중국 연구진이 UV/E-Cl 기술을 성공적으로 적용하여 멤브레인 겔 파울링(membrane gel fowling)을 완화함으로써 폐수 처리 분야에서 획기적인 진전을 이루었습니다. 이 연구는 최근네이처 커뮤니케이션즈, 폐수 처리 공정에서 탈수 효율성과 막 여과 성능을 개선하는 새로운 접근 방식을 강조합니다.
향상된 탈수 효율
이 연구는 UV/E-Cl을 적용하여 탈수 실험에서 물의 유량을 크게 향상시켜 E-Cl 시스템의 최대 138%, UV 시스템의 최대 239%, 그리고 대조군의 최대 198%까지 달성했음을 보여주었습니다. 이는 UV/E-Cl이 막 오염 구조를 효과적으로 파괴하여 탈수 성능을 향상시킨다는 것을 시사합니다. 연구진은 SA-BSA 모델 시스템을 활용하여 복잡한 세포외 고분자 물질(EPS)의 거동을 시뮬레이션하고 폐수 슬러지(WAS) 탈수에서 단백질과 다당류의 관련성을 확인할 수 있었습니다.
파울링 메커니즘에 대한 분자적 통찰력
이 연구는 단백질과 다당류의 분자 간 상호작용을 심층적으로 분석하여 아미노기와 카르복실기 사이의 정전기적 가교가 막 오염에 중요한 역할을 한다는 것을 밝혀냈습니다. FTIR 스펙트럼 분석과 밀도 함수 이론(DFT) 시뮬레이션을 통해 연구진은 세 가지 분자 결합 모드를 확인했으며, 이는 고분자 가교를 촉진하는 선형 구조에 대한 강한 선호도를 나타냅니다. 이러한 결과는 UV/E-Cl이 이러한 상호작용을 어떻게 방해하여 점도 감소, 플록 크기 증가, 그리고 수분 방출 증가를 유발하는지에 대한 분자 수준의 이해를 제공합니다.
파울링 완화에 있어서 Cl 라디칼의 상승적 역할
추가 분석 결과, 염소 라디칼(Cl•)이 BSA와 SA의 분해에 중요한 역할을 하며, 분해의 90% 이상을 차지하는 것으로 나타났습니다. 본 연구에서는 이러한 거대분자와 Cl•의 상호작용에 대한 반응 속도 상수가 매우 높다는 것을 보고했으며, 이는 UV/E-Cl이 막 오염 물질을 분해하는 데 효과적임을 뒷받침합니다. 이 공정은 SA-BSA 구조를 더 작은 입자로 분해했을 뿐만 아니라 점도와 수화 용량을 크게 감소시켜 겔 형태의 오염층을 약화시켰습니다.
열역학적 통찰력: 핵심 요인으로서의 물 발생 상태
이 연구는 막 파울링의 열역학을 더욱 심도 있게 탐구하여, 일반적인 다공성이나 투과성 요인보다는 물의 발생 상태가 겔 파울링 거동을 지배한다는 것을 확인했습니다. 열중량 분석 결과, 대조 오염물 층의 결합수 함량은 거의 80%였지만, UV/E-Cl 처리 시 10% 미만으로 감소했습니다. 이러한 변화는 물의 방출을 용이하게 하여 궁극적으로 여과 저항을 낮추고 여과 효율을 향상시켰습니다.
실용적인 응용 분야로
이러한 설득력 있는 결과를 바탕으로, 연구진은 공정 확장성을 향상시키기 위해 전극 재질, 자외선 강도, 처리 시간 등 반응기 매개변수를 최적화할 것을 제안합니다. 또한, 본 연구는 UV/E-Cl을 과산화수소와 같은 다른 산화제와 통합하여 라디칼 생성을 더욱 촉진하고 처리 효율을 향상시킬 것을 제안합니다. 또한, 연구진은 지속 가능하고 비용 효율적인 폐수 처리를 위해 해수와 같은 저농도 NaCl 용액을 사용할 수 있는 가능성을 강조합니다.
멤브레인 기술의 보편적 혁신
본 연구는 WAS를 이용하여 수행되었지만, 그 결과는 폐수 처리 분야를 넘어 광범위한 의미를 지닙니다. 막 오염 완화에 있어 물 발생 상태가 주요 요인이라는 인식은 다양한 막 공정 및 반응기 규모에 걸쳐 보편적으로 중요합니다. 이 획기적인 연구는 전 세계 수처리 산업에서 더욱 효율적이고 지속 가능한 여과 기술을 위한 길을 열어줍니다.
효율적인 폐수 관리에 대한 전 세계적인 수요가 증가함에 따라, UV/E-Cl 기술은 멤브레인 수명 연장, 운영 비용 절감, 그리고 전반적인 처리 성능 향상을 위한 유망한 솔루션을 제시합니다. 연구자들이 이 혁신적인 접근 방식을 지속적으로 개선하고 확장함에 따라, 폐수 처리의 미래는 더욱 효율적이고 지속 가능하게 될 것으로 보입니다.
자세한 내용은 Nature Communications에 게재된 전체 연구를 참조하세요: [https://www.nature.com/articles/s41467-025-57878-4]
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게시 시간: 2025년 4월 3일