식물 뿌리 모방한 새로운 해수담수화 기술 개발- 저렴한 비용의 안정적인 해수담수화 기술의 대중화 기대

식물 뿌리 모방한 새로운 해수담수화 기술 개발- 저렴한 비용의 안정적인 해수담수화 기술의 대중화 기대

 

작성일 : 2017. 1. 19. 기초연구진흥과

 

식물 뿌리 모방한 새로운 해수담수화 기술 개발
- 저렴한 비용의 안정적인 해수담수화 기술의 대중화 기대 -

□ 미래창조과학부(장관 최양희)는 “바다 염생식물* 뿌리의 메커니즘을 모방해 별도 후처리 공정이 필요 없는 생체모방*형 해수담수화 기술을 개발하였다.”고 밝혔다.
      *염생식물 : 소금기가 많은 지역에서 자라는 식물로 주로 바닷가 주변에서 서식함. 일반적으로 식물은 삼투압 현상으로 인해 소금기가 있는 지역에서 살 수 없지만, 염생식물은 특수한 생존전략을 가지고 이러한 환경에 적응하여 서식함
      *생체모방 : 자연에서 영감을 얻어 공학적인 문제의 해결책을 찾는 방법

  o 염분이 많은 해안지역에서 자라는 대표적인 염생식물인 맹그로브* 뿌리를 생체모방하여 실험한 결과, 기존의 해수담수화 기술과 유사한 물 정화 성능(96.5%의 염분 제거)을 보였다. 제작과정도 보다 간단하고 작은 규모의 설비로 구동이 가능하여 오지와 같은 작은 마을에서도 활용이 가능하다.
       *맹그로브(mangrove) : 대표적인 염생식물로서 맹그로브의 뿌리는 나트륨이온을 필터링할 수 있는 기능을 가지고 있어 해수의 소금기의 약 90%를 걸러내는 것으로 알려짐

□ 이상준 교수 연구팀(포항공대)은 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구) 지원으로 연구를 수행했으며, 이 연구는 국제적인 학술지 ACS Nano 12월 27일자에 게재되었다.
 o 논문명과 저자 정보는 다음과 같다. 
   - 논문명 : Development of a Desaliantion Membrane Bioinspired by Mangrove Roots for Spontaneous Filtration of Sodium Ions 
   - 저자 정보 : 이상준 교수(교신저자, 포항공대), 김기웅(제1저자, 포항공대), 김혜정(공동저자, 포항공대), 임재홍(공동저자, 포항가속기연구소) 

□ 논문의 주요 내용은 다음과 같다. 

 1. 연구의 필요성
  ○ 물 부족 사태는 가장 시급히 해결해야 할 전 세계적인 문제이다. 물 부족 국가는 점차 늘어나고 있다. 이에 따라 지구상에 존재하는 물의 대부분을 차지하는 바닷물을 담수화하여 물 부족 문제를 해결하고자 하는 노력이 계속 되고 있다.
  ○ 하지만 기존의 해수담수화 방법은 과다한 에너지 사용, 제 3국가나 오지에는 설치하기 어려운 점 등 해결하기 어려운 문제점이 있다.

 2. 연구 내용
  ○ 맹그로브의 뿌리에서 일어나는 염분 제거 메커니즘을 생체 모방하여 후처리 공정 없이 지속적으로 해수를 담수화시킬 수 있는 기술을 구현하였다. 인공적으로 제작한 PET* 멤브레인*에 양전하를 갖는 물질(PAH : poly-(allylamine hydrochloride))과  음전하를 갖는 물질(PAH : poly-(allylamine hydrochloride))을 층층(layer-by-layer) 적층(deposition) 방식으로 여러 층으로 씌워서 맹그로브 뿌리와 유사한 정전기적 특성을 갖는 생체모방형 담수화 멤브레인을 제작하였다.
      *폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET) : 내열성, 강성, 전기적 성질, 내유성 등이 뛰어나 합성섬유와 필름의 원료로 많이 사용되는 플라스틱 소재
      *멤브레인(membrane, 여과막) : 액체에 용해된 용존 물질을 분리할 수 있는 다공성 막으로 해수의 염분을 제거하는 역할을 함
  ○ 상기 생체모방형 멤브레인을 이용하여 100밀리몰(mM)의 염화나트륨(NaCl) 수용액을 필터링한 결과, 약 96.5%의 염분이 걸려졌다.
  ○ 실험이 진행된 3일간 토출 유량이 7.6 리터(단위면적, 단위시간당, m2h)로 거의 일정하게 유지되었다. 이는 파울링* 현상으로 인한 유량 감소가 발생하지 않는다는 사실을 나타낸다. 또한 이 멤브레인을 이용하여 필터링 횟수를 늘리면 실제 바닷물(약 310mM)도 토출 유량* 2.3리터(단위면적, 단위시간당, m2h)로 담수화 시킬 수 있음을 확인하였다.
        *파울링 : 여과막에서 여러 가지 원인에 의해 막이 오염되거나 막히는 현상
       *토출 유량 : 막을 통과하여 나오는 유체의 양

