[사이언스] 물 부족 사태 해결할 수 있다... 태양광 이용한 초고효율 해수담수화 기술 개발

특허뉴스 선우정 기자 | 기사입력 2020/07/30 [12:32]

[사이언스] 물 부족 사태 해결할 수 있다... 태양광 이용한 초고효율 해수담수화 기술 개발

특허뉴스 선우정 기자 | 입력 : 2020/07/30 [12:32]

 

태양광 기반의 광열증발기를 이용한 해수담수화 시스템 / (좌측에서부터 첫 번째) 광열 증발기는 태양광을 조사하면 광열반응을 통해 해수를 빠르게 증발시켜 식수를 생산해낸다. (좌측에서부터 두 번째) 개발된 증발기는 태양광 조사 시 99%의 매우 높은 증발효율로 많은 양의 증기를 생산한다. (좌측에서부터 세 번째, 네 번째) 태양광 기반 해수담수화 시스템을 제작하여 건물 옥상에 설치한 결과, 3개월간 증발기 면적 1m2 당 25~30 리터의 식수를 안정적으로 생산하였다 / 제공 : 포항공과대학교 기계공학과 교수 이상준   © 특허뉴스

 

물 부족 사태는 시급히 해결해야할 전 세계적인 문제이다. 2030년에는 7억명이 물부족에 시달릴 것으로 예상되고 있다. 이에 따라 지구상에 존재하는 물의 97%를 차지하는 해수를 담수화하여 물 부족 문제를 해결하고자 하는 노력이 계속되고 있다.

 

태양광을 이용한 증발식 해수담수화 기술은 광열 멤브레인에 태양광을 조사시켜 광열반응을 통해 해수를 증발시키고 발생된 증기를 응축시켜 식수를 생산해내는 담수화 기술이다.

 

증발식 담수화 기술은 전처리/후처리 공정이 필요 없고 고염도의 염수도 상대적으로 손쉽게 담수화하는 것이 가능하다. 해당 기술은 태양광을 사용하기 때문에 무전원 방식으로 수처리하기 때문에 운영비가 적게 들고 설비가 간단하여 저비용으로 담수를 생산하는 것이 가능하다.

 

태양광 기반의 증발용 멤브레인은 증발 성능과 함께 증발과정에서 생성되는 소금결정의 누적에 기인한 증발 성능의 저하를 막는 지속성이라는 두 가지 성능이 원리적으로 서로 반대되어 이들을 동시에 갖는게 어렵다. , 증발 성능을 향상시키기 위한 친수성 표면은 해수 증발 시 멤브레인 표면에 소금결정의 생성을 촉진시키기 때문이다.

 

특히, 기존 태양광 기반의 증발식 담수화 기술들은 해수의 증발시 멤브레인 표면에 소금 결정들이 생성되어 시간 경과에 따라 멤브레인이 막히는 문제가 발생하여 시간 경과에 따라 증발 효율이 점차 떨어져 장시간 해수를 증발시킬 수 없다. 이에 따라 높은 증발 성능과 증발 성능을 장시간 유지할 수 있는 지속성을 가진 광열 증발기 개발이 필요하다.

 

태양광을 이용하여 별도의 전처리 과정이나 전문가 도움 없이 간편하게 해수나 염수로부터 많은 양의 식수를 저렴하고 지속적으로 얻을 수 있는 길이 열렸다.

 

한국연구재단은 포항공과대학교 이상준 교수 연구팀이 99% 효율의 높은 증발성능을 지속시킬 수 있는 태양광 기반의 해수담수화용 광열 증발기와 이를 이용한 담수화 기술을 개발했다고 30일 밝혔다.

 

태양광을 이용한 증발 담수 기술은 태양광을 멤브레인에 조사하여 멤브레인의 광열 반응으로 해수를 증발시킴으로써 식수를 생산해내는 기술이다.

 

기존 해수담수화 기술들과 달리, 태양광을 사용하여 외부로부터 전기나 열에너지 공급이 없고 이산화탄소가 발생하지 않아 경제적이고 환경친화적이다.

 

기존 태양광 기반의 증발식 담수화 기술들은 증발효율이 낮아 식수 생산량이 많지 않고 해수 증발시 멤브레인 표면에 소금 결정들이 생성되고 시간 경과에 따라 멤브레인이 점점 막힐 수 있어 증발 성능을 지속적으로 유지할 수 없다.

 

이에 연구팀은 저렴한 각설탕으로 만든 다공성 실리콘 구조로, 역대 최고 증발효율과 자정기능을 가진 증발용 광열 멤브레인을 개발하고, 이를 통해 태양광을 이용하여 해수나 염수로부터 장기간 안정적이고 많은 양의 식수를 생산해 낼 수 있는 성능을 확인했다.

 

광열 멤브레인의 초친수성 및 열 국부화 (heat localization) 특성을 이용하여 99% 증발 효율을 얻었다. 또한, 다공성 매질 내부 유동 활성화 기술을 도입하여 멤브레인에 자정(self-cleaning) 기능을 탑재하여 장기간 안정적인 식수 생산을 가능하게 하였다.

 

 

초친수성(superhydrophilicity) : 물 분자와 쉽게 결합, 물에 대한 친화도가 매우 높은 성질

열 국부화(heat localization) : 열이 외부로 전달되지 않고 열 발생 지역에 한정되는 현상. , 광열 멤브레인에서 발생된 열이 외부로 열전달되지 않고 표면 가열에만 활용되어 표면온도를 급속도로 높힐 수 있다.

 

 

개발된 멤브레인을 해수에 띄워 태양광을 조사하여 해수를 99.997%의 매우 높은 효율로 담수화하였으며, 담수된 물은 WHOEPA의 식수 기준을 만족시켰다.

태양광 기반 담수화 장치를 건물 옥상에 설치하고 3개월간 실험한 결과, 매일 30 liter/m2의 매우 높은 담수 생산능력을 보였다.

 

이번 연구결과는 에너지 분야 국제학술지인 나노에너지(Nano Energy) 728일에 게재되었다.

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