Application of Molecular Simulation in Reverse Osmosis Membrane Research

Tae Kyung Lee, Sang Yong Nam†

Department of Materials Engineering and Convergence Technology, Gyeongsang National University, Jinju 52828, Republic of Korea

^† Corresponding Author: Gyeongsang National University Department of Materials Engineering and Convergence Technology, Jinju 52828, Republic of Korea Tel: +82-55-772-1657 e-mail: walden@gnu.ac.kr

Received October 25, 2022 ; Review November 22, 2022 ; Accepted November 25, 2022

Abstract

The desalinated water obtained by the water treatment process based on the membrane is attracting a lot of attention as a promising technology that can solve the global water shortage problem. Reverse osmosis membrane-based desalination, one of the most widely used desalination processes, is a technology that desalinates abundant seawater on Earth, thus having great potential in the desalination industry. To improve the performance of the desalination process, it is necessary to understand the reverse osmosis mechanism of the membrane at the atomic/molecular level. In this review, we introduce molecular simulation, which plays an important role in material research today, and the roles of computational simulation at the atomic/molecular level in the development of reverse osmosis membranes.

Key Words : Reverse osmosis , Membrane , Desalination , Molecular simulation

역삼투압 분리막 연구에서의 분자 전산모사 응용

이 태경, 남 상용†

경상국립대학교 나노신소재융합공학과

초록

분리막을 활용한 수처리 공정을 통해 얻어진 담수된 물은 전 세계적인 물 부족 문제를 해결해 줄 수 있는 유망한 기술로 많은 주목을 받고 있다. 오늘날 담수화에 가장 널리 활용되고 있는 역삼투압 분리막 기반 공정은 지구상에 풍부한 바닷물을 담수화하는 기술이기 때문에 산업적으로도 그 잠재성이 매우 풍부하다. 이러한 담수 공정 성능을 향상시키기 위해서는 분리막의 역삼투압 메커니즘을 원자/분자 수준에서 이해할 필요가 있다. 본 총설에서는 오늘날 소재 연구에 있어 중요한 역할을 담당하고 있는 분자 전산모사에 대한 소개와 함께 역삼투압 분리막 연구 개발에 있어 원자/분자 수준에서의 전산모사 역할을 소개하고자 한다.

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1. 서 론

최근 전 세계적인 환경오염의 증가로 발생하는 산업 폐수, 생활 하 수와 함께 기후변화로 인한 전 세계적 물 부족 현상은 여전히 해결이 시급한 문제로 여겨지고 있다. 그 중, 분리막을 활용한 담수화 기술은 전 세계적인 물 부족 문제를 해결해줄 수 있는 기술로 많은 주목을 받고 있다. 분리막 기반의 수처리 공정은 수처리 효율성과 생산성을 향상 시킬 수 있으며, 작동 과정과 확장이 산업에 적용하는데 있어 용 이하다[1]. 분리막 기술은 그 방식에 따라 분류가 되는데, 그 중 압력 차이를 활용한 기술로는 한외여과(ultrafiltration, 이하 UF), 정밀여과 (microfiltration, 이하 MF), 나노여과(nanofiltration, 이하 NF), 그리고 역삼투압(reverse osmosis, 이하 RO)이 있다[2]. 특히, 역삼투압 현상 을 이용한 분리막 공정은 담수화 과정에 있어 대표적인 방법이며, 오 늘날 해수의 담수화에 가장 널리 활용되고 있는 방법이다[3]. 해수 담 수화는 지구상에 풍부한 바닷물을 담수화하는 기술이기 때문에 그 잠 재성이 매우 풍부하며, 해수 담수화를 위한 역삼투압 기반 분리막에 관한 연구 개발이 활발히 진행되고 있다[3]. 역삼투압 분리막을 활용 한 담수 과정은 삼투압보다 높은 압력 조건하에서 용액으로부터 용매 가 분리막을 통해 이동하는 역삼투압 원리가 거시적 관점에서의 주요 메커니즘이다. 이처럼 역삼투압 분리막은 해수 또는 기수를 담수화하 는 가장 효과적인 기술 중 하나이지만, 담수 공정의 성능을 향상시키 기 위해서는 분리막의 역삼투압 메커니즘에 대한 원자/분자 수준에서 의 이해가 필수적이다. 즉, 역삼투압 분리막의 담수 과정과 관련된 미 시적 관점에서의 메커니즘 이해가 필요함을 의미한다. 그리고, 해당 이해가 바탕이 되어있어야 분리막의 성능 향상 혹은 새로운 분리막 소재의 설계가 가능하기 때문에 원자/분자 수준이라는 미시적 관점에 서의 분리막에 대한 이론적 연구는 필연적으로 수반되어야 한다. 본 총설에서는 오늘날 소재 연구 및 개발에 있어 한 축을 담당하고 있는 분자 전산모사에 대한 소개와 함께 분자 전산모사 방법을 활용하여 역삼투압 분리막 소재의 구조와 해당 분리막의 담수화 과정에 대한 원자/분자 수준에서의 이해를 연구한 사례들을 소개하고자 한다. 이를 통해, 역삼투압 분리막의 성능 향상 및 신규 소재 개발 연구에 있어 분자 전산모사의 역할이 중요함을 강조하고자 한다.

