Press release

2021.08. 22 (일) 부터 보도해 주시기 바랍니다.

바닷물을 먹는 물로! 태양열을 이용한 담수화 장치 개발

UNIST 장지현 교수팀, 태양열로 바닷물 증류하는 3D 프린팅 담수화 장치 개발
새로운 열 전달 메커니즘 제시·개도국 식수난 해결 기대…Adv. Mater. 게재

UNIST 연구진이 태양열로 바닷물을 증류해 먹는 물로 바꿔내는 새로운 해수 담수화 장치를 개발했다. 기존보다 태양열을 효과적으로 흡수할 수 있도록 설계해 담수 전환 양을 늘리고, 장치 내구성도 3배 이상 향상시켰다. 또 3D 프린팅으로 쉽게 제조도 가능하다. 연구진은 식수난을 겪고 있는 개발도상국에 큰 도움을 줄 것으로 기대하고 있다.
[연구그림] 개발된 광 증기 증발 장치를 이용한 해수 담수화 모식도

UNIST(총장 이용훈) 에너지화학공학과 장지현 교수팀은 태양열을 효과적으로 흡수할 수 있는 광 증기 증발 장치를 개발했다. 이 증발 장치를 1m2 크기로 만들 경우 1시간에 1.6kg 이상의 담수를 얻을 수 있는 수준이다.

광 증기 증발 장치(Solar Evaporator)는 태양열로 물을 증발시키는 장치다. 광 증기 증발 장치로 빨려 들어간 바닷물에서 순수한 물은 증기 상태로 나오고 소금과 같은 염 찌꺼기는 증발 장치에 남게 된다. 증발한 물을 다시 응결시키면 식수로 쓸 수 있다.

이 장치는 열 분산을 잘 막는 것이 중요하다. 바닷물 위에 떠서 작동하는 특성상 열 손실이 일어나기 쉽기 때문이다.

연구팀은 태양광을 잘 가둘 수 있도록 광 증기 증발기를 디자인해 빛 흡수를 최대화했다. 다중반사 시스템으로 반사된 빛이 재흡수될 수 있도록 설계해 광 흡수체가 흡수하는 빛(열)의 양을 늘렸다. 광 증기 증발기의 광 흡수체가 흡수한 열과 바닷물이 만나면서 증발이 일어난다. 광 흡수체가 더 많은 열을 흡수하게 되면서 얻을 수 있는 담수 양이 10% 정도 증가 했다.
[연구그림] 3D프린팅으로 찍어낸 부유체와 이중층 광 흡수체로 이뤄진 광 증기 증발 장치

또 광 흡수체에 염이 쌓이는 것을 효과적으로 막아 수명도 3배 이상 늘었다. 광 흡수체에 염이 쌓이면 수명이 준다. 이를 막기 위해 광 흡수체를 두 종류 물질로 만들었다. 위쪽은 마치 연꽃잎처럼 바닷물을 튕겨내는 소수성 물질을, 바닷물과 직접 닿는 하부에는 친수성 물질을 썼다. 하부 쌓이는 염은 바닷물에 씻겨 내려간다.

개발된 광 증기 증발기의 증기 변환 효율은 90%에 가깝다. 연구팀은 열전달 해석과 추가적 실험을 통해 증발기가 이 같은 초고효율을 보인 원인도 찾아냈다. 광 흡수체 표면에 생긴 증기 박막이 열 손실을 줄인 것이다.

제1 저자인 소우롭 샬레(Sourav Chaule) UNIST 에너지화학공학과 박사과정 연구원은 “이번 연구를 통해 광 증기 증발기 연구에 꼭 필요한 새로운 열전달 모델을 수학적으로 제시했다”라고 밝혔다.

장지현 교수는 “기존 탄소소재 광 흡수체 기반 증발기는 태양광의 열을 증기로 바꾸는 효율이 70%~80%에 그치는 한계가 있었다”며, “이번 연구에서는 광 흡수체 형태와 열 물리적 특성을 제어해 90%에 가까운 효율을 달성했다”고 설명했다.

장 교수는 이어 “개발된 3D 프린팅 광-증기 증발기는 매우 경제적인 방법으로 전 세계 담수 부족 문제를 해결해 줄 수 있을 것”이라고 기대했다.

이번 연구 성과는 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)에 8월 4일(수)자로 공개됐으며 표지논문(frontispiece)으로 선정돼 정식 출판을 앞두고 있다. 연구 수행은 한국연구재단(NRF) 중견연구자 지원 사업 및 온사이트 수소충전소를 위한 광전기화학 수소생산기술 및 시스템 개발 사업의 지원으로 이뤄졌다.

