[논문 리뷰] Water Purification by Shock Electrodialysis: Deionization, Filtration, Separation, and Disinfection

Daosheng Deng, Wassim Aouad외 4명|arXiv (Cornell University)|2014. 02. 01.

Membrane-based Ion Separation Techniques참고 문헌 41인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 충격 전기분해(Shock ED)가 동시에 탈염, 마이크론 크기의 입자 및 나노입자 군집의 여과, 대장균(E. coli)의 소독(99% 제거/불활성화), 그리고 이온의 전하 기반 분리 기능을 가능하게 함을 보여주며, 단일 장치에서 탈염과 상류 및 하류 처리를 통합한 컴팩트하고 다기능성 수질 정화 플랫폼을 제공한다.

ABSTRACT

The development of energy and infrastructure efficient water purification systems are among the most critical engineering challenges facing our society. Water purification is often a multi-step process involving filtration, desalination, and disinfection of a feedstream. Shock electrodialysis (shock ED) is a newly developed technique for water desalination, leveraging the formation of ion concentration polarization (ICP) zones and deionization shock waves in microscale pores near to an ion selective element. While shock ED has been demonstrated as an effective water desalination tool, we here present evidence of other simultaneous functionalities. We show that, unlike electrodialysis, shock ED can thoroughly filter micron-scale particles and aggregates of nanoparticles present in the feedwater. We also demonstrate that shock ED can enable disinfection of feedwaters, as approximately $99\%$ of viable bacteria (here extit{E. coli}) in the inflow were killed or removed by our prototype. Shock ED also separates positive from negative particles, contrary to claims that ICP acts as a virtual barrier for all charged particles. By combining these functionalities (filtration, separation and disinfection) with deionization, shock ED has the potential to enable more compact and efficient water purification systems.

연구 동기 및 목표

• 단일 장치에서 여과, 소독, 이온 분리를 통합한 다기능성 수질 정화 시스템을 개발하는 것.
• 공급수 전처리 및 후처리를 위해 순차적이고 다단계 과정이 필요한 전통적인 수질 정화 시스템의 한계를 해결하는 것.
• 역삼투압과 전기분해의 대안으로서 스케일업 가능하고 에너지 효율적인 충격 전기분해(Shock ED)의 잠재력을 탐색하는 것.
• 탈염의 주요 기능 외에도 충격 전기분해에서 여과, 소독 및 전하 기반 분리가 동시에 발생하는지를 조사하는 것.
• 충격 전기분해에서 다공성 플러드(frit)를 사용하여 크기 배제 여과 및 전기장 강화된 미생물 불활성화를 수행할 수 있는지 평가하는 것.

제안 방법

• coppervan anode와 Nafion 양이온 교환 막 음극 사이에 마이크로다공성 실리카 유리 플러드를 '누출되는 막(leaky membrane)'으로 사용한 충격 전기분해 프로토타입을 활용하였다.
• 전류를 인가하여 이온 농도 극성(ICP)을 유도하고, 음극 근처에 날카로운 탈염 충격파(빈도 영역)와 양극 근처에 농도 높은 염수 영역을 형성하였다.
• 전기오스모틱 유량과 표면 전도를 활용하여 초과 전류를 달성하고, 다공성 매질을 통해 충격파를 전파하였다.
• 빛확산 현미경을 사용하여 50 µm 크기의 형광 레이블이 된 입자와 50 nm 크기의 나노입자를 사용하여 크기 기반 여과 성능을 평가하였다.
• 대장균(E. coli)에 대해 생존/사망 세균 염색(녹색 = 생존, 빨간색 = 사망)을 실시하고, 형광 현미경을 통해 소독 효율을 정량화하였다.
• 충격 영역에서 형광 레이블이 된 양이온 및 음이온 염료의 향상 비율과 제거 비율을 측정하여 전하 기반 분리를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 충격 전기분해는 단일 장치에서 동시에 탈염, 여과, 소독, 이온 분리를 수행할 수 있는가?
• RQ2 충격 전기분해에서 마이크로다공성 플러드가 마이크론 크기의 입자 및 나노입자 군집의 크기 기반 여과를 어느 정도 가능하게 하는가?
• RQ3 충격 전기분해 시스템에서 대장균의 불활성화 또는 제거 효율은 얼마이며, 전기장, 공간 차폐 등의 메커니즘이 이에 기여하는가?
• RQ4 충격 전기분해 시스템에서 양이온과 음이온은 어떻게 분리되는가? 이 분리가 유량 또는 전기장 강도에 의존하는가?
• RQ5 충격 전기분해는 여과, 소독, 탈염 등의 다수의 전통적 수질 정화 단계를 단일 통합 장치로 대체할 수 있는가?

주요 결과

• 충격 전기분해 장치는 공급수 내에서 생존 가능한 대장균(E. coli)의 99%를 제거하거나 불활성화하여 강력한 소독 능력을 보였다.
• 50 µm 지름의 마이크론 크기 입자와 50 nm 나노입자 군집이 완전히 여과 제거되어 다공성 플러드에서 공간 차폐에 의한 효과적인 크기 배제 여과가 이루어졌음을 입증하였다.
• 양이온에 대한 향상 비율은 유량이 감소할수록 증가하여, 탈염 충격 영역에서 양이온의 축적 현상을 확인하였다.
• 음이온에 대한 제거 비율은 유량이 증가할수록 증가하여, 음이온이 빈도 영역에서 배제됨을 확인하였다.
• 장치는 양이온과 음이온을 지속적으로 분리하는 것으로 나타나, 이온 농도 극성이 모든 이온 종에 대해 통용되는 장벽으로 작용한다는 가정에 도전하였다.
• 두 번의 통과를 통해 구리 황산염 농도가 약 10 mM에서 약 10 µM로 4계단 감소하여 효과적인 탈염이 이루어졌음을 확인하였다.