나노기술 및 정책 정보

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라이스 대학교(Rice University) 연구팀이 산업 강도의 염수를 담수화하기 위해 비용 효율적인 기술의 핵심 요소로 2D 나노물질 육방정게 질화붕소의 얇은 코팅 기술을 개발함.

18 억 명이 넘는 사람들이 담수가 부족한 국가에 살고 있음. 많은 건조한 지역에서는 바닷물이나 염분이 많은 지하수가 풍부하지만 담수화 비용이 많이 발생함. 또한 많은 산업에서 기존 기술로는 처리할 수 없는, 염분 농도가 높은 폐수에 대해 많은 처리 비용을 지불하고 있음. 가장 일반적인 담수화 기술인 역삼투압은 물의 염분 함량이 증가함에 따라 점점 더 큰 압력을 필요로 하며 극도로 염분이 많은 물 또는 염분을 처리하는 데 사용할 수 없음. 해수보다 10 배 더 많은 염분을 함유할 수 있는 과염수는 많은 산업에서 점점 더 중요한 과제임. 예를 들어 일부 유정 및 가스정에서는 대량으로 이를 생산하게 되는데 담수를 만들 때 농축 소금물은 함께 생산되는 담수화 기술의 부산물임. 또한, 일반적으로 산업 공정은 물을 재사용하는 경향이 있기 때문에 염분이 많은 폐수를 생성함. 많은 산업에서 '폐쇄형' 급수 시스템을 구축하려고함으로써 담수를 회수할 때 마다 그 안에 있는 소금이 더 농축됨. 결국 폐수는 과염수가 되어 담수화하거나 처리 비용을 지불해야함.

과염수를 담수화하는 기존 기술은 자본 비용이 높고 광범위한 인프라가 필요함. Rice의 Brown School of Engineering에 본사를 둔 National Science Foundation (NSF) Engineering Research Center (ERC) 인 NEWT는 나노기술 및 재료 과학의 최신 기술을 사용하여 음용수 및 산업 폐수 처리를 위한 분산된 목적에 맞는 기술을 개발하고 있음. NEWT의 기술 중 하나는 태양 에너지를 사용하는 독립형 담수화 시스템과 멤브레인 증류라고 하는 프로세스임. 염수가 다공성 막의 한 면을 가로 질러 흐르면 햇빛을 흡수하여 열을 생성하는 광열 코팅에 의해 막 표면에서 가열됨. 차가운 담수가 멤브레인의 다른 쪽을 가로 질러 흐르면 온도 차이로 인해 수증기가 멤브레인을 통해 뜨거운 쪽에서 차가운 쪽으로 이동하여 염분 및 기타 비휘발성 오염물질이 남게 되는 압력 구배가 생성됨. 멤브레인의 각 면에서 큰 온도 차이가 멤브레인 담수화 효율의 핵심임. NEWT의 태양광 발전 버전 기술에서, 막에 부착된 빛 활성화 나노입자는 태양으로부터 필요한 모든 에너지를 포착하여 높은 에너지 효율을 제공함. 그러나 태양광만으로는 과염수 염수의 고속 담수화에 충분하지 않음. 에너지 강도는 주변 태양 에너지로 제한되며, 에너지 투입량은 평방미터당 1 킬로와트에 불과하므로 대규모 시스템의 경우 물 생산 속도가 느리게 됨. 멤브레인 표면에 열을 추가하면 각 평방피트의 멤브레인이 분당 생산할 수 있는 담수의 양이 기하급수적으로 향상 될 수 있음. 이를 측정값이라고 함. 그러나 바닷물은 부식성이 높고 가열하면 부식성이 더 높아짐. 기존의 금속 발열체는 빠르게 파괴되고 많은 비금속 대체품은 성능이 떨어지거나 전도성이 충분하지 않음. 따라서 연구팀은 전기 전도성이 높고 이 과염수에 부식되지 않고 큰 전류 밀도를 낼 수 있는 재료를 찾고 있었음.

연구팀은 육각형 질화붕소 (hBN) 박막으로 미세 스테인리스 스틸 메쉬를 코팅하는 공정을 개발했음. 질화붕소의 내화학성과 열전도도의 조합은 세라믹 형태를 고온 장비에서 중요한 자산으로 만들었지 만, 원자 두께의 2D 형태인 hBN은 일반적으로 평평한 표면에서 성장함. 연구팀은 이 hBN 코팅을 불규칙한 다공성 표면에 성장시키는데 성공함. 질화붕소(hBN) 코팅에 결함이 있는 곳이면 어디에서나 부식이 일어나기 시작하는 것을 확인함.

본 연구 성과는 ‘Nature Nanotechnology’ (“Multifunctional nanocoated membranes for high-rate electrothermal desalination of hypersaline waters”) 지에 게재됨