화학자들에 따르면 깨끗한 물의 미래는 전기화되어 있다고 한다. 지구 표면의 3분의 2는 물질로 넘쳐나지만 물, 특히 깨끗하고 마실 수 있는 물은 수십억 명의 사람들이 접근할 수 없다.

미국 일리노이즈 대학교(University of Illinois)의 벡맨고등과학기술연구소(Beckman Institute for Advanced Science and Technology)의 연구원들에 의해 개발된 새로운 정화 시스템은 소금과 다른 불필요한 입자들을 휴대용 제품에서 분리하기 위해 전기투석 버전(electrified version of dialysis)을 사용한다. 계획된 강과 바다로의 확장으로 하·폐수에 성공적으로 적용된 이 방법은 비용을 절약하고 에너지를 90% 적게 소비한다.

이 연구 논문은 에너지 분야 국제학술지인 『ACS에너지 레터스(ACS Energy Letters)』 최근호에 실렸다. 

만약 물에서 소금을 제거하는 것이 태평양 위의 거대한 자석을 흔들거나 초미세 체를 통해 액체를 체로 걸러내는 것만큼 간단하다면. 변덕스러운 광물이 용해되면 분리 과정, 즉 과학계에서 명명된 담수화는 더 비싸지고 더 많은 에너지를 사용하게 된다.

담수화는 불순물과 유기물(여과하지 않은 바닷물에 떠 있는 작은 알갱이)로 인해 더욱 복잡해지고, 이를 제거하면 에너지와 예산이 팽창한다.

일리노이 대학 어바나-샴페인(University of Illinois Urbana-Champaign)의 화학 및 생체 분자 공학 조교수이자 벡맨고등과학기술연구소(Beckman Institute for Advanced Science and Technology)의 연구원인 샤오 수(Xiao Su)는 “우리는 에너지가 낮고, 저렴하고, 그것을 가장 필요로 하는 지역 사회에 유용한 식수를 정화하는 방법이 필요하다”라면서 “나는 우리의 솔루션이 에너지와 물의 위기를 모두 해결할 수 있는 플랫폼이라고 생각한다”라고 말했습니다.

탈염수(De-salting water)는 일반적으로 나트륨(Na), 염화물, 유기물 및 다양한 원자성 저장장치와 같은 바람직하지 않은 요소를 분리하기 위해 여과 또는 증발을 필요로 한다. 예를 들어, 열은 이 효과를 잘 발휘한다. 간단한 주방 실험은 소금물을 끓이면 액체가 증발하고 소금은 고체의 짠 껍질로 남아 있다.

샤오 수(Xiao Su) 연구원과 그의 동료들은 전기투석(Electrodialysis)이라는 다른 접근 방식을 취했다. 우리 몸의 신장(kidney)과 마찬가지로 정맥(veins)에서 염분과 기타 독소를 제거하는 혈액 투석과 마찬가지로 전기투석은 하·폐수에서 염분과 유기물을 제거하여 깨끗하고 마실 수 있는 제품을 생산한다.

전기투석은 효과적인 담수화 도구이지만 종종 높은 에너지 비용이 든다. 이것은 주로 물 분자를 양전하를 띤 양성자와 음전하를 띤 수산화물(OH-)의 두 가지 구성 요소로 분리하는 대표적인 물 분해 반응 때문이다. 

소금의 구성 요소에는 자체 전하가 있기 때문에 물을 쪼개면 광물이 반대 전하를 띤 불꽃으로 이동하거나 금속 조각이 자석으로 이동하는 것처럼 지정된 방향으로 광물이 이동한다.

그러나 전기투석은 자석 대신 이온(양전하 또는 음전하를 띤 원자)만 통과할 수 있는 하전 이온 교환막을 사용한다. 이온 교환막은 부지런한 유지 관리와 빈번한 교체가 필요하기 때문에 전기 투석에서 가장 비용이 많이 드는 구성 요소 중 하나이다.

샤오 수(Xiao Su)와 그의 동료들은 전기 투석의 에너지 비용이나 이온 교환막의 재정적 부담 없이 물을 정화하고자 했다. 그래서 그들은 두 가지 주요 방식으로 전통적인 접근 방식을 수정했다.

에너지를 절약하기 위해 연구원들은 산화환원반응(redox reaction)이라는 화학현상으로 염분 분리 과정을 간소화했다. 산화환원이라는 단어는 환원(화학에서 전자를 추가하여 음전하를 생성하는 것을 설명함)과 산화(양전하를 생성하기 위해 전자를 빼는 것을 의미)라는 단어의 합성어이다. 물리적으로 산화환원반응을 유발하는 것은 하·폐수가 여과되고 정제되기 전에 특수 폴리머 기반 물질을 하·폐수에 추가하는 것과 같다.

화학적으로, 결과는 변형적이다. 물 분자를 양전하와 음전하의 슬라이스로 분할하여 소금을 달래는 대신, 산화 환원 반응은 한 번에 전체 물 분자의 전하를 변화시켜 기존의 물 분할보다 약 90% 적은 에너지로 동일한 정도의 짠 분리를 달성한다.

에너지 효율성에 경제적인 절감 효과를 더하기 위해 연구원들은 기존의 이온 교환막(ion-exchange membrane)을 보다 강력하고 저렴한 옵션인 나노여과막(nanofiltration membrane)으로 교체했다.

지역 수처리 플랜트에서의 실험은 연구원의 방법이 성공적으로 하·폐수를 정화할 수 있음을 보여주었다. 향후 계획에는 지하수 및 강과 같은 염수 및 기수(brackish water) 수원으로의 확장이 포함된다.

