"홍합에서 영감을 얻은 나노다공성 멤브레인은

산업용 폐수 처리 산업의 지속 가능성을 향상시킬 수 있습니다."

국제 연구팀이 다양한 부문에 속해 있는 물 관리의 지속 가능성을 향상시킬 수 있는 새로운 멤브레인을 개발하였습니다. 여과 섭식을 하는 홍합* 에서 영감을 얻어 폐수 처리 시스템에 이용하기 위해 박막 복합 나노다공성 멤브레인을 개발하게 되었습니다. 

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TFC NPM으로 알려진 이 멤브레인은 폐수에서 염분과 화학 물질을 분리하는데 매우 효과적이며, 재사용이 가능합니다. 새로운 멤브레인은 산업 폐수를 보다 효율적으로 여과하여 다양한 산업 분야에서 물 관리를 보다 지속 가능하게 만들 수 있는 가능성을 가지고 있습니다.

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* 여과섭식을 하는 홍합: 초록입홍합은 여과 섭식생물로 체처럼 생긴 아가미를 통해 해수를 흡입하여 유기입자들을 걸러내고 식물성 플랑크톤을 섭취한다. 특히 아가미는 3~200㎛ 크기의 입자를 제거하는 데 효율적이다. 홍합의 성체는 평균적으로 시간당 6~9리터의 물을 여과한다.

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최근 과학저널 네이처 워터(Nature Water)에는 이 멤브레인의 성능을 설명하였으며, 제약, 석유 및 가스, 섬유, 식품 가공과 같은 분야에서 보다 친환경적인 물 관리 기회를 열 수 있는 가능성을 제시하였습니다.

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연구진에 따르면, 이 멤브레인은 전기투석에 사용되는 기존의 멤브레인들을 대체할 수 있는 가능성을 제시하였습니다. 전기투석은 전류의 영향으로 멤브레인을 통해 용액 사이에서 이온을 이동시키는 수처리 방법인데, 이러한 목적으로 사용되는 현재의 멤브레인은 비용이 많이 들고 일반적으로 90%~95% 범위의 분리 효율을 나타냅니다. 그러나 최근 연구에서는 혁신적인 TFC NPM이 에너지 소비를 줄이고 비용 효율성을 높이는 동시에 99%를 초과하는 효율성을 달성하여 개선된 전기투석을 할 수 있는 가능성을 나타냈습니다.

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바스 대학(University of Bath)의 화학 공학 강사이자 이번 연구의 주요 저자인 Dr. Ming Xie에 따르면, 이 멤브레인은 우리가 폐수를 인식하는 방식을 바꿀 수 있다고 합니다.

Dr. Ming Xie는 다음과 같이 설명했습니다. "전통적으로 많은 산업체들은 자신들이 발생시키는 폐수를 무역 폐기물로 간주해 왔습니다. 우리가 만든 멤브레인과 같은 기술은 폐수 처리에 필요한 에너지를 줄임으로써 탄소 배출을 낮추는 동시에 화학 물질, 염분, 에너지, 바이오매스 및 영양소와 같은 그 안의 구성 요소를 고부가 부산물로 재사용하기 전에 효율적으로 분리하는 방법을 찾는 데 도움이 될 수 있습니다."

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과학자들은 고분자 폴리에틸렌이민(PEI)과 폴리도파민(PDA)으로 구성된 멤브레인의 표면 코팅을 개발할 때 홍합에서 영감을 얻었습니다. 이 물질은 홍합이 수생 환경에서 암석이나 나무와 같은 표면에 부착하기 위해 자연적으로 생성하는 물질입니다. 이 코팅의 접착 특성으로 인해 멤브레인의 선택성이 매우 높아져 유기물질 등이 멤브레인에 걸러지는 반면 물은 자유롭게 통과할 수 있습니다. 이러한 강화된 여과 공정을 통해 고품질의 '폐수'와 회수 가능한 고부가가치 화학물질이 생성됩니다. 이 멤브레인은 화학 물질을 개별적으로 분리하는 데 매우 효과적일 뿐만 아니라 에너지 효율성도 매우 높습니다.

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PDA/PEI 코팅 멤브레인의 여과 능력을 테스트하기 위해 연구팀은 암피실린 나트륨, 카르베니실린 디소듐, 세포탁심 나트륨, 세프트리악손 나트륨 등 4가지 항생제를 제거하는 멤브레인의 성능 테스트를 진행했습니다. 이 멤브레인은 식염수 용액에서 항생제를 제거하는 탁월한 능력을 입증하여 99.3% 이상의 이상적인 담수화 효율과 99.1%가 넘는 놀라운 항생제 회수율을 달성했습니다. 산업 폐수 처리 시스템에 사용될 경우 멤브레인 파울링(fouling)은 무시할 수 있는 수준으로, '유기 물질과 NaCl을 분리하는 데에 사용되는 최첨단 음이온 교환 멤브레인과 같은 기존 처리 방법'보다 성능이 뛰어납니다.

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논문의 공동 저자이자 한국에너지기술연구원 에너지공학과 서동한 박사에 따르면, 이 연구는 새로운 멤브레인의 고도로 발전된 전기투석 능력을 입증하고 효율적인 솔루션을 제공할 수 있음을 보여줍니다. 제약 산업에서 생산되는 바이오 기반 폐수 처리에 대한 중요한 과제를 해결하여 고부가가치 화학 물질의 효과적인 회수를 가능하게 하는 동시에 에너지 효율적인 방식으로 재사용 가능한 물을 생산합니다.

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"이렇게 간단하면서도 효과적인 코팅은 장기적인 안정성을 제공하고 폐수 조건에 관계없이 낮은 에너지 소비를 보장합니다."라고 중국 과학 아카데미의 공동 저자인 Jiuyang Lin 박사는 설명합니다. "이것은 멤브레인의 영리한 설계, 시뮬레이션 및 분석을 포함하는 폐수 처리를 위한 전기투석을 찾는 획기적인 발견입니다."

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연구진은 현재 상업적 생산을 위해 멤브레인의 규모를 확대할 수 있는 방법을 모색하고 있습니다.

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​Sources:

1)University of Bath. (2023, August 3). Mussel-inspired membrane can boost sustainability and add value to industrial wastewater treatment. ScienceDaily. Retrieved September 2, 2023 from https://www.sciencedaily.com/releases/2023/08/230803125603.htm

2)Lin, J., Ye, W., Xie, S. et al. Shielding effect enables fast ion transfer through nanoporous membrane for highly energy-efficient electrodialysis. Nat Water 1, 725–735 (2023). https://doi.org/10.1038/s44221-023-00113-5