[미국] 버클리연구소, 폐수서 구리 제거 기술 연구

우리는 갈증을 해소하고 풍성한 농지를 관개하기 위해 물에 의존한다. 하지만 한 때 깨끗한 물이 버려진 구리광산의 폐수로 오염되었을 때 어떻게 할 것인가?

유망한 용액은 구리 이온과 같은 중금속 원자를 폐수로부터 흡착이라는 분리 과정을 통해 포획하는 물질에 의존한다.

그러나 상용화된 구리 이온 포획 제품은 여전히 화학적 특수성과 중금속을 물에서 정밀하게 분리할 수 있는 하중 용량이 부족하다.

이제, 로렌스 버클리 국립연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory)가 이끄는 과학자팀은 ZIOS(Zinc imidazole salicylaldoxime)라고 불리는 새로운 결정물질을 설계했다. ZIOS(zinc imidazole salicylaldoxime)는 전례 없는 정밀도와 속도로 폐수의 구리 이온을 목표로 하고 가두었다.

과학자들은 최근 네이처커뮤니케이션즈지(the journal Nature Communications)에 실린 논문에서 ZIOS가 특정 중금속 이온을 원자 수준에서 제어하는 척도로 정밀 분석하는 물재생기술의 첫 청사진을 물산업계와 연구계에 제공한다고 밝히고 있는데, 이는 이 기술의 현주소를 훨씬 능가한다.

버클리 연구소의 분자 주조 공장(Molecular Foundry)의 무기 나노구조 설비를 책임지고 있는 제프 어번(Jeff Urban) 박사는 "ZIOS는 흡착 능력이 뛰어나며 지금까지 알려진 모든 물질 중에서 가장 빠른 구리 흡착 운동학을 가지고 있다"고 말했다.

이 연구는 나노스케일(nanoscale ; 수십억분의 일 미터)에서 최적화된 재료의 설계, 합성, 특성화 등 분자 주조 공장(Molecular Foundry)의 대표작품을 구체화하여 의약, 촉매, 재생 에너지 등에 대한 정교한 새로운 응용을 가능하게 한다.

예를 들어, 제프 어번(Jeff Urban) 박사는 비용 효율적인 물 담수화에서부터 재생 에너지 응용을 위한 자체 조립 2D 재료에 이르기까지 다양한 용도를 위해 단단한 물질과 부드러운 물질의 초박형 재료 설계에 많은 연구를 집중해왔다.

오클라호마대학의 화학, 생물학 및 재료 공학 조교수이자 로렌스 버클리 국립연구소의 전 연구원인 응옥 부이(Ngoc Bui) 박사는 "그리고 우리가 여기서 모방하려고 시도한 것은 박테리아 세포를 구성하는 단백질이 세포 대사를 조절하기 위해 특정 금속을 선택할 때와 같이 자연에 의해 수행되는 정교한 기능"이라고 가 말했다.

응옥 부이(Ngoc Bui) 박사는 이어 "ZIOS는 영양소나 필수 미네랄 등 바람직한 이온을 제거하지 않고 질병과 장기부전과 연계된 물 속 오염물질인 구리만 골라 제거하는 데 도움을 준다"고 덧붙였다.

원자 수준에서 그러한 특수성은 또한 보다 저렴한 수처리 기술로 이어질 수 있고 귀금속 회수에 도움이 될 수 있다.

버클리 연구소의 물 에너지 복원연구소(WERRI)의 공동 저자인 피터 피스크(Peter Fiske)는 "오늘날의 수처리 시스템은 '벌크분리기술(bulk separation technologie)'이다. 위험이나 가치에 상관없이 모든 용액을 뽑아낸다"고 가 말했다.

피터 피스크(Peter Fiske)는 이어 "다른 용액과 함께 하역되거나, 시간과 함께 분해되지 않고 특정 미량 성분을 포착할 수 있는 고선택적이고 내구성이 강한 소재는 수처리 비용과 에너지를 낮추는 데 매우 중요할 것이다. 그것들은 또한 우리가 귀중한 금속이나 다른 미량 성분을 위해 폐수를 '채굴'할 수 있게 해 줄지도 모른다"라고 강조했다.