2. 원자/분자 수준 전산모사의 중요성

지난 수십년이라는 기간 동안 컴퓨터 성능의 급진적인 발전 덕분에 전산모사 연구 분야 또한 괄목할 만큼 많은 발전을 이루었다. 실험적 으로 관측 및 분석이 어려운 원자/분자 수준의 미시 세계에 대한 물리 화학적 고찰을 통해 다양한 분야에서 소재의 대용량 스크리닝 (high-throughput screening), 물성, 메커니즘 규명까지 전산모사의 중 요성은 나날이 높아지고 있다. 특히, 다학제간의 융⋅복합 연구가 중 요해진 최근 연구 동향에서 전산모사를 융합한 연구는 선택이 아닌 필수가 되어가고 있는 추세이다. 그 중, Figure 1과 같이 다양한 시⋅ 공간 스케일에 따른 서로 다른 전산모사 방법론들을 적재적소에 활용 하여 미시 세계와 거시 세계에서 나타나는 현상을 효과적으로 해석하 는 다차원 전산모사 기법이 있다.

본 총설과 밀접한 관련이 있는 원자/분자 단위의 전산모사 기법으 로는 밀도 범함수 이론(density functional theory, 이하 DFT) 계산과 분자 동역학(molecular dynamics, 이하 MD) 전산모사가 존재한다. 밀 도 범함수 이론 계산은 양자역학 이론을 기반으로 원자/분자의 전자 상태나 그 에너지를 계산하는 방법이며, 분자 동역학 전산모사는 고 전역학 이론을 기반으로 원자/분자의 동역학을 시간에 따라 계산하는 방법이다. 그 중, 분자 동역학 전산모사는 시간에 따른 원자/분자의 물 리적 거동을 통계적으로 계측할 수 있다는 장점을 가지고 있기 때문 에 역삼투압 기반 분리막 연구 분야에서 널리 활용되고 있다[4,5]. 분 자 동역학 전산모사는 원자/분자간 상호작용 포텐셜을 매개변수화한 힘장(forcefield)이라는 요인에 의해 전산모사의 정확성과 신뢰도가 결 정된다. 즉, 힘장의 정확도가 분자 동역학 전산모사 결과에 있어 중요 한 요소가 됨을 의미한다. 이러한 힘장은 대표적으로 DREIDING[6], COMPASS[7], AMBER[8], CHARMM[9], GAFF[10], OPLS-AA[11], CVFF[12]가 존재하며, 전산모사에 사용하고자 하는 소재의 종류에 따라 적합한 힘장을 선택하는 것이 중요하다. 앞서 소개한 힘장과 함 께 분자 동역학 전산모사를 수행할 수 있는 프로그램들은 대표적으로 LAMMPS[13], GROMACS[14], Materials Studio[15], NAMD[16], AMBER[17]가 있다.

3. 역삼투압 분리막 연구의 분자 전산모사 응용

본 파트에서는 앞서 설명한 분자 전산모사 방법들 중 분자 동역학 전산모사를 활용하여 역삼투압 분리막을 연구한 사례들을 소개하고 자 하며, 원자/분자 수준의 전산모사가 분리막 연구에 있어 어떤 역할 을 할 수 있는지를 설명하고자 한다.

