Development of Advanced Biomimetic Membrane Technologies Inspired by halophytes

Abstract

전세계적으로 물 부족 문제가 극심화 되고 있는데 이러한 상황에 가장 주목받는 해결 방법은 바닷물을 담수화하여 활용하는 것이다. 바닷물은 지구에 존재하는 물의 약 97% 정도를 차지하며, 소금기를 제거하여 염분 농도를 3.5%에서 0.3% 이하로 낮추게 되면 담수로 사용하는 것이 가능하다. 하지만, 현재 가장 많이 사용되고 역삼투(Reverse Osmosis) 방식의 담수화 기술의 경우, 높은 에너지 소비, 별도의 후처리 공정, 막의 막힘 등과 같은 문제점을 가지고 있다. 기존 담수화 기술들이 가지고 있는 이러한 문제점들을 근본적으로 해결하기 위해서 새로운 개념의 담수화 기술 개발이 요구되고 있다. 이러한 상황에 따라서 본 연구에서는 오랜 세월에 걸쳐 해수에 적응하여 최적화된 기능을 가지고 있는 염생(鹽生)식물(Halophyte)을 생체모방(Biomimetics)하여 새로운 담수화 기술을 도출하였다. 다양한 맹그로브 중에서 rhizophora stylosa라는 종을 이용하여 뿌리에서 나트륨 이온이 어디에서 어떻게 걸러지는지 실험적으로 확인을 하였다. 그 결과 뿌리의 표피는 구조적, 기능적 특징에 따라 3가지 막으로 구분되고 그 중 가장 바깥쪽의 첫 번째 막의 표면 제타 전위(surface ζ-potential) 값(pH 9에서 약 -90m V)이 일반적으로 사용되는 상용 멤브레인(Membrane) 필터의 표면 제타 전위값(pH 9에서 약 -20mV)에 비해 더 음의 특징을 보임을 확인하였다. 뿌리에서 이온이 제거될 수 있는 다양한 요소 중에서 한 가지 주요한 정전기적 특성을 확인하였고, 생체모방형 멤브레인을 제작하여 이온을 밀어내는 정도를 확인하는 실험을 진행하였다. 다양한 표면 제타 전위 값을 갖는 멤브레인을 제작하고 이를 이용하여 표면 제타 전위 값에 따른 이온 희박 영역 형성에 관한 가시화 실험을 진행하였다. 그 결과 표면이 더 강한 음의 전하를 띌수록 이온 희박 영역이 보다 효과적으로 형성됨을 확인하였다. 맹그로브 뿌리와 유사한 표면 제타 전위를 띄는 멤브레인을 이용하여 100 mM의 NaCl 수용액을 필터링한 결과, 약 96.5%의 이온이 걸러졌다. 또한, 실험이 진행된 3일 동안 시간당 토출 유량이 7.6 L/m2/h로 거의 일정하게 유지 됐다. 이러한 연구 결과를 바탕으로 외부의 전기 공급 없이 이온 및 전하를 띄는 입자를 제거하는 미세유체장치를 설계하였다. 채널 벽면의 표면 제타 전위를 원하는대로 조절할 수 있는 특징을 갖는 이 장치를 이용하면 전하를 띄는 물질을 특정 방향으로 이동시킬 수 있다. 맹그로브 뿌리의 나트륨 이온 필터링 기술을 생체모방하여 개발한 생체모방형 멤브레인은 향후 무전원 방식으로 수자원을 안정적으로 확보할 수 있는 새로운 개념의 담수화 기술의 핵심 요소 기술이다. 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 이바지할 수 있을 것이다. 본 연구에서 소개된 기술은 기존의 담수화 방법들과는 차별화된 특색 있는 전략으로 치밀한 새로운 담수화 기술을 창출하여 기술 이전 및 상업화의 가능성도 높다. 그리고 유사한 물질 전달 현상을 이용하는 다양한 분야에 응용되어 국가산업발전에 기여할 것으로 기대된다.

The scarcity of fresh water is a global challenge faced by human society. Several water filtration methods have been suggested to secure fresh water from saline water. However, conventional methods suffer from technical limitations, such as high power consumption, expensive operating cost, and requirement of large-scale infrastructure. To resolve these limitations, survival strategies of plants have been studied. Plants lived in the seashore, called halophytes, have to remove Na+ ions from surrounding saline water for survival, because excess Na+ ions work as toxic element. However, numerous biophysical mechanisms underlying filtration of Na+ ions remain unclarified, and the advantageous desalination features of halophytes have not been fully utilized yet. In this thesis, the basic principle of water filtration strategies of mangrove which is one of representative halophytes was investigated and nature-inspired biomimetic membrane technologies were derived. The biophysical characteristics of saline water filtration in the roots of a mangrove, Rhizophora stylosa, were investigated from a plant hydrodynamic point of view. The root was observed to possess a hierarchical and triple-layered pore structures in the epidermis, and most Na+ ions were filtered at the second layer of the outermost layer. The high blockage of Na+ ions was mainly attributed to high surface zeta potential (SZP) of the first layer. A highly charged membrane was fabricated to form ion depletion zone (IDZ) without external power supply. The formation of IDZ around the membrane was experimentally investigated with varying SZP. Based on these results, a nature-inspired membrane with highly charged surface was proposed as an effective means for desalination of saline water. The surface of the fabricated membrane has a highly negative ζ-potential value of -97.5 ± 4.3 mV, similar to that of the first layer of the roots of a mangrove. Desalination of salted water using this membrane shows a high salt retention rate of 96.5%. Finally, spontaneous water filtration without external power supply was examined using highly-charged precursor mixtures, instead of recognized microfluidic desalination techniques. As a result, ions existed in solutions were moved toward the centreline of the main channel by the Donnan exclusion mechanism and charged species were moved to the direction with an angle of inclination. Conclusively, the revealed saline water filtration mechanisms of the mangrove’s root would lead to open great opportunities for developing innovative biomimetic membrane technologies for water filtration.