원자 수준에서 중금속 청소

이번 연구논문의 공동연구자인 제프 어번(Jeff Urban)과 응옥 부이(Ngoc Bui) 박사는  "ZIOS 결정이 물 속에서 최대 52일까지 매우 안정적이라고 보고한다. 금속-유기 프레임 워크(frameworks,)와 달리이 신소재는 산성 광산 폐수의 pH 범위가 동일한 산성 용액에서 잘 작동한다"고 말했다.

또 "ZIOS는 첨단 구리 흡착제보다 구리 이온을 30~50배 더 빨리 선별적으로 포획한다"라고 연구진은 밝혔다.

이러한 결과는 응옥 부이(Ngoc Bui) 박사를 깜짝 놀라게 했다. "처음에는 ZIOS 결정체가 표면적이 매우 낮기 때문에 실수라고 생각했고, 통념에 따르면 물질은 금속-유기체 골격이나 다공성 방향제 골격과 같은 흡착물질의 다른 제품군과 마찬가지로 높은 특정 표면적을 가져야 높은 흡착능력과 극도로 빠른 흡착력을 가질 수 있다. '이온 운동'이라고 응옥 부이(Ngoc Bui) 박사는 말했다.

그래서 나는 '아마도 더 역동적인 무언가가 수정 안에서 일어나고 있을 것이다.'라고 생각했다.

이를 알아내기 위해 응옥 부이(Ngoc Bui) 박사는 공동저자인 강형묵(Hyungmook Kang) 연구원의 도움을 받아 분자 주조 공장(Molecular Foundry)에서 분자 역학 시뮬레이션을 수행했다.

강형묵 연구원은 버클리랩 분자파운드리(Berkeley Lab’s Molecular Foundry)  어반랩(Urban Lab)의 대학원생 연구원과 UC버클리 기계공학과 박사과정 학생이다.

강 연구원의 모델들은 ZIOS가 수분이 많은 환경에 몰입할 때 "스펀지처럼 작동하지만, 보다 구조적으로 작동한다"고 밝혔다.

ZIOS는 물을 흡수해 무작위 방향으로 구조를 확장하는 스펀지와 달리 물 분자를 흡착하면서 구체적인 방향으로 팽창한다.

버클리연구소의 어드밴스드 광원에서의 X선 실험은 이 물질의 작은 모공이나 물 분자 크기인 2~3개의 옹스트롬(angstroms)에 불과한 나노 채널도 물에 담그면 팽창한다는 것을 밝혀냈다.

응옥 부이(Ngoc Bui) 박사는 "이러한 확장은 ZIOS가 주변 물 분자와 상호작용하면서 만들어지는 '수소 결합 네트워크(hydrogen bonding network)'에 의해 촉발된다"고 설명했다.

이러한 모공 팽창은 구리 이온을 운반하는 물 분자가 더 큰 스케일로 흐를 수 있게 하며, 이 과정에서 구리 이온과 ZIOS 사이에 '조정결합(coordination bonding)'이라는 화학반응이 일어난다.

추가 X선 실험에 따르면 ZIOS는 3 이하의 pH에서 구리 이온에 대해 선택성이 높은 것으로 나타났는데, 이는 산성 광산 폐수의 pH가 일반적으로 4 이하의 pH이기 때문에 유의미한 발견이다.

게다가, 연구원들은 "이 물질에서 물을 제거하면, 수정 격자 구조가 1 나노초( (billionth of a second) 이내에 원래 크기로 수축된다"고 말했다.

공동저자인 로버트 코스테키( Robert Kostecki) 박사는 "이 팀의 성공은 학제간 접근에 기인한다"라면서 "자연과 생산수역에서 원소와 광물을 선별적으로 추출하는 것은 복잡한 과학기술 문제"라고 말했다.