현재 역삼투압 분리막의 주류인 polyamide 계열 분리막에서 분자 동역학 전산모사를 활용하여 수화된 polyamide 분리막 구조내 물 분 자와 polyamide 사이의 상호작용을 방사형 분포 함수(radial distribution function, 이하 RDF)와 수소 결합 분석을 통해 규명할 수 있 다[18]. 이와 같은 분석을 통해 역삼투압 공정 과정 동안 물 분자가 polyamide 분리막의 어떤 기능기내 원자와 상호작용을 할 수 있는지 그리고 수화된 분리막에서 물 분자의 90%가 분리막과 수소 결합을 하고 있음을 원자/분자 수준에서 규명하였다. Zhang et al.은 물이 벌 크 상태와 분리막 안에 있는 상태에서의 물 구조와 동역학적 상태를 분자 동역학 전산모사를 통해 규명하였다(Figure 2(a)). 이를 통해 물 의 국소적인 분포와 배향이 분리막내 친수성 작용기와의 수소 결합 친화력에 의해 분리막을 가로질러 침투된 물 채널을 형성하는 데 도 움이 됨을 보고하였다[19]. 해당 연구를 통해 polyamide 분리막 내부 의 물 구조와 동역학에 대한 심도 있는 이해를 바탕으로 고성능 역삼 투압 분리막 개발을 위한 단초를 제시할 수 있다.

뿐만 아니라, 물과 여섯 가지 서로 다른 용질인 메탄올, 에탄올, 2- 프로판올, 요소, NaCl을 활용해 polyamide 분리막에서의 역삼투압 분 리 공정을 비평형 분자 동역학 전산모사(non-equilibrium MD, 이하 NEMD)를 통해 모사하였으며, 해당 연구를 통해 다양한 압력 조건과 시간에 따라 분리막을 통과하여 담수화된 물 분자의 개수를 정량적으 로 분석하였다[20]. 결과적으로 수투과도는 분리막 구조에서 기공의 자유 부피와 상관관계가 있으며, 분리막이 수화에 의해 팽창되고 분 자간 충돌에 의해 진동할 때 발생하는 분리막의 동적 구조에 의해 향 상됨을 원자/분자 수준에서 규명하였다.

Song et al.에 의해서도 비평형 분자 동역학 전산모사를 활용해 polyamide 역삼투압 분리막에서 물 분자들의 흐름이 연구되었다[21]. 시 간에 의존하지 않는 물 유동을 얻기 위해 다양한 압력 강하에서 전산 모사가 수행되었고, 물 유동이 압력 강하와 선형 관계에 있음을 보고 하였다. 뿐만 아니라, 분리막의 기능기와 물 분자간 방사형 분포 함수, 체류 시간 분석을 통해 분리막의 carboxyl 또는 amino 기능기보다 벤 젠 고리 주변에서 물 분자가 더 빠르게 흐르는 것을 규명하였다 (Figure 2(b)). 즉, 물 분자 유동의 주요 저항은 분리막의 carboxyl 또는 amino 기능기에 의한 것임을 나타내었다. 해당 연구를 통한 발견은 실험 결과와도 잘 일치하였으며, 수투과도를 향상시키기 위해서는 분 리막의 carboxyl 또는 amino 기능기가 적게 존재해야 됨을 시사하였 다. 이외에도 분자 동역학 전산모사를 통해 분리막 소재에 따른 물 분 자와 이온들의 확산 계수도 계측할 수 있기 때문에 이를 기반으로 분 리막 소재의 담수화 성능을 예상할 수 있다[19,22-24].

