[해외연구보고서]  해수담수화·정수에 사용되는 막에 대한 새로운 통찰력 제시

이스라엘 테크니온대·텍사스대 연구팀, 습윤상태와 건조한 상태에서 막 특성 분석 통해 극적인 차이 밝혀

이스라엘, 5개 담수화 시설에서 국내 용수 70% 공급…하·폐수도 85% 처리되어 농업용으로 재활용

이번 연구 결과, 막의 복잡한 구조 이해 심화시키고 막 설계·성능 향상에 기여 기대

미국 화학학회 국제학술지 『ACS 나노(ACS Nano)』에 5월호  표지 논문으로 선정

테크니온-이스라엘 공과대학교(Technion - Israel Institute of Technology)와 미국 텍사스대학교 오스틴 캠퍼스(University of Texas at Austin) 연구팀의 공동연구는 해수담수화에 사용되는 막의 구조에 대한 새로운 시각을 제시했다. 사진은 이번 연구에 참여한 연구팀. 상단 왼쪽부터 시계방향으로 타마르 시걸-페레츠(Tamar Segal-Peretz) 박사, 가이 라몬(Guy Ramon) 박사, 마니쉬 쿠마르(Manish Kumar) 교수, 아디 벤-즈비(Adi Ben-Zvi) 박사, 첸하오 야오(Chenhao Yao). [사진출처(Photo source) = 테크니온-이스라엘 공과대학교(Technion - Israel Institute of Technology)]

테크니온-이스라엘 공과대학교(Technion - Israel Institute of Technology)와 미국 텍사스대학교 오스틴 캠퍼스(University of Texas at Austin) 연구팀의 공동연구는 해수담수화에 사용되는 막의 구조에 대한 새로운 시각을 제시했다. 

이 연구는 ‘극저온 투과 전자 현미경 단층촬영을 통해 밝혀진 수화 폴리아미드 담수화 막의 3D 나노 규모 구조(3D Nanoscale Structures of Hydrated Polyamide Desalination Membranes Revealed by Cryogenic Transmission Electron Microscopy Tomography)’라는 제목으로 미국화학학회에서 발간하는 국제학술지 『ACS 나노(ACS Nano)』 5월호 표지 논문으로 선정되었다.

건조한 상태(Dry state)의 막을 특성화하는 데 초점을 맞춘 이전 연구와 달리, 이 연구에서는 습윤상태(Wet state)의 막도 분석하여 두 막 사이에 극적인 차이가 있음을 발견했다. 이러한 차이는 막의 성능에 영향을 미치며, 이 발견은 담수화 및 정수를 위한 보다 효과적인 막 개발과 매우 관련이 있다.

이 연구는 울프슨 화학공학과(Wolfson Faculty of Chemical Engineering)의 타마르 시걸-페레츠(Tamar Segal-Peretz) 박사, 토목환경공학과의 가이 라몬(Guy Ramon) 박사, 텍사스대학교 오스틴 캠퍼스의 마니쉬 쿠마르(Manish Kumar) 교수가 주도했다.

이와 함께 텍사스대학교 박사과정생인 첸하오 야오(Chenhao Yao)와 테크니온대학교 나노과학 및 나노기술 프로그램 박사과정에서 연구를 수행했던 아디 벤-즈비(Adi Ben-Zvi) 박사가 함께 연구를 진행했다. 벤-즈비 박사는 현재 텍사스 휴스턴에 있는 라이스대학교(Rice University)에서 박사후 연구원으로 재직 중이다.

세계보건기구(WHO)에 따르면 전 세계 인구의 약 4분의 1이 안전한 식수를 확보하지 못하고 있다. 깨끗한 물은 유엔(UN)의 17가지 지속가능 개발목표(SDGs)에 포함되어 있으며, 담수화 및 물 재이용 기술은 특히 이스라엘과 같이 해수담수화와 물 재이용 분야에서 세계적인 선두주자이며, 건조 지역에서는 그 중요성이 더욱 커지고 있다.

