오염물질을 빨아들여 물을 깨끗하게 할 수 있는 인간 세포 크기의 수백만 개의 비눗방울 스폰지를 상상해 보자. 이 단순화된 모델은 MIT 화학 엔지니어들이 최근 물에서 미세오염물질(micropollutants)을 제거하기 위해 개발한 기술을 기술하는 데 사용된다. 이는 전 세계적으로 우려되는 문제이다.

MIT 공대(Massachusetts Institute of Technology)의 패트릭 S. 도일(Patrick S. Doyle), 로버트 T(Robert T). 화학공학과 하슬람(Haslam) 교수, 박사과정 학생인 데바시시 프라탑 고칼레(Devashish Pratap Gokhale), 학부생인 이안 첸(Ian Chen)은 최근 미세오염물질 제거에 관한 연구 결과를 『ACS 응용 폴리머 재료(ACS Applied Polymer Materials) 저널』에 발표했다. 이 연구는 MIT의 압둘 라티프 자멜 물 및 식품 시스템 연구소(Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab ; J-WAFS)의 자금 지원을 받고 있다.

농도가 낮음에도 불구하고(리터당 0.01∼100마이크로그램) 미세오염물질은 생태계와 인간의 건강에 위험할 수 있다. 데바시시 프라탑 고칼레(Devashish Pratap Gokhale)는 “다양한 근원지에서 발견되며 거의 모든 수역에서 발견되었다”고 말한다.

예를 들어, 사람과 동물을 통과하는 의약품은 결국 급수에서 미세 공해물질이 될 수 있다. 내분비 교란제 비스페놀 A(BPA ;  bisphenol A)와 같은 다른 것들은 산업 제조과정에서 플라스틱에서 침출될 수 있다. 살충제, 염료, 석유화학 물질, 그리고 흔히 과불화합물(PFAS)로 알려진 폴리플루오로알킬(petrochemicals) 물질도 납(Pb)과 비소(As)와 같은 일부 중금속과 마찬가지로 미세오염물질의 예이다.

이것들은 모두 잠재적으로 암, 장기 손상, 발달 결함 또는 다른 부작용을 야기하면서 인간과 동물에게 독이 될 수 있는 미세오염물질(micropollutants)의 종류 중 일부일 뿐이다.

미세오염물질은 수없이 많지만, 집단적으로 크기가 작기 때문에 물에서 제거하기가 어렵다. 현재 물에서 미세오염물질을 제거하는 가장 흔한 방법은 활성탄 흡착이다. 이 과정에서 물은 탄소 필터를 통과하여 극미량 공해물질의 30%만 제거한다.

활성탄은 생산과 재생을 위해 높은 온도가 필요하기 때문에 전문 장비가 필요하고 많은 양의 에너지를 소비한다. 역삼투는 또한 물에서 미세오염물질을 제거하기 위해 사용될 수 있지만, “농도와 분자 구조 둘 다 때문에 이러한 종류의 분자를 잘 제거하지는 못한다”고 도일( Doyle)은 설명한다.

물에서 미세오염물질을 제거하는 방법에 대한 해결책을 고안할 때, MIT 연구원들은 일반적인 가정용 청소 공급품인 비누에서 영감을 받았다. 비누는 우리의 손과 몸에서부터 더러운 접시, 옷까지 모든 것을 깨끗하게 하기 때문에 비누의 화학작용은 물을 소독하는 데도 적용될 수 있을 것이다.

비누는 소수성(물을 싫어함) 성분과 친수성(물을 좋아함) 성분을 모두 가지고 있는 계면활성제(surfactant)라고 불리는 분자를 가지고 있다. 물이 비누와 접촉할 때, 계면활성제의 소수성 부분은 내부에 있는 분자의 소수성 부분과 함께 미셀(micelles)이라고 불리는 구형 구조로 조립된다. 소수성 미셀 코어(micelle cores)는 흙과 같은 기름진 물질을 가두어 운반하는 것을 돕는다.

도일(Doyle)의 실험실은 물을 깨끗하게 하기 위해 미셀이 가득한 하이드로겔(hydrogel) 입자를 합성했다. 고칼레(Gokhale)는 균일한 고분자 하이드로겔 입자를 지속적이고 재현 가능하게 만들기 위해 ‘매우 작고 미립자 같은 저울에 유체를 가공하는(involve processing fluids on very small, micron-like scales)’ 미세유체학( microfluidics)을 사용했다고 설명한다.

이러한 하이드로겔은 다공성이고 흡수성이 있는 계면활성제, 광개시제(반응종을 생성하는 분자) 및 PEGDA(폴리에틸렌글리콜디아크릴레이트)로 알려진 교차 결합제를 포함하고 있다. 계면활성제는 자외선을 이용하여 하이드로겔과 화학적으로 결합된 미셀로 조립된다. 물이 미세입자 시스템을 통해 흐를 때, 미세오염물질은 미셀에 달라붙어 물에서 분리된다.

