태양의 힘으로 물을 정화하다

Nov 07, 2023

게시일: 2023년 3월 17일

저자: 브렛 비즐리

"오늘날 가장 큰 과제는 정보 기술과 에너지입니다."라고 노트르담 대학교 물리학 및 천문학과의 복잡한 양자 물질 물리학 교수인 Aurora 및 Thomas Marquez 교수인 László Forró는 말합니다. "그러나 내일의 가장 큰 과제는 다음과 같습니다. 물."

세계보건기구(WHO)는 오늘날 거의 20억 명의 사람들이 정기적으로 오염된 물을 섭취하고 있다고 보고합니다. 2025년에는 세계 인구의 절반이 물 부족에 직면할 것으로 추정됩니다. 영향을 받는 사람들 중 다수는 현대 정수기를 운영하는 데 필요한 인프라가 부족한 농촌 지역에 있는 반면, 다른 많은 사람들은 전쟁, 자연 재해 또는 오염의 영향을 받는 지역에 있습니다. 전력, 위생, 교통망이 없는 사람들에게 물 접근권을 확대할 수 있는 혁신적인 방법이 그 어느 때보다 더 필요합니다.

최근 Forró의 연구실에서는 바로 그러한 솔루션을 개발했습니다. 그들은 Nature 파트너 저널인 Clean Water에 설명된 정수기를 만들었습니다. 이 정수기는 세계에서 가장 취약한 사람들 거의 모두가 접근할 수 있는 자원인 태양으로 구동됩니다.

Forró 시스템의 핵심 구성 요소는 이산화티타늄입니다. 이산화티타늄은 광 산란 특성으로 잘 알려진 쉽게 구할 수 있는 물질입니다. 어떤 형태에서는 일부 페인트와 치약에 독특한 "티타늄 화이트" 색상을 부여하는 안료입니다. 또한 자외선 차단제의 활성 성분으로 작용하여 피부에 닿기 전에 빛을 흡수합니다.

이산화티타늄은 또한 다른 방식으로 빛에 반응할 수 있습니다. 즉, "자유 라디칼"이라고 불리는 반응성이 높은 형태의 산소를 생성하는 것입니다. 이러한 자유라디칼은 오염된 물에서 발견되는 기생충, 박테리아, 바이러스를 파괴할 수 있습니다.

Forró와 그의 동료들은 나노와이어 형태로 충분한 양의 이산화티타늄을 생산할 수 있다면 이를 사용하여 물을 정화하는 방법을 찾을 수 있다는 것을 깨달았습니다. 나노와이어의 폭은 약 10나노미터로 사람 머리카락 굵기의 약 6,000분의 1 수준이었습니다. 문제는 대부분의 실험실에서 한 번에 몇 그램의 나노와이어만 생성할 수 있다는 것입니다. 그러나 Forró와 화학자 Endre Horváth는 이산화티타늄 나노와이어를 대량으로 생성하는 새로운 공정을 개척했습니다. 새로운 프로세스에는 중요한 이점이 있었습니다. 한 번에 1kg(2파운드 이상)의 나노와이어를 생산할 수 있습니다.

더 많은 양의 이산화티타늄 나노와이어를 사용하여 Forró와 그의 동료들은 새로운 복합 재료를 형성할 수 있었습니다. 그들은 나노와이어를 탄소로 만들어진 나노튜브와 현탁 상태로 혼합하여 일종의 메쉬를 형성했습니다. 그들은 메쉬의 물기를 빼내고 칼날을 사용하여 복사 용지보다 얇아질 때까지 얇아졌습니다. 그런 다음 구성 요소가 서로 융합되어 필터로 사용할 수 있는 막을 형성할 때까지 재료를 가열했습니다.

정화 시스템을 구축하기 위해 Forró 팀은 유리판 사이에 필터를 끼우고 한쪽 끝 상단에 입구를 만들고 반대쪽 끝 하단에 출구를 만들었습니다. 그들은 장치로 흐르는 물이 서로 평행하게 진행되는 세 가지 별개의 과정에 의해 정화될 것이라고 추측했습니다. 하나는 기계적 여과이다. 필터 재료는 더 큰 입자가 종이를 통과하는 것을 차단합니다. 동시에, 햇빛은 이산화티타늄과 상호 작용하여 자유 라디칼을 생성하고 물에 존재하는 모든 미생물을 파괴합니다. 동시에, 햇빛은 여과지와 주변 물을 따뜻하게 하여 저온살균하고 유해한 미생물이 파괴되도록 합니다. 그러면 정화된 물이 장치 밖으로 배출되어 소비될 수 있습니다.

프로토타입이 완전히 조립되면 Forró와 그의 동료들은 일련의 테스트를 거칠 수 있었습니다. 한 가지 테스트에는 인근 강의 물이 포함되었습니다. 그들은 여과 전후에 물에 대장균이 있는지 테스트한 결과, 이 장치가 물에서 대장균을 완전히 박멸할 수 있다는 사실을 발견했습니다. 그들은 또한 9가지 다른 오염 물질의 "칵테일"을 섞은 물에서 장치를 테스트했습니다. 여기에는 약물 잔류물, 살충제, 유지 관리 제품, 호르몬 및 화장품이 포함되었습니다. 그들은 필터의 세 부분으로 구성된 위생 과정이 물에서 이러한 오염 분자의 상당 부분을 제거한다는 것을 발견했습니다.