 물이 흐르면서 막에 변화가 발생하는 것을 보여주는 시연. [그림출처(picture source) = 테크니온-이스라엘 공과대학교(Technion - Israel Institute of Technology / 『ACS 나노(ACS Nano)』]

현재 이스라엘에는 5개의 담수화 플랜트가 국내 용수 공급량의 약 70%를 공급하고 있다. 또한, 하·폐수의 약 85%가 처리되어 농업용으로 재활용된다.

역삼투압(Reverse osmosis, RO)은 현재 가장 널리 사용되는 해수담수화 기술이다. 가장 기본적인 용어로, 이 공정은 염분 및 기타 불순물을 차단하는 막을 통해 물을 통과시키는 것이다. 자연 삼투압(Natural Osmosis)에서는 물이 희석된 용액에서 더 진한 용액으로 농도가 같아질 때까지 흐른다.

반면, 역삼투압은 에너지를 사용하여 이 흐름을 역전시켜 농축용액(예 : 해수)에서 희석용액(탈염수)으로 물을 끌어들인다. 이 과정을 통해 바닷물, 기수(Brackish water), 폐수와 같은 비전통적인 공급원에서 담수를 생산할 수 있다.

역삼투압막은 현대 해수담수화의 핵심이지만, 막의 구조와 기능간의 연관성에 대해서는 상당한 지식 격차가 존재한다. 이러한 과제는 막이 매우 얇고(약 200나노미터) 복잡한 3차원 구조에서 비롯되는데, 이는 원자간력현미경(Atomic Force Microscopy, AFM)과 같은 전통적인 방법으로는 특성 분석이 어렵다.

이번 연구에서 연구진은 실제 역삼투 공정과 매우 유사한 조건인 물로 포화된 상태에서 막의 형태를 획기적으로 ‘고해상도 3차원 매핑(High-resolution 3D Mapping)’하는 연구를 수행했다. 3차원 특성 분석은 막이 완전히 수화되고 동결된 상태에서 극저온 투과 전자 현미경(Cryo-TEM) 단층 촬영을 사용하여 수행되었다.

특히, 연구팀은 물이 막의 구조를 극적으로 변화시켜 부피가 약 30% 이상 팽창한다는 것을 발견했다. 이전에는 막의 원자간력현미경(AFM) 특성 분석이 건조상태만을 기반으로 했기 때문에, 이는 과학적이고 실용적인 측면에서 중요한 돌파구이다. 이 새로운 나노미터 매핑(Nanometric Mapping)은 향후 막 설계 및 성능을 크게 개선하여 해수담수화 및 물 재사용 기술을 발전시킬 것으로 기대된다.

이 연구는 ‘극저온 투과 전자 현미경 단층촬영을 통해 밝혀진 수화 폴리아미드 담수화 막의 3D 나노 규모 구조(3D Nanoscale Structures of Hydrated Polyamide Desalination Membranes Revealed by Cryogenic Transmission Electron Microscopy Tomography)’라는 제목으로 미국화학학회 국제학술지 『ACS 나노(ACS Nano)』에 5월호 표지 논문으로 선정되었다. [그림출처(picture source) = 『ACS 나노(ACS Nano)』]

 

이 연구는 이스라엘과학재단(Israel Science Foundation, ISF), 우드넥스트재단(WoodNext Foundation), 텍사스대학교 스타트업 펀드(University of Texas Startup Fund), 이스라엘 에너지인프라부(Israel’s Ministry of Energy and Infrastructure), 그리고 미국 에너지부( U.S. Department of Energy)의 지원을 받았다.

테크니온대학교와 텍사스대학교의 협력은 미국-이스라엘 이국과학재단(Binational Science Foundation, BSF)의 라하미모프 펠로우십(Rahamimoff Fellowship)의 지원을 받았으며, 이 펠로우십은 벤-즈비 박사의 오스틴 방문 연구기간인 두 달간의 연구비용을 지원했다.