 3. 연구 성과
  ○ 맹그로브라는 염생식물의 뿌리가 가진 물 정화 메커니즘을 생체모방하여 기존의 담수화 기술과는 유사한 물 정화 성능을 보이면서 막의 막힘, 높은 에너지 소비 등의 문제점들이 발생하지 않는 지속 가능한 해수담수화 기술을 구현하였다.
  ○ 기존의 해수담수화 기술과 유사한 물 정화 성능(96.5%의 염분 제거)을 보이면서 보다 제작과정이 간단하고 작은 규모의 설비로 구동이 가능하여 개발도상국, 오지와 같은 작은 마을에서도 활용이 가능하다.
  ○ 차별화된 특색 있는 전략으로 새로운 개념의 담수화 기술을 창출할 수 있기 때문에 기술이전 및 상업화의 가능성도 높을 것으로 생각된다. 또한 유사한 물질전달현상을 이용하는 다른 분야에도 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

□ 이상준 교수는 “이번 연구성과는 맹그로브 뿌리의 물 정화 매커니즘을 생체모방한 새로운 멤브레인 기술을 도출하여 해수를 담수로 바꾸는 기술을 개발한 것이다. 이 기술은 저렴한 비용으로, 효율적이고, 안정적으로 해수를 담수화할 수 있다. 향후 해수 담수화를 통해 생활용수, 농업용수,  식수를 바닷물로부터 보다 효과적으로 얻을 수 있을 것으로 기대된다.“라고 연구의 의의를 설명했다. 

<참고자료> : 1. 연구결과 개요,  2. 연구이야기,  3. 용어설명
             4. 그림설명  5. 연구자 이력사항

연 구 결 과  개 요

 1. 연구배경
  ㅇ 생명체의 생존에 있어서 물은 매우 중요한 요소이다. 하지만 세계보건기구(WHO)의 발표에 따르면 2026년도에는 전 세계 인구의 60%가 물 부족 문제에 직면하게 된다고 한다.
  ㅇ 이러한 물 부족 문제에 가장 주목받는 해결 방법은 바닷물을 담수화하여 생활용수로 활용하는 것이다. 바닷물은 지구에 존재하는 물의 약 97% 정도를 차지한다. 소금기를 제거하여 염분 농도를 3.5%에서 0.3% 이하로 낮추게 되면 담수로 사용하는 것이 가능하다.
  ㅇ 하지만 현재 가장 많이 사용되고 역삼투 방식(reverse osmosis)*의 담수화 기술의 경우 높은 에너지 소비, 별도의 후처리 공정, 막의 막힘 등과 같은 문제점을 가지고 있다.
         *역삼투 방식 : 역삼투(reverse osmosis) 현상을 이용하여 용매와 용질을 분리해 내는 기술
  ㅇ 기존 담수화 기술들이 가지고 있는 이러한 문제점들을 근본적으로 해결할 수 있는 새로운 개념의 담수화 기술 개발이 요구되고 있다.

