3D 나노기술 혁신, 햇빛으로 정화된 깨끗한 물 제공

오늘날 전 세계가 직면한 주요 과제 중 하나는 모두가 안전하고 깨끗한 식수를 이용할 수 있게 하는 것입니다.

2024년 UN 세계 물 개발 보고서에 따르면 전 세계 인구의 절반 정도가 연중 최소 일부 기간에 심각한 물 부족을 겪고 있습니다. 물 부족은 실제로 전 세계 이주의 10% 증가와 연관되어 있습니다.

저소득 국가에서는 폐수 처리 수준이 낮아 물 품질이 악화되고, 고소득 국가에서는 농업으로 인한 유출이 큰 문제입니다.

한편, 세계 인구 증가에 따라 깨끗한 식수에 대한 수요는 계속 증가하고 있습니다. 급속한 인구 성장, 도시화, 에너지 부문, 농업 및 산업의 물 수요 증가가 물에 대한 수요 상승에 기여하고 있습니다.

하지만 데이터에 따르면 2030년에는 수십억 명이 안전한 물, 위생 및 위생 시설에 접근하지 못할 것으로 보입니다. 2022년에는 7억 3000만 명이 기본 물 서비스를 이용하지 못했으며, 훨씬 더 많은 수치인 22억 명이 안전하게 관리되는 식수에 접근하지 못했습니다.

이와 같은 상황 속에서 물 가용성은 점점 예측하기 어려워지고 있으며, 기후 변화로 인한 전 세계 온도 상승과 함께 물 부족은 급증할 것으로 예상됩니다. 물 자원은 오염과 수인성 질병으로부터도 위험에 처해 있습니다.

처리되지 않은 폐수의 도전 과제

유엔에 따르면 산업 폐기물의 대부분이 개발도상국에서 완전하게 처리되지 않은 채 폐기됩니다.

한편, 전 세계 폐수 중 적절히 처리되는 비율은 매우 적습니다. 유엔에 따르면 전체 폐수가 어느 정도라도 처리되는 비율은 73개 국가(전 세계 인구의 42%)에 대해서만 계산될 수 있었으며, 2022년 폐수 통계를 보고한 107개 국가(전 세계 인구의 73%) 중 일부에 불과합니다.

산업 폐수 처리에 대한 보고는 극히 제한적이며, 22개 국가(전 세계 인구의 8%)에서만 데이터가 보고되었습니다. 이들 국가에서 산업 폐수의 38%만이 처리된 것으로 보고되었으며, 안전하게 처리된 폐수는 겨우 27%에 불과합니다.

가정(가족) 폐수의 경우, 42%가 안전하게 처리되지 않았습니다. 주요 원인은 회색수와 흑수를 수집할 적절한 시스템이 부족했기 때문입니다.

폐수는 가정, 산업 및 상업용 원수, 담수 또는 식수를 사용한 후에 발생하는 물이며, 다양한 물질을 포함하고 있어 생태계와 인간 건강에 해로울 수 있습니다.

중금속, 유기·무기 오염물, 병원균, 산업 배출물 등과 같은 물질은 자연적으로 분해되지 않아 환경에 지속적으로 남아 있습니다.

또한 세제, 산업 화학물질, 의약품, 시아노톡신, 호르몬, 과불화 및 폴리플루오로알킬 물질(PFAS), 나노물질 등 신흥 오염물도 큰 문제를 일으키고 있습니다.

기술 혁신은 고성능, 저비용 처리 옵션을 제공하여 모두에게 충분하고 저렴한 깨끗한 물을 보장할 수 있습니다.

이러한 물 정화 혁신 중 일부는 역삼투(RO), 초미세여과(UF), 직접접촉막증류(DCMD)와 같은 고급 막 기술을 포함합니다.

태양광 필터는 태양 에너지를 사용하여 외딴 지역에서도 깨끗한 물을 제공할 수 있습니다. 전기응집, 미생물 연료전지, 고급 산화 공정과 같은 신기술도 물 품질 향상에 기여하고 있습니다.

또 다른 물 정화 기술 혁신은 나노기술이며, 이는 오염물과 미생물을 효율적으로 제거합니다.

효과적인 물 처리를 위한 나노기술

전통적인 물 소독 방법은 매우 효과적이고 널리 사용되지만 단점도 있습니다. 예를 들어, 염소소독에서는 유해한 소독 부산물 생성 위험이 있으며, 자외선 조사에는 상당한 에너지 투입이 필요하고 테트라사이클린 내성 대장균과 같은 일부 미생물에 대한 효능이 제한적입니다.

