-기존 광열 증발기보다 우수한 증발 성능 갖춰
-"이산화탄소 발생하지 않아 경제적이고 친환경적"
태양광을 이용해 해수나 염수로부터 많은 양의 식수를 저렴하고 지속적으로 얻을 수 있는 길이 열렸다.
한국연구재단에 따르면 포항공대 이상준 교수 연구팀이 99% 효율의 높은 증발성능을 지속시킬 수 있는 태양광 기반의 해수담수화용 광열 증발기와 이를 이용한 담수화 기술을 개발했다.
태양광을 이용한 증발식 담수화 기술은 광열 멤브레인에 태양광을 조사시켜 광열반응을 통해 해수를 증발시키고 발생된 증기를 응축시켜 식수를 생산해내는 기술이다.
기존 해수담수화 기술들과 달리, 태양광을 사용해 외부로부터 전기나 열에너지 공급이 없고, 이산화탄소가 발생하지 않아 경제적이고 환경친화적이다. 하지만 기존 태양광 기반의 증발식 담수화 기술들은 증발효율이 낮아 식수 생산량이 많지 않고 해수 증발시 멤브레인 표면에 소금 결정들이 생성돼 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 개발했다. 이를 통해 태양광을 이용해 해수나 염수로부터 장기간 안정적이고 많은 양의 식수를 생산해 낼 수 있는 성능을 확인했다.
연구진은 실험을 통해 광열 멤브레인이 물에 대한 친화도가 높고 열 발생 지역에 한정되는 특성을 활용해 99% 증발 효율을 얻었다.
실제 태양광 세기(1kW/m2)조건에서 2.045 kg/m2의 높은 증발률을 얻었는데, 이는 물의 증발률보다 5.1배 높은 값이다. 특히 기존 증발용 멤브레인들에 비해 제작비가 저렴하고 매우 높은 증발 성능을 가져 보다 많은 양의 담수를 경제적으로 생산하는 것이 가능하다. 또 다공성 매질 내부 유동 활성화 기술을 도입해 멤브레인에 자정(self-cleaning) 기능을 탑재, 장기간 안정적인 식수 생산을 가능하게 했다.
개발된 광열 멤브레인은 99.997%의 매우 높은 담수 효율을 보였으며, 담수된 물은 WHO와 EPA의 식수 기준을 만족시켰다. 이어 태양광 기반 담수화 장치를 건물 옥상에 설치하고 3개월간 실험한 결과, 매일 30 liter/m2의 매우 높은 담수 생산능력을 확인했다. 증발용 광열 멤브레인은 기존에 발표된 증발용 멤브레인 중에서 가장 높은 증발 성능을 가지고 있으며, 장시간 해수를 안정적으로 담수화할 수 있다. 이 기술은 광열 증발기가 가진 한계점을 극복해 얻은 실용화가 가능한 결과이다.
이상준 교수는 "증발용 멤브레인 기술이 실용화된다면, 태양광을 이용한 해수 및 염수의 담수화와 함께 오염된 물의 수처리 공정에 활용될 수 있을 것"이라며 "획기적으로 높은 증발량을 이용한 실내 증발식 가습기로도 이용되어질 것"이라고 설명했다.
이어 "물 산업 시장에서 기술 선점을 통해 부가가치를 창출하고, 기존의 담수화 기술들이 가지고 있는 문제점들을 해결하는 데도 도움이 될 것"이라며 "대형 설비를 설치하기 어려운 섬이나 오지 마을 등에 유용하게 활용될 담수화 기술로 발전하길 기대한다"고 말했다.
한편, 이번 연구결과는 에너지 분야 국제학술지인 나노에너지(Nano Energy) 7월 28일자에 게재됐다.
