[미국] 터프츠공대, 안전한 식수 위한 새로운 여과법 개발
연구팀, “합성 고분자막은 생물학적 세포막의 매우 선택적인 특성을 모방”
아사테킨 부교수,“식수 공급서 과도한 불소 줄일 이온 선택적 막 가능성은 매우 고무적”

미국 메사추세츠주 보스턴에 있는 터프츠대학교 공과대학(Tufts University School of Engineering) 연구팀은 전 세계적으로 수천만 명의 사람들에게 영향을 미치는 식수 관련 질병을 억제하고 잠재적으로 환경개선, 산업 및 화학 생산, 채굴을 개선하는 데 도움을 줄 수 있는 생물학에서 영감을 받은 새로운 필터링 기술(filtering technology)을 개발했다.

국립과학원 회보(Reporting in the Proceedings of the National Academy of Sciences)에서 연구원들은 그들의 새로운 고분자 막이 다른 방법으로 보고된 선택성의 두 배로 염화물과 다른 이온(전하를 띤 원자)으로부터 불소(fluoride ; F)를 분리할 수 있다는 것을 보여주었다.

연구팀은 이 기술을 적용하면 인간이 섭취하기에 너무 높은 수치로 자연적으로 발생하는 물 공급에서 불소 독성을 예방할 수 있을 것이라고 말한다.

물 공급에 불소를 첨가하면 충치를 포함한 충치의 발생을 줄일 수 있다는 것은 잘 알려져 있다. 더 잘 알려지지 않은 사실은 일부 지하수 공급품들이 매우 높은 자연 수치의 불소를 가지고 있어서 심각한 건강 문제로 이어질 수 있다는 사실이다.

과도한 불소에 장기간 노출되면 실제로 치아를 약하게 하고 힘줄과 인대를 석회화시키고 뼈의 기형을 초래할 수 있는 불소증(fluoride)을 일으킬 수 있다. 세계보건기구(WHO)는 음용수의 과도한 불소 농도로 인해 전세계적으로 수천만 건의 치아 및 골격 불소가 발생했다고 추산하고 있다.

비교적 저렴한 여과막으로 불소를 제거할 수 있는 능력은 고압 여과를 사용하거나 모든 성분을 완전히 제거한 다음 식수를 다시 미네랄화할 필요 없이 불소화로부터 공동체를 보호할 수 있다.

터프츠대학교 공과대학 화학 및 생물공학과 아이세 아사테킨(Ayse Asatekin) 부교수는“식수 공급에서 과도한 불소를 줄일 수 있는 이온 선택적 막의 가능성은 매우 고무적이다”라고 말했다.

아이세 아사테킨(Ayse Asatekin) 부교수는 하지만 “이 기술의 잠재적인 유용성은 식수를 넘어 다른 도전과제로까지 확대된다. 우리가 막 제조에 사용한 방법은 산업용 용도에 맞게 쉽게 확장할 수 있다. 그리고 필터로서의 구현은 비교적 간단하고, 저비용이며, 환경적으로 지속가능하기 때문에, 농업용수 공급 개선, 화학 폐기물 청소, 화학 생산 개선에 광범위하게 적용될 수 있을 것”이라고 강조했다.

“예를 들어 이론적으로 이 과정은 지속 가능한 리튬 배터리 생산을 위한 제한된 지질학적 매장량이나 원자력 발전에 필요한 우라늄으로부터 생산량을 향상시킬 수 있다”고 아사테킨부교수는 덧붙였다.

합성 막의 설계를 개발하면서, 아사테킨의 팀은 생물학에서 영감을 받았다. 세포막은 세포 안팎으로 이온의 통과를 허용하는데 있어 눈에 띄게 선택적이며, 그들은 심지어 매우 정밀하게 이온과 분자의 내부와 외부 농도를 조절할 수 있다.

생물학적 이온 통로는 서로 다른 크기와 전하와 물에 대한 다른 친화력을 가진 기능성 화학 그룹을 통로에 늘어놓음으로써 이러한 작은 이온의 통로를 위한 보다 선택적인 환경을 만든다.

통과 이온과 이들 그룹 사이의 상호작용은 채널 기공의 나노미터 치수에 의해 강제되며, 통과 속도는 상호작용의 강도와 약함에 의해 영향을 받는다.

아사테킨 교수팀이 만든 여과막은 분자군이 표면에 밀접하게 연결된 양전하와 음전하를 포함하고 있는 중합체인 츠위터이오닉 폴리머(Zwitterionic polymer)를 다공성 지지체에 코팅하여, 발수성과 플러스 및 마이너스 전하를 띤 나노미터보다 좁은 채널을 가진 막을 만들어 냄으로써 고안되었다.

아치형 화학군 생물학적 통로와 마찬가지로, 매우 작은 크기의 모공은 이온이 모공의 전하 및 수분 방출 그룹과 상호 작용하도록 하여, 일부 이온은 다른 이온들보다 훨씬 더 빨리 통과하도록 합니다.

