[기계신문] 물 부족 사태는 시급히 해결해야 할 전 세계적인 문제이다. 2030년에는 7억 명이 물 부족에 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 조사(照射)시켜 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 증발성능과 함께 증발과정에서 생성되는 소금결정의 누적에 기인한 증발 성능의 저하를 막는 지속성이라는 두 가지 성능이 원리적으로 서로 반대되어 이들을 동시에 갖는게 어렵다.
특히, 기존 태양광 기반의 증발식 담수화 기술들은 해수의 증발 시 멤브레인 표면에 소금 결정들이 생성되어 시간 경과에 따라 멤브레인이 막히는 문제가 발생하여 시간 경과에 따라 증발 효율이 점차 떨어져 장시간 해수를 증발시킬 수 없는 단점이 있다.
그런데 최근, 태양광을 이용하여 별도의 전처리 과정이나 전문가 도움 없이 간편하게 해수나 염수로부터 많은 양의 식수를 저렴하고 지속적으로 얻을 수 있는 길이 열렸다.
포항공과대학교 기계공학과 이상준 교수 연구팀이 99% 효율의 높은 증발성능을 지속시킬 수 있는 태양광 기반의 해수담수화용 광열 증발기와, 이를 이용한 담수화 기술을 개발했다.
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 특성을 이용하여 99% 증발 효율을 얻었으며, 다공성 매질 내부 유동 활성화 기술을 도입하여 멤브레인에 자정(self-cleaning) 기능을 탑재하여 장기간 안정적인 식수 생산을 가능하게 했다.
이때 초친수성(superhydrophilicity)은 물 분자와 쉽게 결합, 물에 대한 친화도가 매우 높은 성질을 뜻하며, 열 국부화(heat localization)는 열이 외부로 전달되지 않고 열 발생 지역에 한정되는 현상으로, 광열 멤브레인에서 발생된 열이 외부로 전달되지 않고 표면 가열에만 활용되어 표면온도를 급속도로 높힐 수 있다.
실제 태양광 세기(1kW/㎡) 조건에서 2.045 kg/㎡의 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.
개발된 광열 멤브레인은 99.997%의 매우 높은 담수 효율을 보였으며, WHO와 EPA의 식수 기준을 충분히 만족시키고 간단한 공정이라 전문가의 도움 없이 해수를 식수로 손쉽게 담수화할 수 있다.
기존에 알려진 해수담수화용 증발기가 장시간 사용시 멤브레인 막힘 현상에 기인하여 시간 경과에 따라 증발 성능이 감소되는 단점을 자정(self-cleaning) 기능을 갖춤으로써 해결하였다.
해당 담수화 기술의 적용 가능성과 유용성을 확인하기 위하여 개발된 증발용 멤브레인을 이용한 태양광 기반 담수화 장치(시제품)를 제작하고 3개월간 야외 실험을 수행하였다. 해당 시스템은 매일 30 liter/㎡의 높은 담수 생산 능력을 안정적으로 보여주었다. 그리고 이 과정에서 증발용 멤브레인에 소금 막힘 현상이 발생하지 않고 안정적으로 담수 생산이 가능함을 입증하였다.
이상준 교수는 “이번 연구를 통해 멤브레인 자체의 표면 특성과 구조적 특성이 최적 조건으로 결합하면 멤브레인과 같은 다공성 매질 내부에 강한 유동이 발생됨을 세계 최초로 확인했다”며 “이러한 다공성 매질 내부 유동 현상에 기반하여 해수 증발 시 생성되는 소금결정들을 멤브레인이 자체적으로 제거할 수 있는 자정 기술을 개발, 즉 기존 기술들의 수동적인 소금결정 제거 방식이 아닌 능동적으로 멤브레인이 자체적으로 오염을 방지할 수 있게 했다”고 설명했다.
이번 연구에서는 자정 기능에에 기인한 높은 지속성뿐만 아니라 광열 증발기의 증발 성능을 극대화하였다. 결과적으로, 이번에 개발된 증발용 광열 멤브레인은 기존 발표된 증발용 멤브레인 중에서 가장 높은 증발 성능을 가지고 있으며, 장시간 해수를 안정적으로 담수화할 수 있다. 이 기술은 광열 증발기가 가진 한계점을 극복하여 얻은 실용화가 가능한 결과다.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구지원사업과 자연모사혁신기술개발사업 지원으로 수행되었으며, 연구 성과는 에너지 분야 국제학술지 ‘나노에너지(Nano Energy)’ 7월 28일자 게재되었다.
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