분리막 세척에 사용되는 산화성 화학물질인 염소에 저항성을 지닌 역삼투막의 개발은 지난 수십 년간 산업의 큰 도전과제로 여겨져 왔다. 본 연구에서는 뛰어난 수투과성, 높은 염분과 붕소 제거율, 그리고 염소에 대한 완전한 저항성을 갖춘 새로운 형태의 폴리에스터 역삼투 개발에 성공하였다.

전 세계적으로 물 부족 문제가 그 어느 때보다 심각해지면서 해수 담수화 기술의 중요성이 증대하고 있다. 현재 분리막 기반 담수화 기술은 막오염 문제로 인해 해수 전처리 및 분리막의 세척, 유지 보수에 많은 비용과 에너지가 소요되는 한계에 직면하고 있다.

이러한 문제를 해결하고 음용 가능한 물에 대한 접근성을 크게 확대하기 위해 연구팀은 새로운 형태의 폴리에스터 기반 역삼투 분리막을 고안하여 성능과 효율성을 입증하였으며 관련 연구 성과를 Science에 게재하였다. 본 연구는 Yale 대학교의 Menachem Elimelech 교수와 난징과학기술대학교의 Xuan Zhang 교수가 주도했으며 KAIST의 부찬희 교수팀은 개발된 역삼투 분리막의 주요 특성과 성능을 심층적으로 평가하고 분석하여 연구에 크게 기여하였다.

역삼투 공정은 초미세 기공을 가진 반투과성 분리막을 기반으로 물을 여과하는 수처리 기술로 바닷물을 원천으로 물이 필요한 지역에 안전한 식수를 공급하는 데 널리 적용되어 왔다. 역삼투 공정에서 주로 사용되는 폴리 아마이드 계열 분리막은 뛰어난 수투과성과 염 제거 성능을 제공하지만, 박테리아 층이 분리막 표면을 덮는 생물막 오염(biofouling)에 매우 취약한 것으로 알려져 있다. 염소 세척을 통해 생물막 오염 제어가 가능하지만, 폴리 아마이드 계열 분리막은 염소에 의해 화학적으로 분해될 수 있으며 그 성능이 크게 저하되는 한계를 지니고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 산업계는 해수 전처리를 통해 분리막 오염 저감을 시도하고 있으나 많은 비용과 에너지, 그리고 화학물질의 소요가 큰 문제가 되고 있다.

Yale 대학교, 난징과학기술대학교, KAIST의 연구자들은 염소에 의한 역삼투 분리막 손상과 생물막 오염에 큰 저항성을 가지면서 효과적으로 담수화를 수행할 수 있는 고성능 역삼투 분리막을 개발하였다. 개발된 고성능 역삼투 분리막의 혁신 포인트는 폴리에스터 소재이다. 이 소재는 높은 수투과성과 효율적인 염화 나트륨 및 붕소 제거율  뿐 아니라 염소에 대한 완전한 화학적 저항성을 제공한다 (그림 1). 또한, 개발된 폴리에스터 분리막의 매끄럽고 낮은 에너지 표면은 막오염과 스케일링을 최소화해 기존 폴리 아마이드 계열의 분리막 보다 높은 담수화 성능을 발휘하였다 (그림 2). 특히, 연구팀이 개발한 폴리에스터 분리막 제조 공정은 기존 폴리아마이드 계열 분리막 생산 방식과 매우 유사하여 상업용 분리막 제조 시스템에 쉽게 적용할 수 있으며 대면적화가 즉시 가능한 기술이다.