[원문보기]

Toward Improved Desalination: Characterizing Membranes In Wet vs. Dry States Reveals Dramatic Differences

Researchers from the Technion and the University of Texas reveal new insights into membranes used in seawater desalination and water purification. Their findings deepen our understanding of the membranes’ complex structure and are expected to improve their design and performance

A joint study by researchers from the Technion - Israel Institute of Technology and the University of Texas at Austin sheds new light on the structure of membranes used in water desalination. Published in ACS Nano, the study was selected as the journal’s cover article.

Unlike previous studies, which focused on characterizing membranes in their dry state, this research also analyzed them in their wet state - and found dramatic differences between the two.

These differences affect membrane performance, making this discovery highly relevant to the development of more effective membranes for desalination and water purification.

The study was led by Dr. Tamar Segal-Peretz of the Wolfson Faculty of Chemical Engineering, Dr. Guy Ramon of the Faculty of Civil and Environmental Engineering, and Prof. Manish Kumar of the University of Texas at Austin, along with Ph.D. student Chenhao Yao (University of Texas) and Dr. Adi Ben-Zvi, who conducted the research during her doctoral studies in the Technion’s Nanoscience and Nanotechnology program. Dr. Ben-Zvi is now a postdoctoral researcher at Rice University in Houston, Texas.

According to the World Health Organization, approximately one-quarter of the global population lacks access to safe drinking water. Clean water is included among the United Nations’ 17 Sustainable Development Goals (SDGs), making desalination and water reuse technologies especially important-particularly in arid regions such as Israel, a global leader in both fields. 

Today, Israel’s five desalination plants provide approximately 70% of the country’s domestic water supply. Additionally, approximately 85% of its wastewater is treated and reused for agricultural purposes.

Reverse osmosis is currently the most common desalination technology. In the most basic terms, the process entails water passing through a membrane that blocks salts and other impurities. In natural osmosis, water flows from a dilute solution to a more concentrated one until the concentrations equalize. 

In contrast, reverse osmosis reverses this flow using energy, drawing water from the concentrated solution (e.g., seawater) into the dilute one (desalinated water). This process allows the production of fresh water from unconventional sources like seawater, brackish water, and wastewater.

Although reverse osmosis membranes are central to modern desalination, significant knowledge gaps remain regarding the link between membrane structure and function. The challenge stems from the membranes’ extremely thin (approximately 200 nanometers) and complex 3D structure, which is difficult to characterize using traditional methods, such as Atomic Force Microscopy (AFM).

In this study, the researchers conducted a groundbreaking, high-resolution 3D mapping of the membrane’s morphology in a water-saturated state - conditions that closely mimic those in actual reverse osmosis processes.

The 3D characterization was performed using cryogenic Transmission Electron Microscopy (cryo-TEM) tomography, in conditions where the membrane is fully hydrated and frozen. 

The team discovered that water dramatically alters the membrane’s structure, causing its volume to expand by about 30% or more. Since membrane TEM characterization has previously been based only on their dry state, this is a major scientific and practical breakthrough.

The new nanometric mapping is expected to significantly improve future membrane design and performance, advancing desalination and water reuse technologies.

The research was supported by the Israel Science Foundation (ISF), the WoodNext Foundation, the University of Texas Startup Fund, Israel’s Ministry of Energy and Infrastructure, and the U.S. Department of Energy. 

The collaboration between the Technion and the University of Texas was supported by the Rahamimoff Fellowship from the U.S.-Israel Binational Science Foundation (BSF), which helped fund Dr. Ben-Zvi’s two-month research visit to Austin.

[출처 = 테크니온-이스라엘 공과대학교(Technion - Israel Institute of Technology)(https://www.technion.ac.il/en/blog/article/toward-improved-desalination/) / 2025년 8월 24일]

[연구논문 출처 = ACS 나노(ACS Nano)(3D Nanoscale Structures of Hydrated Polyamide Desalination Membranes Revealed by Cryogenic Transmission Electron Microscopy Tomography | ACS Nano)