태양열을 이용한 물 정수 하이드로젤

(A microscope image of hydrogel's open-pored loofah-like structure. Credit: Xiaohui Xu / Princeton University)

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(The loofah hydrogel could be used to purify water in impoverished regions, or at disaster sites. Credit: Xiaohui Xu / Princeton University)

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태양 에너지를 이용한 물 정수 시스템은 이전부터 많은 연구가 진행되고 있습니다. 깨끗한 물을 공급 받기 힘든 오지나 재난 상황, 정수 시설이 부족한 물 부족 지역에서 다른 에너지원 없이 사용할 수 있는 정수 시스템에 대한 요구는 계속 늘어나고 있습니다.

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이런 태양열 정수 시스템 중 대표적인 것은 물을 증발 시킨 후 웅결시켜 증류수를 얻은 태양열 온실입니다. 하지만 상당히 큰 시스템이 필요하며 햇빛이 강한 상황이 아니면 제대로 작동하지 않는다는 문제점이 있습니다.

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대안으로 나온 것이 스펀지처럼 물을 흡수한 후 깨끗한 물을 내놓는 시스템입니다. 태양열 에너지를 이용해서 더러운 물을 흡수한 후 온도 변화에 따라 깨끗한 물을 내놓는 것입니다. 그러나 효율이 매우 낮고 정수 속도가 느린 것이 단점입니다.

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프린스턴 대학의 로드니 프리스틀리와 시아후이 추 (Rodney Priestley, Xiaohui Xu and colleagues at Princeton University) 등이 이끄는 연구팀은 수세미에서 영감을 얻은 하이드로젤을 개발했습니다.

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이 하이드로겔은 물과 글리콜 혼합물을 이용해 만든 PNIPAm (poly(N-isopropyl acrylamide)) 하이드로겔로 내부에는 수세미처럼 큰 구멍들이 다수 존재합니다. (사진) 내부의 구멍은 polymers – polydopamine (PDA)와 poly(sulfobetaine methacrylate) (PSMBA)라는 두 가지 물질로 코팅했습니다.

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원리는 간단합니다. 낮은 온도에서는 이 하이드로겔은 친수성 성질을 가져 스펀지처럼 물을 흡수합니다. 하지만 열을 흡수하면 물을 밀어내는 성질을 지닙니다. 물을 밀어낼 때 오염된 물질은 코팅 덕분에 내부에 흡착되어 남고 순수한 물만 나가는 원리입니다.

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연구팀에 따르면 이 하이드로겔은 10분만에 흡수한 물의 70%를 정화할 수 있습니다. 해가 흐린 날도 15-20분 정도면 같은 양의 물을 정화할 수 있는데 이는 이전에 개발된 비슷한 시스템보다 4배 빠른 것입니다.

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연구팀은 이 하이드로겔이 지진이나 전쟁 등 응급 상황에서 하루 마실 수 있는 식수를 급하게 정수하는 데 도움이 될 것으로 생각하고 있습니다. 또 원리상 오염 물질을 흡수하는데 유리하므로 그런 목적으로도 사용할 수 있을 것입니다. 물론 상용화에 성공하는 것은 경제성이나 대량 생산 가능성 등 여러 가지 요소에 달려 있지만, 뭔가 솔깃한 소리인 점은 분명합니다.

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참고

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https://newatlas.com/materials/loofah-hydrogel-water-purification/

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https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acscentsci.2c01245

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[출처] 태양열을 이용한 물 정수 하이드로젤|작성자 고든