로버트 코스테키( Robert Kostecki) 박사는 이어 "이번 연구를 위해 나노과학, 환경과학, 에너지기술 전반에 걸친 버클리랩( Berkeley Lab’s)의 고유 역량을 활용해 기초소재과학 발굴을 실제적 충격 가능성이 큰 기술로 전환했다"고 덧붙였다.

로버트 코스테키( Robert Kostecki) 박사는는 버클리랩 에너지기술 영역의 에너지 저장 및 분산자원본부장을 맡고 있으며, NAWI에서는 소재 및 제조 R&D 주제영역이 주도하고 있다.

연구자들은 다음에 다른 오염물질의 선택적 제거를 위한 새로운 설계원리를 탐구할 계획이다.

제프 어번(Jeff Urban) 박사는 "물과학(water science)이나 물산업(water industry)에서는 수많은 물질 계열이 폐수 오염을 제거하기 위해 설계되었지만 산성 광산 배수로에서 중금속 제거를 위해 설계된 것은 거의 없다. 우리는 ZIOS가 그것을 변화시키는데 도움을 줄 수 있기를 바란다"라고 말했다.

응옥 부이(Ngoc Bui), 어반제프 어번(Jeff Urban)과 공동저자로 강형묵(Hyungmook Kang), 사이먼J 티트(Simon J. Teat), 그레고리 M. 수(Gregory M. Su), 치-웬 파오(Chih-Wen Pao), 이-성 류(Chih-Wen Pao), 에드몽 W. 자이아(Edmond W. Zaia), 징화궈(Jinghua Guo), 쩡룽 첸(Jeng-Lung Chen), 케이티 R. 메이하우스(Katie R. Meihaus), 차오차오 던(Chaochao Dun), 트레이시 M. 매톡스(Tracy M. Mattox), 제프리 R. 롱(Jeffrey R. Long), 피터 피스케(Peter Fiske), 로버트 코스테키(Robert Kostecki) 박사 등이다.

버클리 랩(Berkeley Lab), UC 버클리(UC Berkeley), 오클라호마대학(University of Oklahoma), 그리고 대만 국립 싱크로트론 방사선 연구센터(National Synchrotron Radiation Research Center, Taiwan)의 연구자들이 이 연구에 참여했다.

이 연구는 DOE의 과학사무소, 에너지 효율 및 재생 에너지, 지열기술사무소, 그리고 버클리 랩의 실험실 지향 연구 개발(LDRD) 프로그램에 의해 지원되었다.

최근 NAWI는 안전하고 저렴한 물을 제공하기 위해 에너지부의 담수화 허브로 선정되었다. 5년간 1억 달러의 투자는 반세기만에 물 연구에 대한 연방정부의 가장 큰 투자를 의미한다.

분자 주조 공장(Molecular Foundry)와 고급 광원(Advanced Light Source)는 로렌스 버클리 국립연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory)에 위치한 국가 사용자 시설이다.

■ 로렌스 버클리 국립연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory) 정보
가장 큰 과학적 도전은 팀이 가장 잘 다룬다는 믿음으로 1931년에 설립된 로렌스 버클리 국립연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory와 그 과학자들은 14개의 노벨상을 수상하였다.

오늘날 로렌스 버클리 국립연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory의 연구원들은 지속 가능한 에너지와 환경적 해결책을 개발하고, 유용한 새로운 물질을 창조하며, 컴퓨팅의 최전선을 발전시키고, 생명, 물질, 우주의 신비를 탐구한다. 전세계의 과학자들은 그들 자신의 발견 과학을 위해 연구소의 시설에 의존한다.

버클리랩(Berkeley Lab)은 미국 에너지부 과학국(U.S. Department of Energy’s Office of Science)을 위해 캘리포니아 대학이 관리하는 멀티프로그램 국립 실험실이다.

