(Jovan Kamcev, an assistant professor of chemical engineering and macromolecular science and engineering at U-M, places a filter membrane between two electrodes, which measure how well the membrane conducts electricity. This helps his team predict how well it can purify water. Credit: Marcin Szczepanski, Michigan Engineering.)
(This diagram shows how boron is removed by the researchers’ electrodes. First a majority of the salt ions are removed with reverse osmosis. Then the water flows into a cell containing a membrane with positive (pink) and negative (orange) layers. Similarly charged electrodes face the membrane layers, and when a current is applied, water molecules at the interface of the membranes split into hydrogen and hydroxide ions. The hydroxide ions stick to boron, causing it to stick to the positive electrode. Credit: Jovan Kamcev, Kamcev Research Lab, University of Michigan, and Weiyi Pan, Elimelech Research Lab, Rice University.)
(When treated with acid, the carbon cloth fibers in the researchers’ electrodes gain oxygen-containing features that can trap boron. Credit: Jovan Kamcev, Kamcev Research Lab, University of Michigan.)
물이 부족한 세계 여러 나라에서 해수 담수화 기술은 안정적으로 물을 공급해주는 최후의 보루라고 할 수 있습니다. 매년 해수 담수화 설비 규모도 커져 2019년에는 하루 9500만톤으로 처리 규모도 커졌습니다. 역삼투압 방식과 증발식이 가장 흔하게 사용되는 방법인데, 전자의 경우 물을 끓일 필요가 없다는 장점이 있지만, 모든 물질을 필터로 걸러낼 수 없다는 문제점도 존재합니다.
미시간 대학의 조반 캄세프 교수 (Jovan Kamcev, U-M assistant professor of chemical engineering and macromolecular science and engineering)와 라이스 대학의 박사 후 과정 연구자인 웨이 판 (Weiyi Pan, a postdoctoral researcher at Rice University)은 해수담수화 시설에서 제거가 까다로운 붕소 (boron)을 효과적으로 제거할 수 있는 기술을 개발했습니다.
역삼투압 여과 장치는 전하를 띤 염분은 쉽게 제거할 수 있지만, 붕소는 원래 중성이기 때문에 걸러지지 않고 그냥 통과합니다. 따라서 화학 약품을 사용해 다시 전하를 띄게 한 후 제거하는 복잡한 과정을 거치는데, 이로 인해 해수 담수화 비용이 증가하는 것은 물론 화학 물질 사용으로 인해 친환경적이지도 않습니다.
연구팀은 일단 여과막을 통과한 물을 두 개의 전극을 이용해 수소와 수산화 이온으로 만든 후 이를 통해 붕소에 음전하를 주고 다공성 필터를 통해 음전하를 띄는 붕소를 제거하는 시스템을 개발했습니다. 이 시스템은 별도의 화학물질을 물에 투입한 후 다시 제거하는 복잡한 과정을 반복할 필요가 없어 비용을 15% 정도 낮출 수 있습니다. 담수화 비용으로 따지면 1톤 당 20센터 정도 비용을 낮출 수 있습니다.
해수 담수화 기술 자체는 고농도의 염수를 만들기 때문에 친환경적이라고 보기는 어렵지만, 물 부족 현상이 점점 더 심해지는 것도 사실이어서 물 공급이 원활하지 않은 국가나 지역에서는 유일한 해결책인 경우가 많습니다. 그런 만큼 비용과 에너지를 줄일 수 있는 신기술 역시 필요할 것입니다.
참고
https://techxplore.com/news/2025-01-purification-technology-seawater-tons-chemicals.html
Weiyi Pan et al, A highly selective and energy efficient approach to boron removal overcomes the Achilles heel of seawater desalination, Nature Water (2025). DOI: 10.1038/s44221-024-00362-y
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