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.

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.

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.

때문에 기존 담수화 기술들이 가지고 있는 이러한 문제점들을 근본적으로 해결할 수 있는 새로운 개념의 담수화 기술 개발이 요구되고 있다.

이에 미래창조과학부는 “바다 염생식물 뿌리의 메커니즘을 모방해 별도 후처리 공정이 필요 없는 생체모방형 해수담수화 기술을 개발했다”고 밝혔다.

염생식물은 소금기가 많은 지역에서 자라는 식물로 주로 바닷가 주변에서 서식한다. 일반적으로 식물은 삼투압 현상으로 인해 소금기가 있는 지역에서 살 수 없지만, 염생식물은 특수한 생존전략을 가지고 이러한 환경에 적응하여 서식하고 있다.

염분이 많은 해안지역에서 자라는 대표적인 염생식물인 맹그로브 뿌리를 생체모방하여 실험한 결과, 기존의 해수담수화 기술과 유사한 물 정화 성능(96.5%의 염분 제거)을 보였다고 한다. 제작과정도 보다 간단하고 작은 규모의 설비로 구동이 가능하여 오지와 같은 작은 마을에서도 활용이 가능하단다.

맹그로브(Mangrove)의 뿌리는 나트륨이온을 필터링할 수 있는 기능을 가지고 있어 해수의 소금기의 약 90%를 걸러내는 것으로 알려졌다.

이에 착안한 이상준 교수 연구팀(포항공대)은 미래창조과학부의 기초연구사업 지원으로 연구를 수행했으며, 이 연구는 국제적인 학술지 <ACS Nano>에 게재되었다.

오늘날 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 난제들이 많이 있다.

연구팀은, 맹그로브의 뿌리에서 일어나는 염분 제거 메커니즘을 생체 모방하여 후처리 공정 없이 지속적으로 해수를 담수화시킬 수 있는 기술을 구현하였다. 인공적으로 제작한 PET 멤브레인에 양전하를 갖는 물질(PAH)과 음전하를 갖는 물질(PAH)을 층층(Layer by Layer) 적층(Deposition) 방식으로 여러 층으로 씌워서 맹그로브 뿌리와 유사한 정전기적 특성을 갖는 생체모방형 담수화 멤브레인을 제작하였다.

이를 통해 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.

이 기술은 96.5%의 염분 제거로 기존의 해수담수화 기술과 유사한 물 정화 성능을 보이면서 보다 제작과정이 간단하고 작은 규모의 설비로 구동이 가능하여, 개발도상국이나 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”고 연구의 의의를 설명했다.

이 연구성과는 향후 해수 담수화, 희귀 금속 회수, 세포 분리 등과 같은 다양한 산업분야에 응용되어 국가산업발전에 기여할 것으로 기대된다.

-연구를 시작한 계기나 배경은.

바다에 서식하는 염생식물을 생체모방한 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 환경 친화적이고 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 과정을 간략히 소개하면.

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 생체모방형 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.

식물의 구조와 기능을 생체모방하는 연구는 아무도 해보지 않은 연구 내용을 다루게 되어 도전적으로 접근해야 하는 경우가 많다.

참조할 기존 연구결과가 없다 보니 연구를 진행 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 논의를 통해서 새로운 돌파구를 찾을 수 있었고, 매주 진행되는 랩미팅을 통해 교수 이하 많은 분들의 조언을 들으며 하나하나 문제를 해결해 나갈 수 있었다.

-이번 성과는 무엇이 다른가.

맹그로브라는 염생식물의 뿌리가 가진 물 정화 기작을 생체모방하여 기존의 담수화 기술들이 가지고 있는 문제점들이 발생하지 않는 지속 가능한 담수화 기술을 구현하였다.

이 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.

전흥규 기자  jeonhg@hanmail.net

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