눈에 보이지 않을 만큼 작은 기포가 수처리 효율을 높이는 데 활용될 수 있다면 어떨까요?

다양한 환경·수처리 연구에서 주목받는 기술 중 하나가 바로 나노버블(Nanobubble)입니다.

나노버블은 일반적인 기포와 마찬가지로 액체 속에 존재하는 기체 방울이지만, 크기가 매우 작기 때문에 일반 기포와는 다른 특성을 나타냅니다.

특히 수처리, 폐수처리, 환경, 농업, 바이오 분야 등에서 다양한 활용 가능성이 연구되고 있습니다. 이번 글에서는 나노버블의 기본 원리와 함께 수처리 및 멤브레인 여과 연구와 어떤 연관성이 있는지 살펴보겠습니다.

나노버블이란?

나노버블은 액체 속에 존재하는 매우 작은 크기의 기체 방울입니다. Sterlitech의 기술 자료에서는 일반적으로 약 200 nm 이하의 기포를 나노버블로 설명하고 있습니다.

이는 모래알 하나보다 약 10,000배 작은 수준입니다. 이렇게 작은 크기 덕분에 일반적인 기포에서는 보기 어려운 특징을 나타냅니다.

① 높은 표면적 대 부피 비율

기포의 크기가 작아질수록 부피에 비해 표면적이 커집니다. 그만큼 액체와 기체가 접촉할 수 있는 면적도 증가하기 때문에 작은 크기에 비해 높은 반응성을 가질 수 있습니다.

② 물속에 오래 머무르는 특성

일반적인 큰 기포는 부력에 의해 빠르게 수면으로 올라가지만, 나노버블은 크기가 매우 작아 물속에 비교적 오랫동안 분산된 상태로 존재할 수 있습니다. 이러한 특성이 나노버블을 다양한 수처리 공정에 활용하려는 이유 중 하나입니다.

나노버블은 어떻게 만들어질까요?

나노버블을 만드는 방법에는 여러 가지가 있으며, 대표적인 방법 중 하나가 캐비테이션(Cavitation)입니다.

캐비테이션은 액체 내부의 압력이 일정 수준 이하로 낮아질 때 기포가 생성되는 현상을 말합니다.

이외에도 고압의 기체를 미세 노즐을 통해 액체에 주입하거나, 높은 주파수의 진동을 이용해 큰 기포를 더 작은 크기로 분산시키는 방식이 활용됩니다. 일반적으로는 공기를 물속에 분산시키지만 연구 목적에 따라 산소 등 다양한 기체를 사용할 수도 있습니다.

왜 수처리 분야에서 주목받을까요?

나노버블의 대표적인 활용 연구 분야 중 하나가 수처리 및 폐수처리(Water & Wastewater Treatment)입니다.

수처리 과정에서는 오염물질을 제거하기 위해 산화, 응집, 부상, 생물학적 처리, 여과 등 다양한 공정을 조합하여 사용합니다.

이 과정에서 기체와 액체가 얼마나 효과적으로 접촉하는지가 처리 성능에 영향을 줄 수 있습니다.

나노버블은 크기가 작고 물속에 비교적 오래 머무를 수 있기 때문에 기체-액체 간 접촉 효율을 높일 수 있다는 점에서 관심을 받고 있습니다. 또한 표면 전하와 산화 작용 등을 이용하여 물속 오염물질의 제거 효율을 높이는 방향으로도 연구되고 있습니다.

나노버블과 멤브레인 여과의 관계

수처리 시스템은 일반적으로 하나의 기술만으로 구성되지 않습니다. 전처리나 산화 공정을 거친 후 멤브레인 여과(Membrane Filtration)가 적용되는 경우도 많습니다.

따라서 나노버블을 적용한 수처리 조건에서 이후 멤브레인 공정의 성능이 어떻게 변화하는지를 확인하는 것도 하나의 중요한 연구 주제가 될 수 있습니다.

멤브레인 연구에서 확인하는 주요 항목

특히 중요한 문제, Membrane Fouling

수처리용 멤브레인에서는 막오염(Membrane Fouling)이 매우 중요한 문제입니다.

막오염이 진행되면 시간이 지날수록 Flux가 감소하고, 동일한 처리량을 유지하기 위해 더 높은 압력이 필요할 수 있습니다.

결국 세척 횟수가 증가하거나 멤브레인 교체 주기가 짧아지면서 전체 공정의 운영 효율과 비용에도 영향을 줄 수 있습니다.

Dead-End와 Cross Flow 방식

Dead-End Filtration

시료가 멤브레인 표면에 수직 방향으로 통과하는 방식입니다. 구조가 비교적 간단해 멤브레인의 기본적인 여과 특성이나 투과 성능을 확인하는 데 활용됩니다.

Cross Flow Filtration

시료가 멤브레인 표면과 평행하게 흐르면서 일부가 막을 통과하는 방식입니다. 산업용 막분리 공정과 유사한 조건을 구현할 수 있어 Flux, Rejection, Fouling, 운전 조건에 따른 막 성능 변화 등을 연구하는 데 활용됩니다.

Sterlitech 제품과는 어떻게 연결될까요?

Sterlitech는 나노버블 발생 장비를 제조하는 업체라기보다, 다양한 멤브레인, 여과 셀 및 Cross Flow Filtration System 등 막분리 연구용 제품을 제공하고 있습니다.

따라서 나노버블과 같은 새로운 수처리 기술을 연구할 때에는 다음과 같은 평가에 막여과 연구 장비를 활용할 수 있습니다.

즉, Sterlitech의 연구용 제품은 나노버블 자체를 만드는 장비라기보다 나노버블과 같은 수처리 기술이 멤브레인 공정에 어떠한 영향을 미치는지 비교하고 평가하는 연구 환경을 구성하는 데 활용할 수 있습니다.

수처리를 넘어 확장되는 나노버블 기술

나노버블은 수처리 외에도 다양한 분야에서 연구되고 있습니다.

농업 및 양식 분야의 산소 공급, 세정 공정, 화학 반응 효율 향상뿐 아니라 바이오·의료 분야에서도 활용 가능성이 연구되고 있습니다.

예를 들어 약물을 포함한 리포솜(Liposome)을 나노버블과 결합하여 특정 부위에 전달하려는 연구도 진행되고 있습니다. 이처럼 작은 기포 하나가 환경, 수처리, 바이오 등 다양한 분야로 연구 범위를 넓혀가고 있습니다.