DOE's 과학부(DOE's Science Office of Science는 미국 물리 과학 분야의 기초연구를 가장 많이 지지하고 있으며, 우리 시대의 가장 시급한 과제들 중 일부를 해결하기 위해 노력하고 있다. 자세한 내용은 energy.gov/science을 참조.

[원문보기]

Scientists Design New Framework For Clean Water

Nature-inspired material designed by Berkeley Lab removes copper from wastewater with atomic precision

We rely on water to quench our thirst and to irrigate bountiful farmland. But what do you do when that once pristine water is polluted with wastewater from abandoned copper mines?

A promising solution relies on materials that capture heavy metal atoms, such as copper ions, from wastewater through a separation process called adsorption.

However, commercially available copper-ion-capture products still lack the chemical specificity and load capacity to precisely separate heavy metals from water.

Now, a team of scientists led by the Department of Energy’s Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) has designed a new crystalline material ? called ZIOS (zinc imidazole salicylaldoxime) ? that targets and traps copper ions from wastewater with unprecedented precision and speed.

In a paper recently published in the journal Nature Communications, the scientists say that ZIOS offers the water industry and the research community the first blueprint for a water-remediation technology that scavenges specific heavy metal ions with a measure of control at the atomic level, which far surpasses the current state of the art.

“ZIOS has a high adsorption capacity and the fastest copper adsorption kinetics of any material known so far ? all in one,” said senior author Jeff Urban, who directs the Inorganic Nanostructures Facility in Berkeley Lab’s Molecular Foundry.

This research embodies the Molecular Foundry’s signature work ? the design, synthesis, and characterization of materials that are optimized at the nanoscale (billionths of a meter) for sophisticated new applications in medicine, catalysis, renewable energy, and more.

For example, Urban has focused much of his research on the design of superthin materials from both hard and soft matter for a variety of applications, from cost-effective water desalination to self-assembling 2D materials for renewable energy applications.

“And what we tried to mimic here are the sophisticated functions performed by nature,” such as when proteins that make up a bacterial cell select certain metals to regulate cellular metabolism, said lead author Ngoc Bui, a former postdoctoral researcher in Berkeley Lab’s Molecular Foundry who is now an assistant professor in chemical, biological, and materials engineering at the University of Oklahoma.

“ZIOS helps us to choose and remove only copper, a contaminant in water that has been linked to disease and organ failure, without removing desirable ions, such as nutrients or essential minerals,” she added.

Such specificity at the atomic level could also lead to more affordable water treatment techniques and aid the recovery of precious metals.

“Today’s water treatment systems are ‘bulk separation technologies’ ? they pull out all solutes, irrespective of their hazard or value,” said co-author Peter Fiske, director of the National Alliance for Water Innovation (NAWI) and the Water-Energy Resilience Institute (WERRI) at Berkeley Lab.

“Highly selective, durable materials that can capture specific trace constituents without becoming loaded down with other solutes, or falling apart with time, will be critically important in lowering the cost and energy of water treatment. They may also enable us to ‘mine’ wastewater for valuable metals or other trace constituents.”

Scavenging heavy metals at the atomic level

Urban, Bui, and co-authors report that ZIOS crystals are highly stable in water ? up to 52 days. And unlike metal-organic frameworks, the new material performs well in acidic solutions with the same pH range of acid mine wastewater.

In addition, ZIOS selectively captures copper ions 30?50 times faster than state-of-the-art copper adsorbents, the researchers say.

These results caught Bui by surprise. “At first I thought it was a mistake, because the ZIOS crystals have a very low surface area, and according to conventional wisdom, a material should have a high specific surface area, like other families of adsorbents, such as metal-organic frameworks, or porous aromatic frameworks, to have a high adsorption capacity and an extremely fast adsorption kinetic,” she said.

“So I wondered, ‘Perhaps something more dynamic is going on inside the crystals.’”

To find out, she recruited the help of co-lead author Hyungmook Kang to perform molecular dynamics simulations at the Molecular Foundry.

