 연구하고 있다.

기계공학 조교수인 아미르 바라티 패리마니(Amir Barati Farimani)는 "물부족은 전 세계의 주요 문제다. 그것은 모든 대륙에 영향을 미친다"라고 말한다.

아미르 바라티 패리마니(Amir Barati Farimani) 조교수는 "40억 명의 사람들이 적어도 1년 중 한 달은 심각한 물 부족 조건에서 살고 있다. 5억 명이 1년 내내 극심한 물 부족 속에서 살고 있다"고 말했다.

하지만 사람들이 안전한 식수에 접근하지 못하고 고군분투하고 있는 동안에도, 그들의 문 바로 바깥에는 마실 수 없는 물의 바다가 있다.

바라티 패리마니(Amir Barati Farimani) 조교수는 "세계 표면의 71%가 바닷물로 덮여 있습니. 그러니까 이건 아주 재미있는 모순이다"라고 말한다.

이 문제를 해결하기 위해 바라티 바라티 패리마니(Amir Barati Farimani) 조교수는 그의 연구를 물 담수화에 집중시켰다. 짠 바닷물이 민물로 변질되는 과정이다.

물을 담수화하는 방법은 여러가지가 있지만, 가장 효과적인 방법 중 하나는 막 담수화다. 이 방법에서 물은 작은 구멍이 있는 얇은 막으로 밀어진다.

물은 모공을 통해 흐르지만 소금 이온들은 그렇지 못하여 다른 쪽에는 신선한 물만 남게 된다.

그의 최근 연구에서 바라티 패리마니(Amir Barati Farimani) 조교수는 금속-유기체 프레임워크라고 불리는 새로운 형태의 막의 가능성을 탐구한다.

"이 막들은 금속 중심과 유기 화합물로 구성되어 있다"라고 바라티 패리마니(Amir Barati Farimani) 조교수는 말한다. 유기화합물과 금속은 오각형 패턴으로 연결되어 모공 역할을 하는 중앙에 구멍을 남긴다. 바라티 패리마니는 "그들을 보면 벌집과 같다"고 덧붙인다.

그 틀이 더 효과적인 데에는 몇 가지 이유가 있다. 첫째, 그것은 믿을 수 없을 정도로 얇다. 이것은 몇 개의 원자가 두꺼워서 물분자가 모공을 통과할 때 마찰이 거의 없다는 것을 의미한다.

게다가, 모공의 위치는 침투에 도움이 된다. "인접한 모공이 없을 때, 분자의 벽으로부터 엄청난 압력이 있다"라고 바라티 패리마니(Amir Barati Farimani) 조교수는 말한다. 이것은 담수화 과정의 효율을 떨어뜨린다.

그 이유를 이해하기 위해서, 깔때기에 물을 붓는 것을 상상해보라. 물은 벽에 밀어붙이고 좁은 공간을 통해 밀려들기 때문에 끝부분의 구멍을 통해 더 천천히 움직인다.

반면, 재경부는 인접한 여러 개의 모공을 가지고 있다. "벽 쪽에서는 압력이 없다"라고 바라티 패리마니(Amir Barati Farimani) 조교수는 말한다. "그리고 그것은 그들에게 더 쉽게 모공을 통과할 수 있는 기회를 준다"

이번에는 체로 물을 붓는 것을 상상해 보라. 체는 훨씬 더 빨리 움직인다. 왜냐하면 체는 빠져나갈 수 있는 여러 개의 출구점을 가지고 있기 때문이다.

마지막으로 재경부는 다른 소재에 비해 구조적 무결성을 더 갖고 있다. 대부분의 물질에서 과학자들은 필요한 모공을 만들기 위해 작은 구멍을 뚫어야 하는데, 이것은 표면적당 만들어질 수 있는 양을 제한한다.

바라티 패리마니(Amir Barati Farimani) 조교수는 "만약 여러분이 모공을 많이 만들고 싶다면, 그래핀이나 MoS2는 그렇게 할 수 없다"라면서 "구조적으로 그들은 압력을 견딜 수 없다"라고 강조했다.

그러나 그것의 벌집 구조 덕분에, 재경부는 본질적으로 다공성이다. 이렇게 하면 모공과 표면적의 비율이 높아진다. 그것은 또한 모공을 뚫거나 심지어 크기를 조정할 필요가 없기 때문에 시간과 에너지를 절약한다.

MOF와 다른 전형적인 막 사이의 차이는 물이 얼마나 빨리 통과하는지, 그리고 얼마나 많은 이온이 거부되는지에 있어서 두드러진다. 이것은 단지 모공 몇 개를 시뮬레이션하는 겁니다.

"담수화 식물은 수십억 개의 모공을 가지고 있어서 그 효율을 기하급수적으로 높일 수 있다"라는 바라티 패리마니(Amir Barati Farimani) 조교수는 "대규모 작전의 규모로는 엄청날 것"이라면서 "효율성이 조금만 높아져도 엄청난 도약을 의미할 것이다"라고 강조했다.

