압도적인 속도로 바닷물 담수화, 불소나노튜브

바닷물 담수화, 식수 부족 문제의 해결

기존 나노튜브 대비 4500배 놀라운 속도로 물을 투과

[객원 에디터 6기 / 최하연 기자] 도쿄대학의 연구진은 2022년 5월 13일, 불소 나노튜브를 활용하여 바닷물을 초고속으로 통과시키면서도 소금은 통과시키지 않는 기술을 개발했다고 발표했다. 이 기술의 주요 특징은 불소 나노튜브의 독특한 구조로, 이로써 바닷물을 효과적으로 정화할 수 있는 가능성이 열린 것이다.

지구의 물 중 70%가 바닷물로 이루어져 있는 현실을 고려할 때, 바닷물을 식수로 전환하는 기술은 지속 가능한 사회를 구현하기 위한 중요한 과제로 간주되고 있다. 기존의 바닷물 정화 방법 중 가장 흔한 방법은 바닷물을 끓여 증기로 만들어 염분을 제거하는 과정이나, 염분을 제거한 증기를 식혀 다시 액체로 변환시키는 방법이었다. 그러나 이러한 방법들은 많은 에너지 소비로 인해 매우 비효율적이었다. 도쿄대 연구진은 여기서 벗어나 불소 나노튜브를 사용한 새로운 접근 방식을 제시하였다. 기존의 나노튜브는 물은 통과할 수 있지만 소금은 통과하지 못하는 0.3nm 직경의 구조를 가지고 있었다. 이는 아쿠아포린이라 불리는 우리 몸의 물 분자 통과를 모방한 것이었으나, 아쿠아폴린의 성능을 넘어설 수 없었다.

그러나 신개발된 불소 나노튜브는 직경 0.9nm로 기존의 나노튜브보다 3배 크며, 불소로 된 벽면이 마이너스로 대전되어 있어 소금을 이루는 염화물 이온과 반발하여 소금의 통과를 막는다. 이는 불소 나노튜브가 효과적으로 소금을 걸러내는 기능을 발휘하게 한 핵심적인 메커니즘이다.

불소는 극성소수성을 가진 물질로, 물을 튀기면서 빠르게 흘러내릴 수 있다. 이러한 특성은 테프론과 같이 불소수지로 코팅된 표면에서도 관찰되는데, 불소는 물 분자 간의 수소 결합을 깨뜨리면서 물을 고속으로 통과시킨다. 물 분자는 전기적으로 플러스인 2개의 수소 원자와 마이너스인 산소 원자로 구성되어 있으며, 수소의 플러스가 다른 물 분자의 산소 원자를 약하게 끌어당긴다. 이처럼 물 분자는 수소 결합에 의해 클러스터 상태로 존재하며, 불소가 가해질 때 이 클러스터가 붕괴되어 물과 나노튜브 사이 마찰이 감소하게 된다. 이러한 현상들의 결합으로 불소 나노튜브는 기존의 나노튜브나 아쿠아폴린보다도 빠른 속도로 물을 투과시킬 수 있게 되었다. 연구팀은 이러한 결과에 대해 예상치 못했다고 밝히면서, 처음에는 불소 코팅된 튜브의 통과 속도에 중점을 두었지만, 끝내는 물 속에서 소금을 효과적으로 걸러내는 데 뛰어난 성과를 얻게 되었다고 전했다.

연구팀은 이 기술이 처음에는 호기심을 중심으로 개발되었다고 밝히면서, 디자인 초기에는 탈염 기능을 고려하지 않았다고 전했다. 그러나 불소 나노튜브의 발견으로 인해 새로운 식수 생산 기술이 개발될 수 있을 것으로 기대되고 있다. 이 기술은 미래에 물 자원의 지속 가능한 이용을 위한 혁신적인 발전을 예고하며, 실용화되면 세계적인 물난제 해결에 기여할 것으로 기대된다.