Seawater Desalination by Using Metal-Organic Framework-Incorporated Cu-Based Alginate Beads without Energy Consumption

Abstract

인구 증가와 산업화에 따른 수질오염에 기인하여, 지구상에 있는 물의 대부분의 비중을 차지하는 해수를 효과적으로 담수화하는 기술의 필요성이 대두되고 있다. 이에 따라, 본 연구에서는 해수에 녹아 있는 염 이온을 효과적으로 흡착하여 제거할 수 있는, 금속-유기 구조체가 결합된 구리 기반의 알긴산 비드를 제작하였다. 본 알긴산 비드는 다양한 종류의 염 이온에 대한 높은 흡착 성능을 보였으며, 저농도 기수 및 고농도 해수 모두에 대한 우수한 이온 제거 성능을 나타내어, 실제 담수 생산기술에 적용될 수 있는 가능성을 시사하였다. 또한 3회 반복 사용 이후에도 적정 수준의 이온 흡착 능력을 유지하였으며, 고농도 해수를 7번에 걸쳐 다단계 연속 흡착 처리한 결과 94.3%의 염 이온 제거율을 나타내었다. 흡착 처리 과정을 거친 뒤의 저농도 해수는 맹그로브 모사 멤브레인에 의해 추가적으로 여과되었으며, 본 연구에서 개발된 알긴산 비드와 자연모사 멤브레인이 결합된 해수담수화 시스템은 결과적으로 총 98.1%의 이온 제거 성능을 보였다. 본 연구에서 개발 및 제작된 금속-유기 구조체 결합 구리 기반 알긴산 비드는 탄소 나노튜브 등과 같은 해수담수화용 흡착 물질에 비해 상대적으로 제작 비용이 저렴하며, 흡착 과정에서 외부 에너지를 필요로 하지 않으므로, 역삼투 기술 등에 비해 경제적으로 사용될 수 있다. 또한 온도와 같은 주위 환경에 영향을 받지 않는다는 장점이 있어, 증류와 같은 타 해수담수화 기술에 비해, 보다 실질적인 해수담수화 기술 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

The demand for freshwater is gradually and globally increasing due to the growth of population and water contamination. To meet this global demand, we fabricated metal–organic framework (MOF)-incorporated Cu-based alginate beads (Cu–MOF–Alg beads) for the effective removal of water-dissolved salt ions from seawater. Alginic acid formed a matrix for preconfined Cu coordination. In this matrix, the MOFs were successfully in situ synthesized with organic ligands. The as-prepared Cu–MOF–Alg beads exhibited exceptional salt ion adsorption. The Cu–MOF–Alg beads can be applied over a wide concentration range of target solutions and maintain their ion adsorption capacity after three repeated uses. Moreover, the beads exhibited a rapid adsorption kinetics, and their salt ion removal rate was approximately 94.3% through multistage adsorption process. The MOF-treated seawater, which has been desalinated to a low concentration of 1,000 ppm, was filtered by a mangrove-inspired membrane, which yielded a total ion removal rate of 98.1%. Considering the low material cost compared to other adsorption-based desalination techniques and no use of external power source, the proposed hybrid desalination system can produce purified water at excessively low cost. Given that the adsorption-type removal of ions requires no external energy and is robust under the surrounding environments, this desalination technique could be economically and ecofriendly utilized for practical seawater desalination in a facile manner.