미국 콜로라도 볼더 대학교의 연구팀은 전 세계의 물부족 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있는 기포 기반의  막 여과 시스템을 개발했다고 밝혔다.

막 필터는 일반적으로 원치 않는 입자와 오염물질을 분리하기 위해 압력을 가해 물을 필터에 통과시키는 방식으로 작동된다. 새로운 막 시스템의 특징은 물을 증류하기 위해 작은 기포 층을 사용한다는 것이다. 이를 통해 일반적인 역삼투압 시스템보다 투과성을 높이고 원치 않는 불순물의 제거율도 효과적으로 높일 수 있다.

이 연구는 최근 『사이언스 어드밴스(Science Advances)』에 게재됐으며, 앤서니 스트라우브(Anthony Straub) 토목 환경 건축 공학과 조교수가 연구를 주도하고 옹 응우옌(Duong Nguyen) 박사과정생이 제1저자로 기고했다.

스트라우브 교수는 "연구팀이 개발한 막은 고급 수처리 시스템 및 기타 응용 분야에서 사용될 수 있다"라고 말했다. 그는 이어 "해수 담수화 및 하수 재이용과 관련해 매우 높은 수질로 물을 정화하는데 활용할 수 있다"면서 "현재 우주 탐사 및 연구 임무 중 막을 사용해 물을 재이용을 하기 위해 나사와 지속적으로 협력하고 있다"고 설명을 이어 나갔다.

현재 최첨단 막을 이용해 많은 양의 물을 처리할 수 있으나 물을 처리하는 능력에는 한계가 있다.

스트라우브 교수는 "연구팀이 개발한 막은 수처리에 사용되는 화학물질을 쉽게 분해한다"면서 "이 기술을 기존 처리 과정과 통합한다면 많은 이점이 있을 것"라고 설명했다.

응우옌 박사과정생은 베트남 하노이 인근 해안 지역 출신으로, 이 지역은 산업 활동으로 주변이 환경이 오염돼 깨끗한 물공급을 유지하는 것이 여전히 큰 도전 과제이다. 효율적인 수처리 기술의 부족과 열악한 물인프라가 지역 주민들에게 어떤 부정적인 영향을 미치는지 직접 목격했다며 연구 배경에 대해 설명했다.

응우예 박사과정생은 이어 "우리 지역사회와 전 세계를 위해 수자원을 확보하고 수질을 개선하려는 열정은 콜로라도 볼더 대학에서 수질 정화 막에 대한 학위와 연구를 추구하도록 이끈 원동력이다"라며 “볼더 대는 지도 교수님인 스트라우브 교수님을 포함해 수처리 및 재이용 분야의 최고 연구자인 많은 교수진을 보유하고 있어 이 분야에서 강력한 명성을 얻고 있다"라고 말했다.

스트라우브 교수는 볼더 대는 주로 캠퍼스의 막 과학 공학 및 기술 센터와 환경 공학 프로그램의 지속적인 활동을 통해 물재이용 연구에 강력한 역사를 가지고 있다고 강조했다. 또한 연구팀이 고도의 학제간 작업을 완료하기 위해 콜로라도 공유 나노 제작 및 특성화 시설을 사용했다고 덧붙여 설명했다.

스트라우브 교수 끝으로, "우리는 수년 동안 이러한 유형의 막을 만들려고 노력해 왔다"며 "우리는 이제 이 기술을 확장하고 잠재적으로 수처리에 대한 기존 접근 방식과 통합하는 방법을 살펴볼 것"이라고 말했다.

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New membrane filtering technology at CU Boulder could help address water scarcity issues

Researchers at CU Boulder have developed a new membrane water filtration system based around air bubbles that can help address water scarcity issues around the world.

Membrane filters generally use pressure to force water through a sieve to separate out unwanted particles and contaminants. The new membrane system is unique in that it uses a tiny layer of air bubbles to distill the water rather than sieve it. This change makes the system more permeable and better at removing unwanted impurities than the common reverse osmosis systems working today.

The new technology is described in a recently published journal article in Science Advances, and the work on campus was led by Civil, Environmental and Architectural Engineering Assistant Professor Anthony Straub with PhD student Duong Nguyen contributing as first author.

Straub said his team’s membrane could be used in advanced water treatment systems and other applications.

“These can be utilized to purify water to a very high degree when it comes to desalination of seawater and in wastewater reuse efforts,” Straub said. “We also have ongoing work with NASA to use these membranes to recycle water during space exploration and research missions.”

Current state-of-the-art engineered membranes are all limited in their use by a universal trade-off where those with high water permeability also struggle to remove salt. That is, membranes that can process a high volume of water are also inherently limited in their ability to clean that water. 

“They are also vulnerable to degradation from chemicals used in water treatment,” Straub said. “So, there are a lot of advantages to pursuing this technology and possibly integrating it into existing treatment process.”

Nguyen is originally from the coastal area near Hanoi in Vietnam where maintaining clean water supplies is still a big challenge because of contamination from industrial activities. He said he has personally seen how a lack of efficient water treatment technologies and poor water infrastructure negatively impacted people in the area.

“A passion for both securing water resources and improving water quality for my community – and globally – is what led me to pursue a degree and research into water purification membranes at CU Boulder,” he said. “The university has a strong reputation in this field with many faculty that are the top researchers in water treatment and reuse, including my advisor professor Straub. I have learned a lot from him, both in conducting research and in terms of professional development during my PhD training here.”

Straub said the university has a strong history in water reuse research – primarily through the Membrane Science Engineering and Technology Center on campus and ongoing activity in the Environmental Engineering Program. He added that the team used the Colorado Shared Instrumentation in Nanofabrication and Characterization facility on campus to complete the highly interdisciplinary work.

“We have been trying to create this type of membrane for years,” he said. “We will now look at ways to scale it up and potentially integrate it into existing approaches to water treatment.”

[출처 = University of Colorado Boulder(New membrane filtering technology at CU Boulder could help address water scarcity issues | College of Engineering & Applied Science | University of Colorado Boulder) / 2023년 7월 21일]

[연구논문 출처 = 『사이언스 어드밴스(Science Advances)』 저널(https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adg6638) / 2023년 7월호]

[번역 = 배민지 차장]