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Jun 29, 2023

역삼투압에 대한 우리의 이해가 잘못된 것으로 입증되었습니다.

로버트 앤더슨/Unsplash 구독함으로써 귀하는 당사의 이용 약관 및 정책에 동의하게 되며 언제든지 구독을 취소할 수 있습니다. 물은 모든 생명체가 살아가는데 꼭 필요한 소중한 자원입니다.

로버트 앤더슨/언스플래쉬

구독함으로써 귀하는 언제든지 구독을 취소할 수 있는 이용 약관 및 정책에 동의하게 됩니다.

물은 모든 생명체가 생존하기 위해 꼭 필요한 소중한 자원입니다. 그러나 세계보건기구(WHO)에 따르면 2019년 현재 약 22억 명(또는 3명 중 1명)이 안전하게 관리되는 식수 서비스를 이용하지 못하고 있습니다.

깨끗한 식수에 대한 접근은 일부 지역에서는 해수 담수화에 의존하는 중요한 글로벌 과제입니다. 이는 가장 일반적으로 역삼투(RO)라고 알려진 공정을 사용하여 수행됩니다.

삼투 현상은 1748년 초에 관찰되었지만 RO 기술은 거의 2세기가 지나서야 상업적으로 실행 가능했습니다. 해수 RO(SWRO) 담수화는 1950년대 후반에 Srinivasa Sourirajan, Sidney Loeb 및 캘리포니아 대학교 로스앤젤레스(UCLA) 연구팀에 의해 실제로 시연되었습니다.

전 세계 거의 모든 RO 시스템은 멤브레인을 사용하여 바닷물에서 식수를 생산합니다. 최초의 관찰 이후 270년 이상이 지난 지금, 과학자들은 역삼투에서 물 이동에 대한 우리의 이해의 기초가 잘못되었다고 생각합니다.

테리J

예일대학교 과학자들은 RO에서 물 수송의 기본 원리로 생각되는 용액 확산 메커니즘이 잘못되었음을 발견하고 대신 RO에서 물 수송이 막 내 기공 흐름과 압력 변화에 의해 좌우된다는 사실을 발견했습니다.

Interesting Engineering(IE)은 연구의 수석 연구원이자 Yale University의 화학 및 환경 공학과 교수인 Menachem Elimelech 교수와 그들의 작업에 대한 더 많은 통찰력을 얻기 위해 이야기를 나눴습니다.

"나는 항상 물 수송을 위한 용액-확산 메커니즘이 직관적이지 않다고 생각했고, 솔직히 말해서 많은 가정이 상당히 이상했습니다"라고 Elimelech는 이렇게 잘 확립된 현상을 조사한 동기에 대해 말했습니다.

Elimelech는 이 연구를 위해 매디슨 위스콘신 대학의 Ying Li 교수, 텍사스 공과대학의 Lianfa Song 교수와 협력했습니다. 이 팀에는 박사후 연구원인 Li Wang, Mohammad Heiranian, Yale의 Hanqing Fan, 매디슨 위스콘신 대학교의 Jinlong He도 포함되었습니다.

폴 두다 사진/Menachem Elimelech

실제 연구에 들어가기 전에 먼저 용액 확산 메커니즘인 RO에 대한 현재 설명을 이해하는 것이 도움이 될 수 있습니다.

RO는 투과성 막을 사용하여 물에서 불순물과 오염 물질을 분리합니다.

용액 확산 이론에 따르면, 물 수송은 용액 및 확산 과정에 의해 이루어지며, 이는 다시 물 농도 구배 및 막 재료 특성에 의해 좌우됩니다. 물 분자는 농도 구배에 따라 막을 통해 확산되어 농도가 높은 영역에서 농도가 낮은 영역으로 이동합니다.

바닷물은 물에 소금이 녹아 있는 용액이다. 이 모델에서 물 분자는 농도 구배에 따라 막을 통해 확산되어 더 큰 염 이온을 남기고 깨끗한 물이 생성됩니다.

Elimelech는 "저는 수업 시간에 교과서 자료를 따라 용액 확산 메커니즘의 기초를 가르쳤습니다. 그러나 모델의 핵심 가정, 특히 정수압이 막을 가로질러 일정하다 다음으로 떨어진다는 가정이 마음에 들지 않았습니다."라고 말했습니다. 막 출구의 0. 나는 이 가정이 비물리적이라고 생각했습니다."

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"또한 이러한 가정 때문에 모델은 막을 가로지르는 물 농도 구배를 예측하는데 이는 말이 되지 않습니다. 저는 항상 비압축성인 물의 농도가 압력에 따라 어떻게 변할 수 있는지 자문했습니다.

결국 나는 물 수송의 메커니즘을 풀기로 결정했습니다. 그 무렵 텍사스공대 송 교수는 삼투에 의한 물의 흐름에 관한 논문을 발표하면서 용액확산 메커니즘으로는 이를 지배할 수 없다고 주장했다. 이는 제가 분자 수준에서 역삼투압에서 물 수송의 특성을 더 탐구하도록 동기를 부여했습니다.