분리막 오염 제어기술 (Control of Membrane fouling) (2) - 분리막 표면에 전기를 흘려주면? (Apply electrical potential on the membrane surface)
안녕하세요.
물 이야기 쓰는 @chromium 입니다.
SP를 임대해 주신 @oldstone 님과
활어 작품을 선물해 주신 @tata1 님께 감사의 말을 전해드립니다.
이번 연재 포스팅에서는
분리막 공정 중 효율을 급격하게 떨어뜨리는 생물오손(Biofouling)의
제어 방법인 전기를 걸어주는 것에 대하여 알아보겠습니다.
읽어두면 이해에 도움이 되는 글
분리막 기술 (1) - 분리막의 기본 개념
분리막 기술 (2) - RO, FO, PRO
분리막 기술 (번외편) - 기장 RO 무엇이 문제인가?
분리막 기술 (3) - 재질과 형태별 분리막의 구분
이전 글
분리막 오염 제어기술 (1) - 미생물들의 대화를 차단한다!
생물오손(Biofouling) 이란?
'분리막 표면에 생긴 생물막 (bioflim)에 의해 처리수의 유속 저하 및 구동 압력 상승 등의 수처리 기능이 급격하게 저하되는 것'
생물막 (Bioflim): EPS등의 물질에 의해 미생물 들의 군집이 막처럼 형성되는 것
EPS (Extracelluar Polymeric Substance): 미생물체외 고분자 물질 - 굉장히 끈적끈적함
미생물에 의해 오염된 분리막 (Source : http://www.global-membrane.com/)
이전 포스팅 3줄 요약
생물막은 분리막 공정의 효율을 떨어뜨리는 주범이다.
생물막은 미생물의 대화(Quorum sensing)를 통해 만들어진다.
미생물 간의 대화를 막으면(Quorum quenching) 생물막이 덜 만들어진다.
이전 포스팅에서 생물막 형성을 원천적으로 막는 방법인 (사전처리)
Quorum quenching에 대하여 알아보았습니다.
이번 포스팅에서는 원천적인 형성 차단 및 미생물 탈착이 (사전처리 + 사후처리)
동시에 가능한 Electroconductive Feed Spacer (ECFS)에 대한 이야기를 해볼까 합니다.
image source from ES&T Letters
ECFS가 설치된 RO(역삼투) 분리막 개념도
역삼투 분리막은 Feed water(대체로 바닷물)과
분리막 사이의 지지체(supporter) 및 공간재(spacer)가 필요합니다.
이 공간재를 전기가 통하는 티타늄 망으로 사용하는 것 이죠.
너무 복잡한데?
원래 RO분리막이 복잡한데 그 중간 부분에 전기만 추가로 걸어주는거야.
전기는 어떻게 걸어주지? 건전지를 쓰는건가?
실험실에서는 보통 Potentiostat 이라는 자동 조절 장치를 이용해.
실험실에서는 전압과 전류를 미세하게 조정 가능한
Potentiostat 이라는 장치를 이용합니다.
1.36V 이상의 전압이 걸리면 바닷물 속의 염화이온 (Cl-)가
염소 가스 (Cl2)로 바뀌게 되고,
염소 가스는 물에 녹아 미생물을 소독하기도 하지만,
분리막에 상처를 내는 등 부작용이 큽니다.
2 Cl- -> Cl2 + 2 e- (Eo = 1.36 VSHE)
따라서 1.36V 이상의 전압이 걸리지 않도록 potentiostat 장치를 이용하여
걸리는 전압을 조정해야 분리막을 오래 사용할 수 있겠죠?
image source from ES&T Letters
음전하와 양전하, 교차로 전하를 띌 때의 생물막의 변화
Potentiostat 장치는 전압의 세기 뿐만 아니라
전압의 방향도 바꿀 수 있습니다.
위 논문도 - 1.0 V와 1.0 V 그리고 교차로 왔다갔다하는 전압을
ECFS에 걸어 주었습니다.
전압을 걸어 주었을 때, 걸지 않았을 때에 대비하여
물이 빠져나가는 정도가 (투과유량; Permeate flux) 효과적으로 회복이 됐네요.
밑에 형광 초록색은 뭐야?
형광 현미경으로 본 생물막이야.
전압을 걸어주니까 면적이 많이 줄었네.
응. CLSM을 이용하면 이렇게 효과적으로 미생물이 감소한 것을 확인 가능해.