물 처리 과정을 개선하기 위해 과학자들은 나노기술을 활용한 물 정화 기술을 개발했습니다.

나노기술은 물질을 매우 작은 규모에서 의도적으로 조작하는 것으로, 통합 물 관리와 치료 효율성을 높이고 비전통적인 수원을 활용해 물 공급을 확대하는 데 핵심적인 역할을 할 수 있습니다.

깨끗하고 안전한 식수 접근성을 높이기 위해 나노기술은 지하수, 지표수 및 폐수를 혁신적인 나노재료로 처리합니다. 폐수 처리에 사용되는 나노기술 발전 사례로는 자기 나노입자, 생체활성 나노입자, 나노여과, 나노흡착제, 나노촉매, 나노분말, 나노생물제제, 나노섬유 등이 있습니다.

과학자들은 탄소 나노튜브와 나노셀룰로오스를 이용한 물 여과를 널리 시연했습니다. 이러한 방법은 물에서 독성 중금속을 제거하고, 생물학적·화학적 위험이 물에 들어오는 것을 방지하며, 물 흐름에서 오염물을 흡착합니다. 심지어 금 나노입자도 농약 및 의약품과 같은 오염물을 정화하는 데 사용되었습니다.

나노기술은 깨끗한 식수를 위한 유망한 솔루션을 제공하지만, 나노재료의 잠재적 건강·환경 위험과 대규모 생산 및 비용 측면에서 큰 어려움에 직면해 있어 구현이 제한적입니다.

현재 오하이오 주립대학 연구진은 새로운 식수 정화 방법인 3D 나노기술 블랭킷을 제시하고 있습니다.

이 블랭킷은 이산화티타늄(TiO₂) 나노섬유로 제작되어 햇빛을 활용해 물 속 유해 오염물을 분해하고 지속 가능한 에너지를 생성합니다. 독성 부산물을 생성하지 않으며, 팀은 이를 상업적으로 대량 생산할 수 있는 도구를 보유하고 있습니다.

식수 정화를 위한 새로운 방법

국립 과학 재단(National Science Foundation)의 지원을 받은 최신 연구에서 연구진은 위험한 오염물을 제거해 물을 정화하는 새로운 물질을 만들었습니다.

이 새로운 물질은 연성 화학 겔과 블렌드 전기방사법이라는 두 가지 방법을 결합해 개발되었습니다.

전기방사법은 섬유 생산 방법으로, 용액에 전기력을 가해 나노섬유를 생성합니다. 이 방법은 길고 연속적인 나노섬유를 제조하는 데 일반적으로 사용됩니다. 연구팀은 이를 통해 이산화티타늄의 얇은 섬유 형태 스트립을 개발했습니다.

이산화티타늄(TiO₂)은 가스 센서, 태양전지, 광촉매 및 자가청소 기술 등에 일반적으로 사용되는 무기 화합물입니다.

이 화합물은 훌륭한 대체 에너지 원이지만, 나노입자를 이용한 태양 연료 시스템은 일반적으로 전력이 제한됩니다. 이는 비가시 자외선(UV) 빛만 흡수해 광촉매 작용을 할 수 있기 때문에 효율이 낮고, 복잡한 여과 시스템이 필요해 구현에 어려움을 초래합니다.

또한 TiO₂ 나노입자에서 광생성 전자와 정공의 수명이 짧아 효과적인 활용을 방해하고, 쉽게 회수 가능한 자체 지지형 나노구조가 부족한 것이 과제로 남아 있습니다.

다양한 연구에서 Ag(은), Fe(철), Pd(팔라듐), Pt(백금), Zn(아연), Mn(망가니즈), B(붕소), Zr(지르코늄) 등 다양한 금속 이온을 도핑해 이러한 제한을 극복하고 이산화티타늄의 광촉매 특성을 향상시키는 방안을 탐구했습니다.

하지만 가능성을 보인 것은 구리(Cu)였습니다. 열전도도와 전기전도도가 매우 높은 이 연성 금속을 물질에 첨가하면서 변화가 일어났습니다. 그러나 이를 위해서는 광밴드갭을 낮추고 Cu‑도핑 티타니아의 표면적 대 부피 비율을 증가시켜 원하는 광촉매 활성을 얻어야 했으며, 이는 또 다른 문제를 야기했습니다.

따라서 연구진은 나노섬유 기반 공정을 통해 높은 표면적 대 부피 비율을 가진 안정적인 Cu‑도핑 TiO₂ 나노입자를 제공하는 시스템을 설계해야 했습니다.