Kang is a graduate student researcher in the Urban Lab at Berkeley Lab’s Molecular Foundry and a Ph.D. student in the department of mechanical engineering at UC Berkeley.

Kang’s models revealed that ZIOS, when immersed in an aqueous environment, “works like a sponge, but in a more structured way,” said Bui.

“Unlike a sponge that absorbs water and expands its structure in random directions, ZIOS expands in specific directions as it adsorbs water molecules.”

X-ray experiments at Berkeley Lab’s Advanced Light Source revealed that the material’s tiny pores or nanochannels ? just 2-3 angstroms, the size of a water molecule ? also expand when immersed in water.

This expansion is triggered by a “hydrogen bonding network,” which is created as ZIOS interacts with the surrounding water molecules, Bui explained.

This expansion of the pores allows water molecules carrying copper ions to flow at a larger scale, during which a chemical reaction called “coordination bonding” between copper ions and ZIOS takes place.

Additional X-ray experiments showed that ZIOS is highly selective to copper ions at a pH below 3 ? a significant finding, as the pH of acidic mine drainage is typically a pH of 4 or lower.

Furthermore, the researchers said that when water is removed from the material, its crystal lattice structure contracts to its original size within less than 1 nanosecond (billionth of a second).

Co-author Robert Kostecki attributed the team’s success to their interdisciplinary approach. “The selective extraction of elements and minerals from natural and produced waters is a complex science and technology problem,“ he said.

“For this study, we leveraged Berkeley Lab’s unique capabilities across nanoscience, environmental sciences, and energy technologies to transform a basic materials sciences discovery into a technology that has great potential for real-world impact.”

Kostecki is the director of the Energy Storage and Distributed Resources Division in Berkeley Lab’s Energy Technologies Area, and Materials and Manufacturing R&D topic area lead in NAWI.

The researchers next plan to explore new design principles for the selective removal of other pollutants.

“In water science and the water industry, numerous families of materials have been designed for decontaminating wastewater, but few are designed for heavy metal removal from acidic mine drainage. We hope that ZIOS can help to change that,” said Urban.

Co-authors with Bui and Urban include Hyungmook Kang, Simon J. Teat, Gregory M. Su, Chih-Wen Pao, Yi-Sheng Liu, Edmond W. Zaia, Jinghua Guo, Jeng-Lung Chen, Katie R. Meihaus, Chaochao Dun, Tracy M. Mattox, Jeffrey R. Long, Peter Fiske, and Robert Kostecki.

Researchers from Berkeley Lab; UC Berkeley; the University of Oklahoma; and the National Synchrotron Radiation Research Center, Taiwan, participated in the study.

This work was supported by DOE’s Office of Science; Energy Efficiency and Renewable Energy, Geothermal Technologies Office; and Berkeley Lab’s Laboratory Directed Research and Development (LDRD) Program.

NAWI was recently selected to lead a Department of Energy water desalination hub to provide secure and affordable water. The five-year $100 million investment represents the largest federal investment in water research in half a century.

The Molecular Foundry and Advanced Light Source are national user facilities co-located at Berkeley Lab.

About Lawrence Berkeley National Laboratory
Founded in 1931 on the belief that the biggest scientific challenges are best addressed by teams, Lawrence Berkeley National Laboratory and its scientists have been recognized with 14 Nobel Prizes.

Today, Berkeley Lab researchers develop sustainable energy and environmental solutions, create useful new materials, advance the frontiers of computing, and probe the mysteries of life, matter, and the universe. Scientists from around the world rely on the Lab’s facilities for their own discovery science.

Berkeley Lab is a multiprogram national laboratory, managed by the University of California for the U.S. Department of Energy’s Office of Science.

DOE’s Office of Science is the single largest supporter of basic research in the physical sciences in the United States, and is working to address some of the most pressing challenges of our time. For more information, visit energy.gov/science.

[출처=워터온라인(https://www.wateronline.com/doc/scientists-design-new-framework-for-clean-water-0001) / 2020년 11월 24일]