1. Title & Journal

 

Title : Fast reverse osmosis using boron nitride and carbon nanotubes

 

Journal : Applied Physics Letters, 92, 133120 (2008)

 

 

 

2. Background of author

 

M. E. Suk, A. V. Raghunatha, and N. R. Aluru

 

Department of Mechanical Science and Engineering, Beckman Institute for Advanced Science and Technology, University of Illinois at Urbana-Champaign

 

 

 

3. Summary

 

 본 논문은 BNNT, CNT 그리고 PMMA(polymethyl methacrylate)에 대한 역삼투를 활용한 non-equilibrium MD 시뮬레이션을 수행하였다. 공극을 사이에 두고 4M의 KCl chamber와 pure water chamber가 존재하고 공극의 반대에 위치한 chamber 면에 있는 피스톤을 이용해 시스템에 압력을 가할 수 있는 시스템을 시뮬레이션 하였다. BNNT, CNT, PMMA 평균 공극의 지름은 각각 0.83. 0.81, 1.08 nm, 길이는 2.135, 2.090, 1.8 nm 으로 pure water chamber는 100 MPa의 압력이 유지되고 KCl chamber에는 200 ? 600 MPa의 압력을 가해 Pure water chamber로 최소 180개의 water molecule이 이동될 때까지 시뮬레이션을 수행하였다.

 

 

시뮬레이션을 통해 single-file 물분자는 한 지점에서 다른 지점으로 뛰어 넘는 hopping 에 의해 이동하였다. Hopping rate은 permeation coefficient와 비슷한 값을 갖고 있으나 PMMA의 경우 공극을 통과 할 때 water molecule의 single-file chain이 깨지거나 다시 형성되기 때문에 정확도가 떨어진다. Solution-diffusion model의 경우, RO 시뮬레이션에 널리 사용되고 있지만 single-file water molecule에 의한 이동은 무시된 채로 permeation coefficient 값이 산정된다. PMF (potential of mean force)를 통해 큰 hopping rate을 가진 BNNT가 가장 큰 값의 permeability를 보임을 확인하였다. BNNT는 물과 BNNT사이의 강한 van der Waals interaction 때문에 비슷한 구조의 CNT에 비해 NT입구 및 내부의 에너지가 낮아 비교적 물 분자의 이동이 쉽다. PMMA 공극의 경우 공극 입구의 에너지는 BNNT, CNT보다 낮지만 내부 에너지가 상대적으로 높아 낮은 플럭스를 보임을 확인할 수 있었다.

 

 

 

4. Originality & Application

 

본 연구는 역삼투를 활용한 물의 이동에 대해 CNT, BNNT 그리고 PMMA에 대한 시뮬레이션 및 결과 분석을 수행하였다. 시뮬레이션 결과 PMMA에 비해 CNT, BNNT의 flux가 매우 높았고, 특히 BNNT의 겨우 CNT에 비해서도 높은 플럭스를 보였다. 연구 결과에 누락되어 있는 solute rejection rate을 고려하여 관련 연구를 지속적으로 수행하면, 역삼투 법 CNT 및 BNNT가 저에너지 수처리 공정 등에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

 

 

 

5. Reviewer contact : 김영미 (youngmikim@gist.ac.kr)