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수 정화 및 전력 생성 도구

이 연구는 Advanced Science¹에 발표되었으며, 새로운 구조물인 나노 매트(nano mats)를 상세히 설명합니다. 이 나노 매트는 충분한 빛 에너지를 흡수해 공기와 물 속의 위험한 오염물을 분해할 수 있습니다.

“물 위에 깔아 에너지를 생성할 수 있는 블랭킷을 만드는 쉬운 방법은 없었습니다. 하지만 우리는 이러한 구조물을 만들었고, 실제로 작동한다는 것을 입증한 유일한 사람들입니다.” – Pelagia‑Iren Gouma, 오하이오 주립대학 재료과학 및 공학 교수

구리 첨가가 이산화티타늄에 미친 효과는 오염물 파괴 과정을 크게 가속화했다는 점입니다.

이 과정에서 TiO₂가 빛을 흡수하면 전자가 생성되어 물을 산화하고 오염물을 공격해 무해한 물질이 될 때까지 파괴합니다.

새 물질의 높은 효율성을 확인하기 위해 연구진은 나노 매트의 업데이트된 특성을 분석했습니다. 이를 통해 매트가 다른 자체 청소 나노입자와 차별화되는 점을 파악했습니다.

연구진은 자연 햇빛에 노출될 때 이 나노 매트가 기존 태양전지보다 전력 생성에 더 성공적일 수 있음을 발견했습니다.

“이 나노 매트는 전력 생성기 또는 수 정화 도구로 사용할 수 있습니다. 두 경우 모두 현재까지 보고된 가장 높은 효율의 촉매를 가지고 있습니다.”

– Gouma

게다가 이 섬유 매트는 가볍고 제거가 쉬우며, 어떤 물 위에서도 떠서 작동할 수 있습니다. 재사용이 가능하고 여러 번 세척 사이클을 거칠 수 있습니다.

높은 효율성을 고려할 때, 연구진은 개발도상국에서 산업 오염물을 제거하고 오염된 강과 호수를 깨끗한 식수원으로 전환하는 데 이 매트를 활용할 수 있다고 보고 있습니다.

게다가 이 기술은 독성 부산물을 전혀 생성하지 않아 환경 친화적입니다.

“안전한 물질이며, 어떤 것에도 해를 끼치지 않고 가능한 한 깨끗합니다.”

– Gouma

이 효율적인 기술의 상용화는 팀이 적절한 도구를 보유하고 있지만, 산업계가 이를 주목하느냐에 달려 있습니다.

“우리는 대량 생산을 위한 도구를 가지고 있으며 이를 다양한 산업에 적용할 수 있습니다. 유일한 제한은 이 풍부한 자원을 활용할 누군가가 필요하다는 점입니다.”

– Gouma

전반적으로 팀은 나노 매트의 잠재력을 믿고 있습니다. 이 매트는 수처리 시설, 외딴 지역 및 재난 구호에서 깨끗한 식수를 제공하는 데 사용될 수 있습니다. 추가 테스트와 규모 확장이 진행되면 3~5년 내에 상업적 적용이 나타날 수 있습니다.

팀은 이 나노 매트가 향후 광촉매 응용 분야에서도 유망한 도구가 될 수 있다고 믿습니다. 여기에는 태양 구동 수소 생산 및 환경 복원과 같은 장기 지속 가능성 노력이 포함됩니다.

현재 팀은 완전히 새로운 이 물질을 더욱 발전시키는 방법을 연구하고 있습니다. Gouma는 이 새로운 형태의 나노기술을 “정말 인상적이며 우리가 매우 기대하는 것”이라고 말했습니다.

혁신적인 기업

Xylem Inc.  

전 세계 물 기술 분야의 선두주자인 Xylem은 물 정화 및 처리용 혁신 솔루션을 개발하고 있어 나노기술 기반 물 정화 시스템을 통합하기에 강력한 후보입니다.

이 회사는 물, 물 펌프, 처리 장비, 펌프, 밸브 및 열교환기를 포함한 다양한 응용 분야에 걸쳐 제품을 제공하며, 물 테스트용 분석 기기와 중요한 물·에너지 자원의 지능형 사용 및 보존 솔루션도 제공합니다.

폐수 처리와 관련해 Xylem은 산소가 존재하는 환경에서 유기물을 이산화탄소와 새로운 바이오매스로 전환하는 호기성 처리라는 생물학적 공정을 제공합니다. 또한 산소가 없는 환경에서 미생물이 유기 폐기물을 분해하는 혐기성 폐수 처리가 있으며, 이는 고온·고농도 산업 폐수의 생분해성 유기 물질을 처리하는 데 주로 사용됩니다.