 2. 연구내용

  ㅇ 연구팀은 오랜 세월에 걸쳐 해수에 적응하여 최적화된 구조와 기능을 가지고 있는 염생(鹽生)식물(halophyte)*을 생체모방(biomimetics)**하여 새로운 담수화 기술을 도출하는 연구를 수행하였다.
         *염생식물 : 소금기가 많은 지역에서 자라는 식물
  **생체모방 : 자연에서 영감을 얻어 공학적인 문제의 해결책을 찾는 방법

  ㅇ 해안지역에 사는 염생식물은 생존을 위해 바닷물에서 염분을 효과적으로 제거해야만 한다. 대표적인 염생식물인 맹그로브(mangrove)는 뿌리에서 소금기를 최대 90% 정도 걸러내는 것으로 알려져 있다. 맹그로브 뿌리의 멤브레인은 나트륨 이온을 필터링할 수 있는 기능을 가지고 있다. 맹그로브의 물 정화(purification) 현상을 이해하고 이를 생체 모사한 생체모방 기술을 개발하면 새로운 담수화 기술을 도출할 수 있다.  
  ㅇ 연구팀은 맹그로브 뿌리에서 일어나는 나트륨 이온 필터링(filtering) 메커니즘을 생체 모방하여 별도의 후처리 과정 없이 해수를 지속적으로 담수화시킬 수 있는 기술을 개발하였다.
  ㅇ 맹그로브 뿌리의 표피는 약 –94 mV의 상당히 큰 음(negative)의 표면 제타 전위(surface ζ-potential)* 값을 갖고 있는데, 이러한 정전기적 특성에 기인하여 대부분의 이온들이 뿌리에서 걸러짐을 확인하였다.
         *표면 제타 전위 : 고체 표면의 전기 이중층(electric double layer) 내부 미끄럼층(slipping plane)에서의 전하.
  ㅇ 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET) 기반의 멤브레인을 이용하여 층상(layer-by-layer) 적층 방식으로 맹그로브 뿌리와 유사한 표면 제타 전위를 갖는 PAH-PSS* 멤브레인을 제작하고 이를 이용하여 100 mM의 NaCl 수용액을 필터링한 결과, 약 96.5%의 나트륨 이온이 걸러졌다.
        *PAH-PSS : 이 연구에서 제안한 맹그로브 뿌리와 유사한 표면 제타 전위를 갖는 멤브레인을 만들기 위해서 양전하를 갖는 poly(allylamine hydrochloride)(PAH)와 음전하를 갖는 poly(sodium,            styrenesulfonate)(PSS)를 PET 멤브레인 표면에 여러층으로 적층하여 제작한 담수화 멤브레인
  ㅇ 실험이 진행된 3일 동안 토출 유량이 7.6 리터(단위면적, 단위시간당, m2h)로 거의 일정하게 유지 되었다. 이는 파울링(fouling)** 현상에 기인한 유량 감소가 발생하지 않아 지속적인 필터링이 가능함을 의미한다. 이 PAH-PSS 멤브레인을 이용하여 필터링 횟수를 늘려 실제 바닷물 (약 310mM)도 담수화시킬 수 있음을 확인하였다.
         *토출 유량 : 막을 통과하여 나오는 유체의 양
         **파울링 : 여과막에서 여러 가지 원인에 의해 막이 오염되거나 막히는 현상

3. 기대효과 
  ㅇ 이 연구성과는 선행 연구에서 확인한 맹그로브 뿌리에서 일어나는 나트륨 필터링 기작을 생체 모방하여 실제 맹그로브 뿌리와 유사하게 별도의 후처리 과정 없이 해수를 지속적으로 담수화 시킬 수 있는 생체모방형 해수담수화 멤브레인 기술을 개발하였다.
  ㅇ 맹그로브 뿌리의 나트륨 이온 필터링 기술을 생체모사하여 개발한 생체모방형 멤브레인은 향후 무전원 방식으로 수자원을 안정적으로 확보할 수 있는 새로운 개념의 담수화 기술의 핵심 요소기술이다. 기존의 담수화 기술이 가지고 있는 여러 가지 문제점들에 대한 해결책을 제시하고, 실제 해수를 담수로 손쉽게 변환시킬 수 있는 경제적이고 환경친화적인 기술을 제시함으로써 인류가 극복해야 할 큰 문제 중 하나인 물 부족 문제 해결에 이바지 할 수 있을 것이다. 
  ㅇ 이 연구에서 소개된 기술은 기존의 담수화 방법들과는 차별화된 특색 있는 전략으로 새로운 담수화 기술을 창출하여 기술 이전 및 상업화의 가능성도 높다. 향후 해수 담수화, 희귀 금속 회수, 세포 분리 등과 같은 다양한 산업분야에 응용되어 국가산업발전에 기여할 것으로 기대된다.