시스템에 사용되는 물리적 상호작용은 물에서 미세공해물질을 끌어당길 수 있을 만큼 강하지만 하이드로겔 입자가 미세공해물질로부터 분리되고, 복원되고, 재사용될 수 있을 만큼 약하다. 실험실 실험 결과 하이드로겔에 포함된 계면활성제의 양이 증가하면 오염물질 제거 속도와 정도가 모두 증가하는 것으로 나타났다.

패트릭 S. 도일(Patrick S. Doyle) 교수는 “인출률 측면에서 산업용으로 규모를 확대할 때 가장 중요한 것은 우리의 초기 포맷으로 이미 활성탄을 능가할 수 있다는 것을 보여주었다”라면서 “우리는 실온에서 이 입자들을 매우 쉽게 재생할 수 있다. 성능 변화를 최소화하면서 거의 10번의 재생 주기를 거친다”라고 덧붙였다.

입자의 재생은 미셀을 90% 에탄올에 담가 “모든 오염물질이 입자에서 나와 에탄올 안으로 다시 들어간다”고 고칼레(Gokhale)는 말한다. 에탄올은 저농도, 저비용, 가연성 바이오세이프이므로 안전하고 경제적으로 폐기할 수 있다.

하이드로겔 입자의 재활용은 이 기술을 지속 가능하게 만들며, 이는 활성탄에 비해 큰 장점이다. 하이드로겔은 또한 어떤 소수성 미세 공해물질에도 조정될 수 있으며, 이 시스템을 새롭고 유연한 물 정화 접근으로 만든다.

확장(Scaling up)

연구팀은 기존 정수 방식으로 제거가 어려운 것으로 알려진 미세오염물질 2-나프톨(2-naphthol)을 실험실에서 실험했다. 그들은 실제 물 샘플로 실험을 계속하기를 희망한다.

도일 교수는 “현재, 우리는 마이크로 공해 물질 하나를 순수한 실험실 물로 급상승시킵니다. 우리는 자연환경에서 물 샘플을 채취하여 실험적으로 연구 및 관찰할 수 있기를 바란다”라고 말한다.

입자생산을 증가시키기 위해 미세유체학을 사용함으로써, 도일과 그의 연구실은 가정용 필터를 만들 계획이다. 그리고 나서 그들은 시 정수 처리나 심지어 산업폐수 처리까지 확장할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

그 연구소는 최근에 움직이지 않는 미셀을 사용하는 하이드로겔 기술에 대한 국제 특허 출원을 했다. 그들은 물에서 납과 같은 중금속 오염물질을 제거하기 위해 다양한 종류의 하이드로겔을 실험함으로써 이 작업을 계속할 계획이다.

사회적 영향(Societal impacts)

현재 진행 중인 2019년 J-WAFS(식품 시스템 연구소) 종자 지원금으로 운영되는 이 연구는 전 세계 정수시스템의 속도, 정밀도, 효율성 및 환경 지속 가능성을 개선할 수 있는 잠재력을 가지고 있다.

고칼레(Gokhale)는 “저는 항상 사회적으로 영향을 미치는 일을 하고 싶었고, 물이 정말 멋지다고 생각하기 때문에 항상 물에도 관심이 있었다”라면서 “물이 다른 종류의 분야에 어떻게 들어맞는지 정말 흥미롭다…우리는 사람들의 문화, 이것을 어떻게 사용할 것인지, 그리고 나서 이러한 물의 공정성을 고려해야 한다”라고 강조했다. 

원래 인도에서 온 고칼레는 물이 거의 없는 곳과 해마다 홍수가 나는 곳들을 목격했다고 말한다. 고칼레는 “해야 할 흥미로운 일들이 많이 있으며 앞으로 많은 사람들의 삶에 영향을 줄 것이라고 생각한다”고 말했다.

도일 교수는 “물은 아마도 다음 수십 년 동안 가장 중요한 것이기 때문에 전 세계에 매우 중요한 일을 하는 것은 매우 성취감을 준다”라고 덧붙였다.

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Using soap to remove micropollutants from water

MIT chemical engineers create affordable, sustainable soap-based system to eliminate emerging micropollutants in water

Imagine millions of soapy sponges the size of human cells that can clean water by soaking up contaminants. This simplistic model is used to describe technology that MIT chemical engineers have recently developed to remove micropollutants from water ? a concerning, worldwide problem.

Patrick S. Doyle, the Robert T. Haslam Professor of Chemical Engineering, PhD student Devashish Pratap Gokhale, and undergraduate Ian Chen recently published their research on micropollutant removal in the journal ACS Applied Polymer Materials. The work is funded by MIT’s Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab (J-WAFS).

In spite of their low concentrations (about 0.01-100 micrograms per liter), micropollutants can be hazardous to the ecosystem and to human health. They come from a variety of sources and have been detected in almost all bodies of water, says Gokhale.