공초점 레이저 주사 현미경 (CLSM; confocal laser scanning microscope)를 이용하면
미생물을 형광 물질로 염색시킨 후,
미생물의 증감을 직관적으로 관찰할 수 있습니다.
image source from S.I. of ES&T Letters
생물막을 형성시키는 미생물은 주로 녹농균 (Pseudomonas aruginosa; P. aruginosa) 입니다.
녹농균은 세포 표면에 미세한 음전하 (negative charge; -20 mV)를 띄는데,
만약 ECFS에 음전하를 걸어주면 서로 밀어내서 (척력)
녹농균이 Feed water에서 분리막으로 접근하는 것을 막아줍니다.
반대로 ECFS에 양전하를 걸어주면 분리막 표면에 붙은 녹농균을 끌어당겨서 (인력)
분리막에서 떨어뜨리겠지요?
그래서 - 1.0 V와 + 1.0 V를 교차로 걸어주었을 때 가장 투과유량 회복 효율이 높았습니다.
물론 하나의 전하만 띄어도 굉장히 효율이 좋습니다.
간단한 아이디어 인데도 효과가 굉장히 좋네요.
저도 이런 괴짜 같은 아이디어를 많이 내고 싶습니다.
본 포스팅 3줄 요약
분리막 표면에 전기를 걸어주면 생물막이 덜 만들어진다.
분리막 표면에 미생물의 전하와 같은 전하가 걸리면 미생물의 접촉을 줄여준다.
분리막 표면에 미생물의 전하와 다른 전하가 걸리면 분리막에서 미생물을 떨어뜨린다.
감사합니다.
참고 문헌
1. Y. Baek et al., (2014) Environ. Sci. Technol. Lett., 1 (2), 179–184
Cheer Up! 음~? 흥미로운 포스팅이군요.
ECFS에 양전하가 걸리면 분리막에서 ECFS로 균이 끌려가는건가요? 그럼 다시 음전하가 걸릴때 ECFS에서 밀려난 균이 분리막으로 갈수도 있지 않은건가요?
@sampling 님 질문 감사합니다. 일부 미생물은 그렇게 되어 분리막 표면에 남아있습니다만, Feed water가 지속적으로 흐르고 있기 때문에 적절한 시간 동안 전하를 유지해주는 것이 중요합니다. 대부분의 미생물이 탈착되고 남아있는 Feed water에 의해 씻겨 내려가게 됩니다.
왔다갔다하면서 쓸려나가나보군요
네. 맞습니다. 전하 걸리는 것을 순서를 말씀드리자면 첫번째로 음전하를 걸어서 일정시간동안 미생물의 접근을 막습니다. 그럼에도 불구하고 분리막으로 가는 녀석들을 양전하를 걸어서 떼어내고, Feed water로 씻어 줍니다. 이 과정을 계속 반복하는 것으로 알고 있습니다.
± 1.0 V 스위칭이라면 전력 사용면에서도 상당히 경제적이면서 큰 효과를 낼 수 있겠군요 ㅎㅎ
맞습니다. 근데 누가 물에다가 전기를 쓸 생각을 했겠나요 ㅋㅋ 물에는 전기를 쓰면 안된다는 상식을 깬 것 이죠.
앗 슈도모나스!! 녹농균은 의학에서도 아주 고약한 균입니다. 저렇게 생물막을 덜 생기도록 할 수 있는거군요ㅎㅎ
여러가지로 인간들을 괴롭히는 균이네요 ;
오.... 약간 어렵네요...
그래서 세줄 요약을 해두었습니다 ㅋㅋ 나머지 문장들은 보충 설명이죠.
오오~ 문과 출신으로써 이런 과학에 관한 글을 보면 참 대단하다고 느껴집니다^^
3줄요약만 이해가 갑니다 ㅎㅎㅎ
3줄 요약만 얻어가셔도 글 쓴 저로써는 보람찬 일입니다. 나머지 현상을 연구하고 설명하는건 연구자의 몫이니까요 ㅎㅎ
^^ 뼈속까지 문과이고 이쪽으로 전혀 지식이 없는 저에게는 어려운 내용인데 ^^ @chromium님이 간단히 세줄요약을 해주셔서 ^^본 내용을 다시 읽었습니다.ㅎㅎ
세줄 요약을 완전히 이해 하려고요ㅎㅎ
감사합니다.
@chromium님 행복한 한주 시작하시기를 바랍니다~
아무래도 3줄 요약이 있어야 이해하는데 도움이 될 것 같더라구요 ㅎㅎ @myhappycircle 님도 좋은 한주 시작 되시길 바랍니다.