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

바다에 서식하는 염생식물을 생체 모방한 담수화 기술의 개발은 연구팀이 가지고 있는 노하우를 제대로 발휘할 수 있는 연구 주제였다. 기존의 담수화 기술은 에너지 효율이 낮고, 필터링 과정에서 발생하는 파울링 문제로 인해 별도의 후처리 공정이 필요하고, 대형 시설이어서 오지에 설치하기 어렵다. 지금까지 이러한 문제점들을 해결하기 위해 다양한 방법들이 시도되었으나 환경친화적이고 지속 가능한 새로운 해결책을 마련하기 위해서는 기존 방식에서 탈피한 창의적인 시각에서 접근하여야 했다. 이 연구에서는 염생식물이 가진 독특한 형태학적 구조와 식물 수력학적 특성에 기반하여 생체 모방형 담수화 멤브레인 기술을 도출하였다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

극한 환경에 서식하는 식물들은 생존을 위협하는 자연 환경에 오랜 세월동안 적응하여 생존에 필요한 물을 안정적으로 확보하기 위해 최적화된 생존 전략을 갖추고 있다는 가설에 기반하여 이 연구를 수행하였다. 본 연구에 앞서 맹그로브 뿌리에서 일어나는 이온 필터링 메커니즘을 밝히는 연구를 수행하고, 이에 대한 이해를 바탕으로, 생체 모방형 담수화 멤브레인을 제작하였다. 제작된 멤브레인을 이용하여 낮은 농도의 소금물에서부터 실제 바닷물까지 필터링시킨 결과, 몇 번의 필터링 과정을 거치면 높은 효율로 담수를 얻을 수 있음을 실험적으로 확인하였다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

식물의 구조와 기능을 생체모방하는 연구는 아무도 해보지 않은 연구 내용을 다루게 되어 도전적으로 접근해야 하는 경우가 많다. 참조할 기존 연구결과가 없다 보니 연구를 진행는 과정에서 처음 계획하였던 방식이 통하지 않거나, 엉뚱한 결과가 나오는 경우가 종종 있었다. 그럴 때 마다 다양한 연구배경(기계, 생명과학, 화학)을 가지고 있는 연구실 구성원들과의 discussion을 통해서 새로운 돌파구를 찾을 수 있었고, 매주 진행되는 랩미팅을 통해 교수님 이하 많은 분들의 조언을 들으며 하나하나 문제를 해결해 나갈 수 있었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

맹그로브라는 염생식물의 뿌리가 가진 물 정화 기작을 생체모방하여 기존의 담수화 기술들이 가지고 있는 문제점들이 발생하지 않는 지속 가능한 담수화 기술을 구현하였다. 본 연구에서 개발한 해수담수화용 멤브레인은 제작이 용이하고, 간단한 방법으로 표면 제타 전위를 조절하는 것도 가능하며, 뛰어난 안정성을 가지고 있다. 또한 이 연구 결과를 바탕으로 향후 적절한 구조 설계를 통해 무전원 방식의 해수담수화 기기를 제작할 수 있을 것으로 기대된다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?

연구팀이 제안한 기술은 기존의 담수화 기술과는 차별화된 전략으로 수자원을 안정적으로 확보할 수 있는 원천기술로서 기술 이전과 사업화 가능성이 높다. 이번에 개발한 생체모방형 멤브레인 기술은 물 산업 시장에서 기술 선점을 통해 부가가치를 창출할 수 있을 것이며, 기존의 담수화 기술들이 가지고 있는 문제점들을 해결하는데도 도움이 될 것이다. 또한 대형 설비를 설치하기 어려운 섬이나 오지 마을 등에 유용하게 활용되어질 기술로 발전될 것을 기대한다.