본 연구에서는 불소 대 염화물 선택을 목표로 폴리머의 구성이 이루어졌다. 츠위터이오닉 폴리머(Zwitterionic polymer)의 구성을 바꿈으로써, 다른 이온들의 선택을 목표로 하는 것이 가능할 것이라고 연구원들은 말한다.

대부분의 현재 여과막은 입자 또는 분자 크기 및 전하에서 상당한 차이로 분자를 분리하지만 작은 크기와 전하가 거의 동일할 때 단일 원자 이온을 서로 구별하는 데 어려움을 겪는다.

이와는 대조적으로 터프츠대학의 연구원들이 연구한 막은 전하가 거의 동일하더라도 원자 지름의 극히 일부만 다른 이온을 분리할 수 있다.

이 작업에 자금을 지원했던 영국 캠브리지에 소재한 즈위터코(ZwitterCo)는 산업환경에서 응용을 테스트하기 위해 이온 분리막 제조의 규모를 확대할 계획이다.

[원문보기]

New Filtering Method Promises Safer Drinking Water, Improved Industrial Production
Synthetic polymer membranes mimic the highly selective properties of biological cell membranes

A team of scientists at the Tufts University School of Engineering has developed a new filtering technology inspired by biology that could help curb a drinking water-related disease that affects tens of millions of people worldwide and potentially improve environmental remediation, industrial and chemical production, and mining, among other processes.

Reporting in the Proceedings of the National Academy of Sciences, the researchers demonstrated that their novel polymer membranes can separate fluoride from chloride and other ions (electrically charged atoms) with twice the selectivity reported by other methods.

They say application of the technology could prevent fluoride toxicity in water supplies where the element occurs naturally at levels too high for human consumption.

It is well known that adding fluoride to a water supply can reduce the incidence of tooth decay, including cavities. Less well known is the fact that some groundwater supplies have such high natural levels of fluoride that they can lead to severe health problems.

Prolonged exposure to excess fluoride can cause fluorosis, a condition that can actually weaken the teeth, calcify tendons and ligaments, and lead to bone deformities. The World Health Organization(WHO) estimates that excessive fluoride concentrations in drinking-water have caused tens of millions of dental and skeletal fluorosis cases worldwide.

The ability to remove fluoride with a relatively inexpensive filtering membrane could protect communities from fluorosis without requiring the use of high-pressure filtration or having to completely remove all components and then re-mineralize the drinking water.

“The potential for ion selective membranes to reduce excess fluoride in drinking water supplies is very encouraging” said Ayse Asatekin, associate professor of chemical and biological engineering in the School of Engineering.

“But the technology’s potential usefulness extends beyond drinking water to other challenges. The method we used to manufacture the membranes is easy to scale up for industrial applications. And because the implementation as a filter can also be relatively simple, low cost and environmentally sustainable, it could have wide applications to improving agricultural water supplies, cleaning up chemical waste, and improving chemical production.”

For example, theoretically the process could improve yields from limited geological reserves of lithium for sustainable lithium battery production or uranium needed for nuclear power generation, said Asatekin.

In developing the design of the synthetic membranes, Asatekin’s team was inspired by biology. Cell membranes are remarkably selective in allowing the passage of ions into and out of the cell, and they can even regulate the internal and external concentrations of ions and molecules with great precision.

Biological ion channels create a more selective environment for the passage of these small ions by lining the channels with functional chemical groups that have different sizes and charges and different affinity for water.

The interaction between the passing ions and these groups are forced by the nanometer dimensions of the channel pores, and the rate of passage is affected by the strength or weakness of the interactions.

The filtration membranes created by Asatekin’s team were designed by coating a zwitterionic polymer -- a polymer in which molecular groups contain closely linked positive and negative charges on their surface -- onto a porous support, creating membranes with channels narrower than a nanometer surrounded by both water repelling and plus and minus-charged chemical groups.

As with the biological channels, the very small size of the pores forces the ions to interact with the charged and water repelling groups in the pores, allowing some ions to pass much faster than others.

In the current study, the composition of the polymer was made to target the selection of fluoride vs chloride. By altering the composition of the zwitterionic polymer, it should be possible to target the selection of different ions, the researchers say.

Most current filtering membranes separate molecules by significant differences in particle or molecular size and charge but have difficulty distinguishing single atom ions from each other because of their small size and when their electric charges are nearly identical.

By contrast, the Tufts researchers’ membranes are capable of separating ions that differ by only a fraction of their atomic diameter even when their electric charges are nearly identical.

ZwitterCo, a Cambridge-based company which helped fund this work, will be exploring the scale up in manufacturing the ion separating membranes to test their application in industrial settings.

※Source : Tufts University School of Engineering

[출처 = 터프츠공과대학(https://now.tufts.edu/news-releases/new-filtering-method-promises-safer-drinking-water-improved-industrial-production) / 2021년 9월 7일 보도자료]