우리는 많은 불우한 사람들에게 신선한 물을 제공할 필요가 있다. 그것이 우리의 임무다. 에너지 효율을 높여 어디에나 물 담수화를 하는 것이다.

■ 아미르 바라티 패리마니(Amir Barati Farimani) 부교수 소개

아미르 바라티 패리마니(Amir Barati Farimani)의 연구에 대한 기사는 미국화학협회(American Chemical Society)가 발행하는 월간 과학저널인 『Nano Letters』에 게재되었다.

그것은 물 담수화에 대한 점점 더 많은 대화를 더하고 그 분야에서 중요한 진전을 나타낸다.

아미르 바라티 패리마니(Amir Barati Farimani)는 학계의 세계 외에도 그의 연구가 사람들의 삶에 영향을 줄 수 있기를 희망한다.

그는 "우리는 아프리카나 다른 곳과 같은 많은 소외된 사람들에게 신선한 물을 제공할 필요가 있다"라면서 "기본적으로 그것이 우리의 임무다. 에너지 효율을 높여 어디에나 물 담수화를 하는 것이다"라고 강조했다.

[원문보기]

A More Efficient Way To Turn Saltwater Into Drinking Water

Although 71% of the world’s surface is covered by seawater, four billion people live under conditions of severe water scarcity at least one month of the year.

Researchers are working on a honeycombed-patterned membrane, only a few atoms thick, that can desalinate water using less energy than existing methods.

Water scarcity is a major problem across the world. “It affects every continent,” says , an assistant professor of mechanical engineering.

“Four billion people live under conditions of severe water scarcity at least one month of the year. Half a billion people live under severe water scarcity all year.”

Yet even as people struggle without access to safe drinking water, there are oceans of undrinkable water right outside their doors.

“71% of the world’s surface is covered by seawater,” Barati Farimani says. “So this is a very interesting contradiction.”

In order to combat this problem, Barati Farimani has focused his research on water desalination. This is the process in which salty seawater can be transformed into fresh water.

There are many ways to desalinate water, but one of the most effective is membrane desalination. In this method, water is pushed through a thin membrane with tiny holes.

The water flows through the pores, but the salt ions can’t, leaving only fresh water on the other side.

In his latest research, Barati Farimani explores the potential of a new type of membrane, called a metal-organic framework (MOF).

“These membranes consist of both the metal center and organic compound,” Barati Farimani says. The organic compound and metal connect in a pentagonal pattern, leaving a hole in the center that serves as a pore.

“If you look at them, they are like a honeycomb,” Barati Farimani adds.

There are a couple of reasons why the framework is more effective. First, it’s incredibly thin. It’s a few atoms thick, which means there’s very little friction as the water molecules pass through the pores.

Additionally, the placement of the pores helps with permeation. “When you don’t have adjacent pores, there’s a huge pressure from the wall on the molecules,” Barati Farimani says. This makes the desalination process less efficient.

To understand why, just imagine pouring water into a funnel. The water moves more slowly through the hole at the end because it’s pushed against the walls and forced through a small space.

The MOF, on the other hand, has multiple adjacent pores. “There’s no pressure from the wall side,” Barati Farimani says. “And that gives them this opportunity to pass more easily through the pore.”

Imagine pouring water through a strainer this time?it moves much more quickly, because it has multiple exit points it can escape through.

Finally, the MOF has more structural integrity than other materials. In most materials, scientists have to drill tiny holes in order to create the needed pores, which limits the amount that can be created per surface area.

“If you want to make a lot of pores, graphene or MoS2 can’t do that,” Barati Farimani says. “Structurally they can’t hold the pressure.”

But thanks to its honeycomb structure, MOF is intrinsically porous. This allows a higher ratio of pores to surface area. It also saves on time and energy, since the pores don’t need to be drilled, or even adjusted in size.

The differences between the MOF and other typical membranes are notable, both in terms of how quickly water passes through and how many ions are rejected. And that’s just looking at a simulation of a few pores.

A desalination plant can have billions of pores, raising its efficiency exponentially. “In the scale of a large operation, it would be huge,” Barati Farimani says. “Even a slight increase in efficiency would mean a huge leap.”

We need to provide fresh water for many underprivileged people. That’s our mission?to make it so energy efficient that we have water desalination everywhere.

Amir Barati Farimani, Assistant Professor , Mechanical Engineering

Barati Farimani’s article on his research was published in Nano Letters, a monthly peer-reviewed scientific journal published by the American Chemical Society.

It adds to a growing conversation about water desalination and represents an important step forward in the field.

In addition to the world of academics, Barati Farimani hopes that his research can make an impact in people’s lives. “We need to provide fresh water for many underprivileged people, like in Africa or other places,” he says. “Basically that’s our mission-to make it so energy efficient that we have water desalination everywhere.”

[출처 = 워터온라인(https://www.wateronline.com/doc/a-more-efficient-way-to-turn-saltwater-into-drinking-water-0001) / 2019년 12월 18일]