 Pharmaceuticals passing through people and animals, for example, can end up as micropollutants in the water supply. Others, like endocrine disruptor bisphenol A (BPA), can leach from plastics during industrial manufacturing. Pesticides, dyes, petrochemicals, and per-and polyfluoroalkyl substances, more commonly known as PFAS, are also examples of micropollutants, as are some heavy metals like lead and arsenic. 

These are just some of the kinds of micropollutants, all of which can be toxic to humans and animals over time, potentially causing cancer, organ damage, developmental defects, or other adverse effects.

Micropollutants are numerous but since their collective mass is small, they are difficult to remove from water. Currently, the most common practice for removing micropollutants from water is activated carbon adsorption. In this process, water passes through a carbon filter, removing only 30 percent of micropollutants. 

Activated carbon requires high temperatures to produce and regenerate, requiring specialized equipment and consuming large amounts of energy. Reverse osmosis can also be used to remove micropollutants from water; however, “it doesn't lead to good elimination of this class of molecules, because of both their concentration and their molecular structure,” explains Doyle.

Inspired by soap

When devising their solution for how to remove micropollutants from water, the MIT researchers were inspired by a common household cleaning supply - soap. Soap cleans everything from our hands and bodies to dirty dishes to clothes, so perhaps the chemistry of soap could also be applied to sanitizing water. 

Soap has molecules called surfactants which have both hydrophobic (water-hating) and hydrophilic (water-loving) components. When water comes in contact with soap, the hydrophobic parts of the surfactant stick together, assembling into spherical structures called micelles with the hydrophobic portions of the molecules in the interior. The hydrophobic micelle cores trap and help carry away oily substances like dirt. 

Doyle’s lab synthesized micelle-laden hydrogel particles to essentially cleanse water. Gokhale explains that they used microfluidics which “involve processing fluids on very small, micron-like scales” to generate uniform polymeric hydrogel particles continuously and reproducibly. 

These hydrogels, which are porous and absorbent, incorporate a surfactant, a photoinitiator (a molecule that creates reactive species), and a cross-linking agent known as PEGDA. The surfactant assembles into micelles that are chemically bonded to the hydrogel using ultraviolet light. When water flows through this micro-particle system, micropollutants latch onto the micelles and separate from the water. 

The physical interaction used in the system is strong enough to pull micropollutants from water, but weak enough that the hydrogel particles can be separated from the micropollutants, restabilized, and reused. Lab testing shows that both the speed and extent of pollutant removal increase when the amount of surfactant incorporated into the hydrogels is increased.

“We've shown that in terms of rate of pullout, which is what really matters when you scale this up for industrial use, that with our initial format, we can already outperform the activated carbon,” says Doyle. “We can actually regenerate these particles very easily at room temperature. Nearly 10 regeneration cycles with minimal change in performance,” he adds.

Regeneration of the particles occurs by soaking the micelles in 90 percent ethanol, whereby “all the pollutants just come out of the particles and back into the ethanol” says Gokhale. Ethanol is biosafe at low concentrations, inexpensive, and combustible, allowing for safe and economically feasible disposal. 

The recycling of the hydrogel particles makes this technology sustainable, which is a large advantage over activated carbon. The hydrogels can also be tuned to any hydrophobic micropollutant, making this system a novel, flexible approach to water purification.

Scaling up

The team experimented in the lab using 2-naphthol, a micropollutant that is an organic pollutant of concern and known to be difficult to remove by using conventional water filtration methods. They hope to continue testing with real water samples. 

“Right now, we spike one micropollutant into pure lab water. We'd like to get water samples from the natural environment, that we can study and look at experimentally,” says Doyle. 

By using microfluidics to increase particle production, Doyle and his lab plan to make household-scale filters. They then anticipate scaling up to municipal water treatment or even industrial wastewater treatment.

The lab recently filed an international patent application for their hydrogel technology that uses immobilized micelles. They plan to continue this work by experimenting with different kinds of hydrogels for the removal of heavy metal contaminants like lead from water. 

Societal impacts

Funded by a 2019 J-WAFS seed grant that is currently ongoing, this research has the potential to improve the speed, precision, efficiency, and environmental sustainability of water purification systems across the world. 

“I always wanted to do work which had a social impact, and I was also always interested in water, because I think it's really cool,” says Gokhale. He notes, “it's really interesting how water sort of fits into different kinds of fields … we have to consider the cultures of peoples, how we're going to use this, and then just the equity of these water processes.” Originally from India, Gokhale says he’s seen places that have barely any water at all and others that have floods year after year. “There's a lot of interesting work to be done, and I think it's work in this area that’s really going to impact a lot of people's lives in years to come,” Gokhale says.

Doyle adds, “water is the most important thing, perhaps for the next decades to come, so it's very fulfilling to work on something that is so important to the whole world.”

[출처=MIT공대(Using soap to remove micropollutants from water | MIT News | Massachusetts Institute of Technology) / 2022년 3월 9일자 보도자료]