샤오 수(Xiao Su) 연구원은 “낮은 에너지 요구량으로 인해 산화 환원(redox)에서 영감을 받은 전기투석은 태양광 패널과 잘 어울리도록 설계되었다. 더운 기후에서의 긍정적인 성능은 ‘저비용, 저에너지 담수화가 매우 필요한’ 기후 영향을 받는 지역의 응용 프로그램에 유용하다”고 강조했다.

그는 이어 “물 부족은 전 세계적인 문제이며 하루아침에 바뀌지는 않을 것다. 그러나 우리는 실현 가능하고 규모를 확장할 수 있는 해결책을 향해 한 걸음 더 나아가고 있다”라고 덧붙였다.

지금까지 연구원들은 그들의 방법을 여러 리터의 샘플로 실험했다. 하지만 그들은 더 큰 연못으로 확장하기를 열망한다.

샤오 수(Xiao Su) 연구원은 “우리는 올바른 폴리머, 올바른 멤브레인, 올바른 조건을 가지고 있다”라면서 “과학이 존재하므로 다음 단계는 실제 수처리를 위해 이러한 장치를 배치하기 위한 길을 닦는 것으로, 나는 그 시기가 적절하다고 믿으며 그것이 실현되는 것을 보게 되어 기쁘다”라고 말했다.

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Don’t wait, desalinate : the electrified future of clean water

A water purification system developed by Beckman researchers separates out salt and other unnecessary particles with an electrified version of dialysis. 

Successfully applied to wastewater with planned expansion into rivers and seas, the method saves money and saps 90% less energy than its counterparts.

Two-thirds of the Earth's surface is awash with the stuff, but water - specifically, the clean and drinkable kind - is inaccessible to billions of people.

A new purification system developed by researchers at the Beckman Institute for Advanced Science and Technology uses an electrified version of dialysis to separate salt and other unnecessary particles from the potable product. Successfully applied to wastewater with planned expansion into rivers and seas, the method saves money and saps 90% less energy than its counterparts.

The study appears in ACS Energy Letters.

If only stripping salt from water was as simple as waving a giant magnet above the Pacific or sifting liquid through a super-fine sieve. Once the shifty mineral dissolves, the separation process -- christened desalination in scientific circles -- becomes more expensive and uses more energy.

Desalination is further complicated by impurities and organic matter (the small specks you'd find suspended in a scoop of unfiltered ocean water), the removal of which spurs energy and cost budgets to swell.

"We need a way to purify drinking water that's low-energy, inexpensive, and useful for the communities that need it the most. I see our solution as a platform to tackle both the energy and water crises," said Xiao Su, a Beckman researcher and an assistant professor of chemical and biomolecular engineering at the University of Illinois Urbana-Champaign.

De-salting water usually requires filtration or evaporation to separate out undesirable elements like sodium, chloride, organic matter, and assorted atomic stowaways. Heat, for example, does this trick well - a simple kitchen experiment shows that boiling salted water causes the liquid to evaporate and the salt to abide as a solid, briny crust.

Su and his colleagues took a different approach: electrodialysis. Just like dialysis of the blood, which, kidney-like, flushes salt and other toxins from our veins, electrodialysis removes salts and organic matter from wastewater to produce a clean, drinkable product.

Electrodialysis is an effective desalination tool, but often comes at a high energy cost. This is largely due to its flagship water-splitting reaction, which pulls water molecules apart into two components : a positively charged proton and a negatively charged hydroxide. Because the building blocks of salt have charges of their own, splitting the water forces the mineral's movement in a designated direction -- like a moth to an oppositely-charged flame or a scrap of metal to a magnet.

Instead of a magnet, though, electrodialysis uses charged ion-exchange membranes, so named because only ions (atoms with a positive or negative electric charge) can pass through. Ion-exchange membranes are one of the costliest components of electrodialysis, as they require diligent upkeep and frequent replacement.

Su and his colleagues sought to purify water without the energy toll of electrodialysis or the financial strain of ion-exchange membranes. So, they modified the traditional approach in two major ways.

To save energy, the researchers streamlined the salt separation process with a chemical phenomenon called a redox reaction. The word redox is a portmanteau of the words reduction (which, in chemistry, describes adding electrons to create a negative charge) and oxidation (which means subtracting electrons to create a positive charge). Physically, triggering a redox reaction looks like adding a special polymer-based material to the wastewater before it's filtered and purified.

Chemically, the results are transformative. Instead of splitting water molecules into positively and negatively charged slices to coax out the salt, the redox reaction changes the charge of the entire water molecule in one fell swoop, achieving the same degree of salty separation with about 90% less energy than traditional water-splitting.

To add economic savings to energy efficiency, the researchers swapped conventional ion-exchange membranes for nanofiltration membrane, a more robust and less expensive option.

Experiments at a regional water treatment plant demonstrated that the researchers' method can successfully purify wastewater; future plans include expanding into saltwater and brackish water sources like groundwater and rivers.

Due to its low energy requirement, redox-inspired electrodialysis is designed to pair well with solar panels. Its positive performance in hot climates is useful for applications in climate-affected regions, "where low-cost, low-energy desalination is very much needed," Su said.

"Water scarcity is a global problem, and it's not going to change in a day. But we are taking a step toward a solution that is feasible and capable of being scaled up," he said.

So far, the researchers have tested their method on samples of multiple liters. But they are eager to expand into a bigger pond.

"We have the right polymer, we have the right membrane, and we have the right conditions," Su said. "The science is there, so the next step is paving a way for deploying these devices for real-world water treatment. I believe the time is right for that, and I'm excited to see it happen."

[출처=벡맨고등과학기술연구소(Beckman Institute for Advanced Science and Technology) (https://beckman.illinois.edu/about/news/article/2023/06/26/don-t-wait-desalinate-the-electrified-future-of-clean-water) / 2023년 6월 26일]