Xylem은 또한 물 처리 시스템의 효율성을 높이는 디지털 물 관리 솔루션인 Water One®을 제공합니다.

이 회사의 소독 시스템은 지방자치, 산업 및 레크리에이션 물 용도에 제공되며, 분석기·프로세스 컨트롤러, 이산화염소 발생 장비, 가스 공급 시스템, 오존 시스템, 차아염소산 발생 시스템, 자외선 소독 시스템 등을 포함합니다.

한편 고순도 물 시스템은 실험실, 의료, 제약 및 반도체 산업 등 중요한 응용 분야의 품질 기준을 충족하도록 여러 단계에 걸쳐 물을 처리합니다.

Xylem의 여과 솔루션은 재생 매체 필터, 디스크 필터, 모래 필터, 고효율 마이크로샌드 필터, 압력 필터부터 역삼투막, 스크류 펌프, UF 시스템, 미세 여과, 증기상 악취 제어 시스템, 연수기까지 모두 포괄합니다. 이는 레크리에이션·산업용뿐 아니라 수영장 및 지방자치단체의 2차 폐수 처리에도 다양한 옵션을 제공합니다.

현재 Xylem은 시가총액 296억 5천만 달러 기업으로, 작성 시점 주가는 122.02달러이며 연초 대비 5.17% 상승했습니다. EPS(TTM)는 3.65, P/E(TTM) 비율은 33.40, ROE(TTM)는 8.55%이며, 배당 수익률은 1.31%입니다.

2024년 4분기 기준 매출은 23억 달러로 7% 증가했으며, 주문액은 22억 달러였습니다. 분기당 순이익은 1.34달러로 22% 상승했으며, 조정 기준으로는 1.18달러로 19% 상승했습니다.

“팀은 Xylem의 사상 최고 실적을 마감하기 위해 강력한 4분기를 달성했습니다. 모든 부문이 강력한 4분기 주문 성장률을 보였으며, 이는 2025년에도 탄탄한 기본 수요에 힘입은 모멘텀을 제공합니다.”

– CEO Matthew Pine

분기 순이익은 3억 2600만 달러였으며, 조정 순이익은 2억 8700만 달러였습니다. Xylem은 이번 달 주주에게 1주당 0.40달러로 1분기 배당금을 11% 인상했습니다.

2024년 전체 매출은 86억 달러로 16% 증가했으며, 주당 순이익은 3.65달러(31% 상승)와 조정 기준 4.27달러(13% 상승)였습니다.

올해 전체 매출 전망은 86~87억 달러이며, 자유 현금 흐름 마진은 9~10%로 예상됩니다.

회사는 올해 주당 순이익이 4.50~4.70달러 범위가 될 것으로 예상하고 있습니다. Pine에 따르면:

“우리의 2025년 가이던스는 팀이 장기 프레임워크에 대한 약속을 반영하며, 고객이 세계 최대 물 문제를 해결하도록 지속적으로 지원할 것입니다.”

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결론

전 세계는 수백만 명이 안전한 식수와 위생 시설에 접근하지 못하는 물 위기에 직면해 있습니다. 물 부족은 인구 증가, 오염, 과잉 개발 및 기후 변화의 결과이며, 향후 몇 년간 상황은 더욱 악화될 것으로 예상되어 비용 효율적이고 보다 효율적인 해결책이 필요합니다.

폐수 처리는 물 품질을 개선하고 물 접근성을 높이며 담수 자원 의존도를 줄이고 물을 보다 지속 가능한 자원으로 만드는 데 기여할 수 있는 중요한 전략입니다.

나노기술은 오랫동안 물 정화를 혁신하겠다고 약속했지만 아직 널리 채택되지 않았습니다. 따라서 3D 나노기술 블랭킷의 개발은 중요한 돌파구를 의미합니다. 이 블랭킷은 햇빛을 이용해 오염물을 제거하면서 지속 가능한 에너지를 생성합니다.

이 나노 매트의 가볍고 재사용 가능한 특성은 독성 부산물이 없다는 점과 결합되어 기존 여과 방법에 대한 환경 친화적인 대안을 제공합니다. 산업계가 이를 주목한다면, 이 새로운 기술은 전 세계 물 처리 방식을 재정의할 수 있습니다. 성공적인 상용화는 전 세계 수억 명의 사람들에게 깨끗하고 안전한 식수를 제공할 것입니다!

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