용 어 설 명

1. ACS Nano지
  ○ 화학, 생물학, 재료과학, 물리학, 공학부문의 나노과학/기술 분야에서 최고의 권위를 인정받고 있는 국제학술지(IF: 13.334)이다.
 
2. 염생식물
  ○ 소금기가 많은 지역에서 자라는 식물로 주로 바닷가 주변에 서식을 한다. 일반적으로 식물은 소금기가 있는 지역에서는 삼투압 현상에 기인하여 살 수 없지만, 염생식물은 몇 가지 독특한 생존 전략을 가지고 이러한 환경에 적응하여 잘 자란다.

3. 생체모방
  ○ 생체모방(biomimetics)은 생명을 뜻하는 bio’와 모방을 뜻하는‘mimesis’라는 단어가 결합한 용어이다. 생명체의 구조와 기능을 모방하여 공학적 기술로 활용하는 행위를 나타내며, 오랜 세월에 걸쳐 최적화되어진 생물체의 특성을 연구하여 인류에 도움이 되는 기술을 개발하는데 사용되는 연구 방법이다.

4. 표면 제타 전위
  ○ 제타 전위는 전기적 이중층(electric double layer) 내의 미끄럼층(slipping plane)에서의 전하를 의미하며 일반적으로 매질 내에 물체가 존재할 때 적용한다. 표면 제타 전위는 고체 표면에서의 제타 전위를 의미한다.

5. PAH-PSS
  ○ 이 연구에서 제안한 멤브레인의 이름으로 맹그로브 뿌리와 유사한 표면 제타 전위를 갖는 생체모방형 멤브레인을 의미한다. 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET) 기반의 여과막 표면에 양전하를 갖는 폴리 알릴아민 하이드로클로라이드(poly-allylamine hydrochloride, PAH)와 음전하를 갖는 폴리 나트륨 스타이렌술포네이트(poly-sodium styrenesulfonate, PSS)를 적층하여 제작하였다.

그 림 설 명     
        

        
   (그림 1) 생체모방형 해수담수화 멤브레인의 개념 및 특성
  (좌측에서부터 첫 번째) 이 연구에서 사용한 맹그로브(rhizophora styrosa)로 뿌리에서 최대 90%정도의 염분을 필터링 할 수 있는 식물로 알려져 있다. (좌측에서부터 두 번째)맹그로브 뿌리와 유사한 표면 제타 전위를 갖는 멤브레인이 이온 용액과 만나면 멤브레인의 표면에 이온 농도 희박층(ion depleted layer)이 형성되어 물은 멤브레인을 통과하고 이온들은 대부분 걸러지게 된다. (좌측에서부터 세 번째) 3일간 100 mM의 NaCl 수용액을 필터링하는 동안 토출유량과 염분제거율의 변화이다. 개발한 멤브레인에 의해 약 96.5%의 염분이 제거되고 토출 유량은 7.6 L/m2/h로 거의 일정하게 유지되었다. 

     
이상준 교수[교신저자] 이력사항

1. 인적사항                                        
 ❍ 소 속 : 포항공과대학교 기계공학과 
 

2. 경력사항
 ❍ 2008.10 ~ 현재 : 생체유체 창의사업단 단장
 ❍ 2009.01 ~ 2013.12.31 : 한국가시화정보학회 회장
 ❍ 2010.09 ~ 2013.08 : 포항공대 석학교수 (POSTECH Fellow)
 ❍ 2014.01 ~ 2015.12 : 순환기의공학회 이사장
 ❍ 2006.01 ~ 현재 : 아시아유체공학위원회 한국대표

3. 수상 등 기타 업적
 ❍ 2015 : 이달의 과학기술자상
 ❍ 2014 : 미국물리학회(APS) 석학회원
 ❍ 2013 : 순환기의공학회 학술상
 ❍ 2012 : 한국가시화정보학회 학술상
 ❍ 2007 : JOV상, 일본가시화정보학회

4. 연구지원정보 
 ❍ 2008~2017 : 미래창조과학부 기초연구사업 리더연구지원사업

김기웅 [제1저자] 이력사항

1. 인적사항 
 ❍ 소  속 : 포항공과대학교 기계공학과

 

2. 전문분야정보
 ❍ 생체유동가시화
 ❍ 생체모방형 해수담수화 기술 개발