분리막에서의 담수 과정뿐만 아니라, 분리막 오염과 관련된 메커니 즘도 원자/분자 수준 전산모사를 통해 규명되었다[25]. Figure 3(a)는 polyamide 분리막과 alginate 간의 상호작용을 보고한 연구로서 분리 막 오염에 영향을 줄 수 있는 금속 이온인 Na⁺와 Ca²⁺ 이온의 결합 강도와 결합 구조를 분자 동역학 전산모사를 통해 보여주었다. Polyamide와 alginate의 carboxylate 기능기가 금속 이온들과 강하게 결합을 하고 있으며, Ca²⁺ 이온이 Na⁺보다 더 강하게 결합하지만, 물 분자와의 수화 자유 에너지가 상대적으로 높아 결합 유지 시간이 더 짧음을 규명하였다. 규명된 결합 메커니즘을 바탕으로 polyamide의 오염에 있어 이온 결합 형성이 중요한 역할을 함을 보고하였다. 뿐만 아니라, Hughes et al.에 의해 세 가지 오염 분자(i.e., glucose, phenol, oxygen gas)와 polyamide 분리막간 상호작용이 NaCl 수용액의 담수화 에 미치는 영향도 분자 동역학 전산모사를 통해 보고되었다[26].

앞서 분자 동역학 전산모사를 통해 분석한 방법들은 모두 실험적으 로 분석이 어려운 부분이며, 전산모사를 통해서만 도출할 수 있기 때 문에 복잡도가 높은 고분자 계열의 분리막에서 분자 전산모사의 역할 이 중요함을 알 수 있다. 이외에도 분자 동역학 전산모사 방법을 통해 polyamide 분리막에 대한 역삼투압 공정을 모사하기 위한 다양한 모 델링 방법이 있음을 알 수 있다. 그 중, 역삼투압 현상을 위한 압력 차를 모사하기 위해 그래핀 벽을 활용하여 외부 힘을 가해주는 비평 형 분자 동역학 전산모사 방법이 효과적이다(Figure 3(b))[20,27]. 뿐만 아니라, 두 가지 유형의 polyamide 분리막 모델에 대한 역삼투압 분자 동역학 전산모사를 기존 역삼투압 전산모사에서 사용하던 그래핀과 같은 가상의 벽에 외부 힘을 적용하여 압력 차를 모사하는 비평형 분 자 동역학 전산모사 방법이 아닌 용액 간의 밀도 차이를 통해 가상의 압력 차를 모사하여 역삼투압 현상을 효과적으로 나타낸 연구도 보고 됨[28]에 따라 전산모사 방법론적으로도 역삼투압 분리 공정을 보다 더 효율적으로 모사하기 위한 연구가 이뤄지고 있음을 알 수 있다.

다음으로 polyamide 계열 분리막뿐만 아니라 탄소 기반 2차원 소재 인 그래핀은 얇고 강하며, 우수한 화학적 내구성으로 인해 역삼투압 분리막으로서 차세대 소재로 주목받아 관련 연구들도 이루어지고 있 다[29-33]. 특히, polyamide 층의 비정질적 특성으로 인해 정확한 분리 막 모델링 및 담수화 메커니즘이 완벽히 규명되지 않은 TFC (thinfilm composite) 분리막[3,34,35]과는 다르게 그래핀은 간단한 구조와 담수화 과정을 나타내기에 이와 관련된 분자 전산모사 연구가 많이 이루어졌다. 이를 통해, 그래핀 기반 역삼투압 분리막의 잠재성이 해 당 소재의 물리화학적 특성과 함께 분리 공정 메커니즘에 대한 이론 적 연구를 바탕으로 제시가 되었다는 점에서 분자 전산모사의 중요성 을 알 수가 있다. 그 중, 나노 다공성 그래핀 분리막이 담수화에 있어 효과적인 소재임과 동시에 수투과도(water permeability)와 염 배제율 (salt rejection)이 다른 역삼투압 분리막 소재보다 우수함을 분자 동역 학 전산모사를 통해 이론적으로 제시하였다(Figure 4(a))[29]. 뿐만 아 니라, He et al.은 나노 다공성 그래핀의 기능기 종류에 따라 Na⁺와 K⁺ 이온의 선택적 투과가 가능함을 보고하였다[36]. 분자 동역학 전산모 사를 통해 4개의 carbonyl기가 포함된 나노 다공성 그래핀은 Na⁺보다 K⁺ 이온을 우선적으로 이동시키고, 4개의 음으로 하전된 carboxylate 기는 Na⁺만 선택적으로 결합하게 되어 K⁺ 이온을 이동시킴을 발견하 였다. 이와 같이 기능화된 나노 다공성 그래핀의 이온 배제 거동을 생 물학적 단백질 채널의 활성과 비교하면서 3개의 carboxylate기를 갖는 구조에서 이온 전도가 knock-on 메커니즘을 통해 발생함을 보고하였 다(Figure 4(b)).

