[워터저널] “더욱 친환경적인 새로운 초고속 물소독 방법 개발”

조지아공과대 싱시(Xing Xie) 조교수·팅왕(Ting Wang) 연구원 공동연구…『네이처 워터(Nature Water』에 발표

국소적 강화된 전기장((LEFT) 이용  박테리아 멸균…전계 강도 8배 낮추고 처리시간 100만배 단축

조지아 공과대학(Georgia Institute of Technology) 연구원들은 물을 소독하기 위해 작은 전기 충격을 사용하여 에너지 소비, 비용 및 환경 영향을 줄이는 방법을 발견했다. 이 기술은 전기 그리드(electric grid)에 통합될 수도 있고 심지어 배터리로 구동될 수도 있다. [사진출처(Photo source) = 조지아 공과대학(Georgia Institute of Technology)]

안전한 식수를 갖는 것은 공중보건을 위해 필수적이지만, 전통적인 소독방법은 그들 자신의 환경 문제를 야기한다. 염소는 값이 싸고 중앙 집중식 물 시스템에서 사용하기 쉽지만 해로운 화학 부산물을 희생시킨다.

조지아 공과대학(Georgia Institute of Technology) 연구원들은 물을 소독하기 위해 작은 전기 충격을 사용하여 에너지 소비, 비용 및 환경 영향을 줄이는 방법을 발견했다. 이 기술은 전기 그리드(electric grid)에 통합될 수도 있고 심지어 배터리로 구동될 수도 있다.

“이것은 꽤 새로운 소독기술이며, 우리는 먼저 소규모로 시연한 다음 사용 지점 또는 외부 정수를 위한 실제 응용 분야를 개선하고 싶다”라고 싱시(Xing Xie) 칼튼 S. 와일더(arlton S. Wilder) CE(토목환경공학부) 조교수가 말했다.

싱시(Xing Xie)와 그의 박사후 연구원인 팅왕(Ting Wang)은 2023년 1월에 ‘국소적으로 강화된 전기장 처리로 실현된 나노초 박테리아 불활성화(Nanosecond Bacteria Inactivation Realized by Locally Enhanced Electric Field Treatment)’라는 논문을 과학학술지 『네이처 워터(Nature Water』에 발표했다.

싱시(Xing Xie) 칼튼 S. 와일더(arlton S. Wilder) CE(토목환경공학부) 조교수(오른쪽)와 박사후 연구원인 팅왕(Ting Wang). [사진출처(Photo source) = 조지아 공과대학(Georgia Institute of Technology)]

전기 현지화(Localizing Electricity)

기존의 전기장 처리(CEFT ; conventional electric field treatment)가 식품 저온살균에 적용되고 있지만, 상대적으로 높은 비용 때문에 식수 소독에 널리 사용되지는 않았다.

물과 박테리아가 전기에 노출될 때, 박테리아 세포막은 회로의 축전기와 같은 역할을 한다. 일반적으로, 전기장 처리(CEFT)에서 물의 낮은 전도성은 나노초 펄스가 박테리아를 죽일 만큼 충분히 빠르게 막(membrane)을 충전하지 못한다는 것을 의미한다.

연구원들은 박테리아에 직접 전기를 전달하는 국소적으로 강화된 전기장(LEFT ; locally enhanced electric field)을 만들었다. 전극은 전기에 연결되면 즉시 집중된 전하를 축적하는 ‘금 나노팁(gold nanotip)’을 가지고 있어서 전하가 막으로 이동하여 박테리아를 훨씬 더 빨리 죽일 수 있다.

조지아 공과대학(Georgia Institute of Technology) 박사후 연구원인 팅왕(Ting Wang)은 “나노초 펄스(nanosecond pulses)를 사용하는 이 초고속 박테리아 불활성화는 놀라운 일다. 왜냐하면 이론적으로 나노초 펄스가 너무 짧아서 막을 충전하는 데 시간이 걸리기 때문”이라고 말했다. 

팅왕(Ting Wang)은 이어 “하지만 국소적으로 강화된 전기장(LEFT)의 나노쐐기(nanowedges)와 나노구조(nanostructures)로 박테리아 세포는 나노금속(nanometal)에 의해 직접 충전될 수 있고, 물을 빠르게 소독할 수 있다”라고 강조했다.

[그림 1] 나노웨지 팁에서 나노초 펄스에 의한 박테리아 활성화

전기 혁신(Electric Innovation)

이 기술을 시험하기 위해, 그들은 칩의 전극 가장자리에 금 나노쐐기(gold nanowedges)를 만들었다. 그리고 나서 그들은 실험실에서 흔히 사용되고 물 시스템에서 종종 발견되는 모델 박테리아인 포도상구균(Staphylococcus)을 칩에 추가했다. 

다음으로, 그들은 전기 펄스(electric pulses)를 적용하고 현미경으로 박테리아가 어떻게 반응하는지 실시간으로 관찰했다.

센티미터(cm) 당 40킬로볼트(kv)에서 200나노초(ns) 동안 전기를 가했을 때, 나노쐐기의 95%가 박테리아를 성공적으로 죽였다. 국소적으로 강화된 전기장(LEFT)은 기존 전기장 처리(EFT)와 비교하여 적용된 전계 강도를 8배 낮추고 처리 시간을 100만 배 단축했다.

팅왕(Ting Wang)은 “우리는 나노초의 펄스조차도 다른 상황이 아닌 LEFT의 박테리아를 죽일 수 있다는 것을 발견했다”라고 말했다. 

이러한 즉각적인 오염 제거는 물을 소독하는 데 필요한 전기의 양을 감소시켜 이것을 저렴한 위생 옵션으로 만들고 깨끗한 물을 생산하는 것이 환경에 미치는 피해를 줄일 수 있는 미래를 가리킨다.

싱시(Xing Xie) 조교수가 칩(chip)을 보여주고 있다. [사진출처(Photo source) = 조지아 공과대학(Georgia Institute of Technology)]