< Science >해안가 식물 뿌리의 비밀 따라했더니… 바닷물, 식수가 되다

클릭하시면 더 큰이미지를 보실 수 있습니다 그래픽=김선우 기자

■ 친환경 ‘해수 담수화’ 기술개발

표피에 큰 ‘전기 방어층’ 있어
순수한 물 그대로 통과시키고
바닷물의 소금기 90% 걸러내

포스텍 연구팀 메커니즘 모방
유사한 담수화 여과막 만들어

필터링 결과 96.5% 염분제거
오랜 시간동안 성능저하 없어
高염도 해수정화 기술도 임박

“언제 어디서나 바닷물을 민물로!”

식물의 뿌리 구조를 본뜬 새로운 해수 담수화 기술이 화제다. 친환경적이고 저렴한 데다 안정적 유량 확보가 가능해 대중적 보급도 손쉬울 것으로 기대된다. 이상준 포항공대(포스텍) 교수 연구팀은 3년 전 국제 학술지 ‘ACS 나노(Nano)’에 게재한 최초 논문을 업그레이드해 조만간 식물의 잎을 모방한 제2의 담수화 연구 후속 논문도 발표할 예정이다.

21일 포스텍에 따르면 소금기 많은 바닷가 염생식물의 뿌리 메커니즘을 모방해 별도의 후처리 공정이 필요 없는 생체모방형 해수 담수화 기술이 곧 상용화를 앞두고 있다. 1차 연구는 염생식물이 가진 독특한 형태학적 구조와 식물 수력학적 특성을 창의적으로 응용했다. 염분이 많은 해안지역에서 자라는 맹그로브(mangrove) 뿌리를 생체 모방해 실험한 결과, 기존의 해수 담수화 기술과 비슷한 물 정화 성능을 확인했다. 제작 과정도 간단하고 작은 규모 설비로도 구동이 가능해 오지 작은 마을에서도 쓸 수 있다. 맹그로브는 뿌리로 나트륨이온을 필터링(filtering)해야 생존할 수 있기 때문에 해수의 소금기를 약 90%까지 걸러낼 수 있는 것으로 알려졌다. 연구는 전 세계적인 물 부족 사태를 저렴한 비용에 지속 가능한 방식으로 해결할 수 있는 단서를 제공했다는 점에서 의의가 있다. 과거 저개발국가에서 해수를 식수나 농사·생활 용수로 전환하기 위해 사용하던 역삼투압 방식의 해수 담수화는 과다한 에너지 소요, 별도의 후처리 공정, 여과막 막힘, 오지에 설치하기 어려운 단점 등으로 인해 새로운 개념의 담수화 기술 개발이 요구돼 왔다.

이 교수 연구팀은 맹그로브의 뿌리에서 작동되는 염분 제거 메커니즘을 생체 모방해 후처리 공정 없이 지속적으로 해수를 담수화하는 기술을 구현했다. 맹그로브 뿌리 표피는 상당히 큰 약 -94밀리볼트(mV)의 음(陰) 표면 제타 전위 값을 갖고 있는데, 이런 정전기적 특성에 기인해 대부분의 이온이 뿌리 표피에서 걸러진다. 표면 제타 전위란 고체 표면에 형성된 정전기층(electrostatic layer)의 전하를 말한다. 해리포터 영화나 게임에서 나오는 실드(방어망)라고 생각하면 된다. 전기 방어층이 순수한 물은 통과시키고 이온은 접근하지 못하도록 튕겨내는 것이다. 연구진은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 소재의 멤브레인(여과막)에 양전하 물질(PAH)과 음전하 물질(PSS)을 층층히 적층(積層)하는 방식으로 맹그로브 뿌리와 유사한 정전기적 특성을 갖는 생체모방형 담수화 멤브레인을 제작했다. 이 멤브레인으로 100밀리몰(mM)의 염화나트륨(NaCl) 수용액을 필터링한 결과, 약 96.5%의 염분이 걸러졌다. 실험이 진행된 사흘간 토출(吐出) 유량이 시간당 7.6ℓ(단위면적 ㎡)로 거의 일정하게 유지됐다. 이는 파울링(fouling, 여과막의 폐색) 현상으로 인한 담수화 성능 저하가 발생하지 않는다는 사실을 나타낸다. 또 이 PAH-PSS 멤브레인 필터링 횟수를 늘리면 실제 바닷물(약 310mM)도 토출 유량 2.3ℓ 수준으로 담수화할 수 있음을 확인했다.

연구팀은 저염도 해수뿐 아니라 이스라엘 사해(死海) 같은 고농도 농축 염수까지 처리 가능한 제2의 담수화 기술로, 식물 잎을 자연 모사한 무전원 방식의 태양열 증기 발생 장치를 개발해 조만간 연구결과를 학술지에 발표할 예정이다.

■ 용어설명

염생(鹽生)식물 : 소금기가 많은 지역에서 자라는 식물로 주로 바닷가 주변에 서식한다. 보통 식물은 소금기가 있는 지역에서는 삼투압 현상 때문에 살 수 없지만, 염생식물은 특수한 생존 전략으로 극한 환경에 적응해 잘 자란다.

생체모방(biomimetics) : 생명 ‘bio’와 모방 ‘mimesis’를 결합한 용어. 자연에서 영감을 얻어 공학적 문제의 해결책을 찾는 방법으로, 오랜 세월에 걸쳐 최적화된 생명체의 구조와 기능을 모방해 공학적 기술로 활용하는 행위를 말한다.

PAH-PSS : 본 연구에서 제안한 여과막의 이름으로 맹그로브 뿌리와 유사한 표면 제타 전위를 갖는 생체모방형 멤브레인. 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 기반의 여과막 표면에 양전하를 갖는 폴리 알릴아민 하이드로클로라이드(PAH)와 음전하를 갖는 폴리 나트륨 스타이렌술포네이트(PSS)를 적층해 제작했다.

노성열 기자 nosr@munhwa.com