【브레이크뉴스 포항】박영재 기자=햇빛과 전기, 그리고 단순한 구조체만으로 오염된 물을 정화해 안전한 식수를 만드는 신개념 정수 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.
 ▲ 태양광 패널로부터 생성된 전력을 통해 전기수력학적 현상을 이용하여 초미세입자를 제거하는 시스템 모식도 © 포스텍 |
POSTECH(포항공과대학교) 기계공학과 임근배 교수와 박사과정 최운재 씨 연구팀은 태양광과 전기를 이용해 미세플라스틱을 비롯한 초미세 입자를 효율적으로 제거하는 정수 기술을 구현했다고 발표했다.
복잡한 장비나 고압 펌프 없이 작동하는 이 기술은 물 부족과 수질 오염이 심각한 지역의 식수 문제 해결에 새로운 대안으로 주목받고 있으며, 연구 결과는 국제학술지 어드벤스드 사이언스(Advanced Science) 온라인판에 게재됐다.
전 세계적으로 안전한 식수 접근성은 개선되고 있으나 여전히 인구의 약 4분의 1이 물 부족에 직면해 있다. 기후변화와 산업화로 오염된 수자원을 정화할 시설이 부족한 지역에서는 오염된 물을 그대로 마시는 사례도 이어지고 있다. 기존 막(membrane) 기반 정수 시스템은 고압 펌프와 많은 전력이 필요하고 시간이 지나면 막 오염(fouling)으로 성능이 떨어지는 한계가 있었다.
연구팀은 이를 해결하기 위해 ‘나노전기수력학적 여과(nanoelectrokinetic filtration)’ 원리를 적용한 새로운 전기 기반 정수 시스템을 제시했다. 이는 전기장을 활용해 물속의 미세 플라스틱, 세균 등 수 마이크로미터(μm)에서 10나노미터(nm) 이하 크기의 입자를 효과적으로 밀어내는 방식이다.
정수 시스템은 셀룰로오스 스펀지와 면섬유로 만든 친환경 다공성 구조체에 특수 코팅을 입혀, 물이 통과할 때 내부에서 자연스럽게 전기장이 발생하도록 설계됐다. 전기장은 보이지 않는 전자 그물망처럼 작용해 음전하를 띤 오염 입자를 효과적으로 제거한다. 복잡한 미세 가공 기술이 필요하지 않는 점도 장점으로 꼽힌다.
특히 기존 나노여과(NF)·한외여과(UF)가 수십~수백 kPa의 고압이 필요한 데 비해, 이 시스템은 1kPa 이하 즉 중력만으로 작동한다. 그럼에도 시간당 400L/m² 이상의 높은 처리량을 유지하며, 10nm 이하 초미세 입자까지 99% 이상 제거할 수 있다. 세척만으로 20회 이상 재사용 가능하고 태양광 충전 배터리만으로도 작동해 유지 비용이 거의 들지 않는 점도 눈길을 끈다.
임근배 교수는 “실험실 수준에 머물렀던 나노전기수력학 현상을 실제 시스템으로 확장하는 데 성공했다”며 “태양광 기반 저비용 정수 기술로 물 부족 지역의 식수 문제 해결에 큰 기여를 할 것”이라고 밝혔다. 그는 또 “바이오의약품 생산 과정의 입자 분리, 반도체용 초순수 제조 등 산업 전반에서 초미세 오염 제어의 실질적 대안이 될 수 있다”고 덧붙였다.
<구글 번역으로 번역한 영문 기사의 전문 입니다. 번역에 오류가 있을 수 있음을 밝힙니다.>
POSTECH Develops Solar- and Electric-Based "Membraneless Water Purification Technology"…Removes 99% of Microplastics
Domestic researchers have developed a new water purification technology that uses sunlight, electricity, and a simple structure to purify contaminated water, making it safe to drink.
A research team led by Professor Lim Geun-bae and doctoral student Choi Woon-jae of the Department of Mechanical Engineering at POSTECH announced the development of a water purification technology that efficiently removes ultrafine particles, including microplastics, using solar energy and electricity.
This technology, which operates without complex equipment or high-pressure pumps, is attracting attention as a new solution to drinking water problems in regions suffering from severe water shortages and water pollution. The research results were published online in the international journal Advanced Science.
While access to safe drinking water is improving worldwide, approximately one-quarter of the population still faces water shortages. In areas lacking facilities to purify water contaminated by climate change and industrialization, cases of drinking contaminated water persist. Existing membrane-based water purification systems require high-pressure pumps and large amounts of power, and their performance deteriorates over time due to membrane fouling.
To address this issue, the research team proposed a new electric-based water purification system that utilizes the principle of "nanoelectrokinetic filtration." This system effectively removes particles ranging in size from several micrometers (μm) to less than 10 nanometers (nm), including microplastics and bacteria, from water using electric fields.
The water purification system utilizes an eco-friendly porous structure made of cellulose sponge and cotton fibers, coated with a special coating. This allows for the natural generation of an internal electric field as water passes through. The electric field acts like an invisible electronic network, effectively removing negatively charged contaminants. Another advantage is that it does not require complex microfabrication technology.
While existing nanofiltration (NF) and ultrafiltration (UF) systems require high pressures of tens to hundreds of kPa, this system operates at less than 1 kPa, powered solely by gravity. Despite this, it maintains a high throughput of over 400 L/m² per hour and removes over 99% of ultrafine particles 10 nm or smaller. Its reusability over 20 times with just washing and its operation via a solar-powered battery, which reduces maintenance costs, are also noteworthy.
Professor Lim Geun-bae stated, "We have successfully expanded the nanoelectrohydraulic phenomenon, which was previously limited to the laboratory, into a practical system. This low-cost solar-powered water purification technology will significantly contribute to solving drinking water problems in water-scarce regions." He added, "It can serve as a practical alternative for controlling ultrafine contamination across industries, such as particle separation in biopharmaceutical production and ultrapure water production for semiconductors."
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