[논문 리뷰] High-flux water desalination with interfacial salt sieving effect in nanoporous carbon composite membranes

Wei Chen, Shuyu Chen외 6명|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 26.

Nanopore and Nanochannel Transport Studies참고 문헌 7인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 세라믹 기질에 30–60 nm 채널을 가진 나노다공성 탄소 복합막을 제시하며, 표면계 염분 걸러내기 메커니즘을 통해 고유량 담수화를 가능하게 한다. 이 막은 상변화 없이 수분의 표면 확산를 가능하게 하여 잠열 요구를 제거함으로써 에너지 소비를 줄이고, 100% 염분 제거율과 동시에 폴리머 막보다 3.5–20배 높은 담수 유량을 달성한다.

ABSTRACT

Nanoporous carbon composite membranes, comprising a layer of porous carbon fiber structures with an average channel width of 30-60 nm grown on a porous ceramic substrate, are found to exhibit robust desalination effect with high freshwater flux. In three different membrane processes of vacuum membrane distillation, reverse osmosis and forward osmosis, the carbon composite membrane showed 100% salt rejection with 3.5 to 20 times higher freshwater flux compared to existing polymeric membranes. Thermal accounting experiments found that at least 80% of the freshwater pass through the carbon composite membrane with no phase change. Molecular dynamics simulations revealed a unique salt rejection mechanism. When seawater is interfaced with either vapor or the surface of carbon, one to three interfacial atomic layers contain no salt ions. Below the liquid entry pressure, the salt solution is stopped at the openings to the porous channels and forms a meniscus, while the surface layer of freshwater can feed the surface diffusion flux that is fast-transported on the surfaces of the carbon fibers, driven by the chemical potential gradient. As the surface-transported water does not involve a phase change, hence that component involves no energy expenditure in the form of latent heat.

연구 동기 및 목표

• 폴리머 막에서 흔히 볼 수 있는 투과성-선택성 상충 문제를 극복하는 고유량 담수화 막을 개발하기 위해.
• 탄소-물계면에서의 표면수 운반 및 염분 걸러내기 메커니즘이 담수화 성능 향상에 기여하는 방식을 조사하기 위해.
• 상변화 없이 수분의 표면 확산가능성이 높은 유량을 크게 향상시키면서도 완전한 염분 제거를 유지할 수 있음을 입증하기 위해.
• 분자역학 시뮬레이션과 다수의 막 처리 공정에 대한 실험적 검증을 통해 메커니즘을 검증하기 위해.

제안 방법

• 세라믹 기질에 평균 채널 폭 30–60 nm인 다공성 탄소 섬유를 성장시켜 나노다공성 탄소 복합막을 제조하였다.
• 진공 막 증류, 역삼투압, 정방향 삼투압을 이용하여 다양한 운영 조건에서의 담수화 성능을 시험하였다.
• 수증기 상전이 없이 통과하는 물의 비율을 정량화하기 위해 열계량 실험을 실시하여 표면 운반의 우세함을 확인하였다.
• 분자역학 시뮬레이션을 수행하여 탄소-물계면에서 이온 분포 및 수분 운반을 분석하고, 표면 원자층에서 염분 배제 현상을 규명하였다.
• 모세관 작용 및 입구에서의 멘스커스 형성을 평가하기 위해 액체 침입 압력을 측정하였다. 이는 염분을 차단하면서도 표면 수분 운반을 허용한다.
• 탄소 섬유 표면에서의 빠른 표면 확산의 구동력이 화학적 농도 기울기임을 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 나노다공성 탄소 복합막이 100% 염분 제거율을 유지하면서 고유량 담수 유량을 달성할 수 있는가?
• RQ2 표면계 수분 운반의 기여도는 전체 유량에 얼마나 기여하며, 이는 상변화 없이 발생하는가?
• RQ3 표면계 염분 걸러내기 메커니즘이 이온을 배제하면서도 수분의 빠른 운반을 허용하는가?
• RQ4 화학적 농도 기울기가 탄소 섬유 표면에서 수분의 표면 확산을 어떻게 구동하는가?
• RQ5 수분 운반에서 상변화가 없는 것이 담수화의 에너지 수요를 얼마나 줄이는가?

주요 결과

• 나노다공성 탄소 복합막은 진공 막 증류, 역삼투압, 정방향 삼투압을 포함한 모든 시험 공정에서 100% 염분 제거율을 달성하였다.
• 다양한 공정 및 운영 조건에 따라 기존 폴리머 막보다 담수 유량이 3.5~20배 높았다.
• 열계량 실험 결과, 최소 80%의 담수 유량이 상변화 없이 통과함을 확인하여 표면 확산 운반이 지배적임을 입증하였다.
• 분자역학 시뮬레이션을 통해 탄소-물계면의 한두 개에서 세 개의 표면 원자층에 염분 이온이 존재하지 않음을 확인하여 표면계 염분 걸러내기 효과를 뒷받침하였다.
• 액체 침입 압력 이하에서 막 입구에서 멘스커스 형성이 관찰되어 염분 이온은 차단되면서도 표면 운반된 수분은 통과함을 확인하였다.
• 표면 운반된 수분의 유량은 화학적 농도 기울기로 인해 구동되며 잠열이 필요로 하지 않아 에너지 소모가 크게 감소하였다.