종합적으로, 분자 전산모사 방법 중 분자 동역학 전산모사를 활용 해 역삼투압 분리막 소재의 담수화 메커니즘과 함께 수투과도, 염 배 제율, 분리막 오염 메커니즘 등 분리막 성능과 관련된 요인들을 원자/ 분자 수준에서 이론적으로 규명할 수 있으며, 이를 통해 원자/분자 수 준에서의 전산모사 방법이 역삼투압 분리막 소재 개발에 있어 중요한 역할을 할 수 있음을 시사한다.

4. 결론 및 전망

본 총설을 통해 역삼투압 분리막 연구 개발에 있어 분자 전산모사 의 역할은 실험적으로 관측 및 분석이 어렵거나 불가능에 가까운 원 자/분자들의 거동과 물리적 특성들을 계측하여 분리막의 담수화 메커 니즘을 이론적으로 규명할 수 있다는 장점이 있다. 이렇게 규명된 메 커니즘은 실험자들에게 있어 기존 분리막 소재에 대한 보완과 분리막 성능을 향상시키기 위한 중요한 정보로 활용될 수 있다. 뿐만 아니라, 전산모사는 실험과 달리 다양한 소재를 시⋅공간의 제약없이 자유롭 게 적용할 수 있다는 장점이 있기 때문에 분리막 소재에 대한 원자 단위 설계가 실험보다 먼저 수행될 수 있어 실험자들의 시간과 비용 절약이라는 긍정적인 효과도 기대할 수 있다. 이와 같은 장점도 있지 만, 분자 전산모사는 전원자를 모사하기 때문에 시간과 크기 관점에 서 실제 분리막 소재를 일대일로 모사할 수 없다는 한계점도 존재하 기에 유한요소법(finite element method, 이하 FEM) 기반 연속체 스케 일의 전산모사를 적절히 활용하는 다차원 전산모사 기법이 요구될 수 있다. 마지막으로, 최근에 소재 설계와 관련된 연구에서 많은 주목을 받고 있는 기계학습(machine learning)/인공지능(artificial intelligence) 기법을 분자 전산모사 기법과 융합하여 새로운 고성능 역삼투압 분리 막 소재 개발 연구도 앞으로 분리막 소재 연구 분야에서 함께 나아가 야할 방향이라 생각되며, 본 총설을 마치고자 한다.

감 사

본 논문은 산업통상자원부 및 산업기술평가관리원의 지원(20019441) 과 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원(No. 2020R1A6A 03038697)을 받아 수행됨.

Figures

Figure 1.Multiscale simulation technique from atomistic level to continuum level.

Figure 2.(a) Analyses of water structure and dynamics in the polyamide membrane by using the radial distribution function (RDF), the profiles of water orientation, the number density of unreacted functional group of polyamide membrane, and the average hydrogen bond numbers of water-water and water-polyamide. Reprinted with permission from ref. [19]. Copyright © 2018 American Chemical Society. (b) Analyses of water flow inside the reverse osmosis based polyamide membrane. Reprinted with permission from ref. [21]. Copyright © 2017 American Chemical Society.

Figure 3.(a) Binding structures of two types of ions (i.e., Ca²⁺ and Na⁺) in the polyamide membrane with alginate. Note that cyan and blue colored atoms indicate Ca²⁺ and Na⁺ ions. Reprinted with permission from ref. [25]. Copyright © 2013 American Chemical Society. (b) Molecular structure for performing the reverse osmosis simulation by pulling the graphene wall to mimic the pressure difference. Reprinted with permission from ref. [27]. Copyright © 2020 American Chemical Society.

Figure 4.(a) Performance (i.e., water permeability and salt rejection) of hydrogenated and hydroxylated graphene nanopore structures. Reprinted with permission from ref. [29]. Copyright © 2012 American Chemical Society. (b) Mechanisms of ion selectivity for the three types of graphene nanopore structure (i.e., 4CO, 4COO, and 3COO functionalized nanopore structures). Reprinted with permission from ref. [36]. Copyright © 2013 American Chemical Society.

Tables

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