논문명: Rational Design of a High performance and Robust Solar Evaporator via 3D-Printing Technology
자료문의

대외협력팀: 김학찬 팀장, 양윤정 담당 (052) 217 1228

에너지화학공학과: 장지현 교수팀 (052) 217 2922
  • [연구그림] 개발된 광 증기 증발 장치를 이용한 해수 담수화 모식도
  • [연구그림] 3D프린팅으로 찍어낸 부유체와 이중층 광 흡수체로 이뤄진 광 증기 증발 장치
 

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

세계인구증가와 수자원 고갈에 따라 마실 수 있는 물 부족은 가장 큰 글로벌 위협 중 하나다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 유망한 방법은 바닷물을 담수화 과정을 통해 마실수 있는 물을 얻는 것이다. 담수화 기술 중 하나인 광 증기 증발(solar steam evaporation)1) 기술은 친환경적이면서 태양 에너지만으로도 작동할 수 있기 때문에 관심을 받고 있다.

일반적으로 광 증기 증발기는 빛 흡수와 물의 통로를 위해 다공성 탄소(검은색 물질)가 광흡수체2)로 사용된다. 그럼에도 불구하고 이러한 광흡수체는 빛 수확 능력(Light harvesting capability) 부족으로 인한 낮은 성능과 물이 증발하고 남은 염의 침전으로 인한 안정성 문제가 대두되었다. 이를 대체할 우수한 빛 포집 능력을 가지면서 염(바닷물에 포함된 소금과 같은 불순물) 증착이 적은 광흡수체 개발에 다양한 연구가 이뤄지고 있다.

2. 연구내용

연구팀은 다중 반사로 빛의 흡수를 최대화하게끔 적절한 꼭지각과 높이와 무게를 가지면서 공기-물 계면에만 열이 집중되어 높은 국부 온도를 생성할 수 있는 광-증기 증발기를 설계하고, 이를 3D 프린팅 기술3)을 이용하여 제작함으로써 태양에너지의 활용을 극대화시켰다.

3D 프린팅 기술로 오목한 모양과 물이 통과할 수 있는 부유체를 제작하였으며, 친수성인 폴리도파민(PDA)4)면과 소수성인 하이드로겔 기반 탄소(HBC)5)면을 가진 이중층 광 흡수체를 썼다. 3D 프린팅 부유체와 결합한 이중층 광 흡수체는 오목한 모양을 가짐으로써 광 포획 효과를 통해 더 많은 양의 빛을 흡수할 수 있다. 또 소수성인 상부 표면에서는 염의 축적을 방지하고 친수성인 하부 표면에선 빠르게 물을 펌핑해 염이 씻겨나갈 수 있게 만들었다.

이 장치는 태양광의 99%를 흡수하며 시간, 면적당 물 증발 속도는 1.60 kg m-2 h-1고 태양열-물 증발 전환 효율은 89%를 보였다. 또한 이 장치는 여러 번 작동하더라도 염 증착 없이 안전한 담수 능력을 보여주었다.

연구팀은 증발 현상시 발생하는 대류, 복사, 전도의 열전달의 해석을 통해 추가로 물증발로 생긴 수막의 존재를 제안함으로써 기존 실험 효율과 이론 효율의 차이가 나타나는 이유에 대해 규명하였고 열 손실 없이 효율적으로 물을 증발 시킬 방법을 제시하였다.

3. 기대효과

이러한 연구로 개발된 3D 프린팅 기반 오목한 이중층 광 흡수체는 광 흡수 용량과 안정성을 함께 가짐으로써 실질적인 적용에 가깝게 한다.

또한 수막의 존재가 있는 폐쇄 환경에서 더 효율적인 광 증기 증발이 일어날 수 있음을 확인함으로써 앞으로 대규모 광 증기 증발기의 디자인 방향성을 제시했다.
 

[붙임] 용어설명

1. 광 증기 증발 (Solar steam evaporation)

태양에너지를 열에너지로 전환을 통해 온도가 올라감으로써 물이 증발시키는 원리이다. 태양광 흡수 열을 내는 광 흡수체와 광 흡수체를 지지할 수 있는 부유체로 구성된다. 증발된 물을 응결시켜 식수를 얻을 수 있다.

2. 광 흡수체 (Photoabsorber)

빛을 흡수할 때 사용되는 물질로서 보통 다공성 구조 및 검은색을 가지고 있는 물질을 사용한다. 

3. 3D 프린팅

3D 도면을 바탕으로 3차원 물체를 인쇄하듯 찍어내는 기술이다. 제조 원가를 절감할 수 있다. 

4. 폴리도파민 (PDA, polydopamine)

하이드록실(-OH), 아민(-NH2) 작용기를 가지고 있어 친수성(물과 섞이는 성질) 특징을 가지고 있다. 폴리도파민은 본 연구에서 필터 페이퍼에 코팅 후 사용 하였다. 

5. 하이드로겔 기반 탄소 (HBC, hydrogel based carbon)

하이드로겔은 물 분자가 내장된 3D 가교 고분자 네트워크다. 이러한 하이드로겔을 탄화 및 동결건조 과정을 통해 만든 것이 하이드로겔 기반 탄소다. 본 연구에서는 PVA(polyvinyl alcohol)/PVP(polyvinylpyrrolidone) 하이드로겔을 사용하였다. 물과 섞이지 않는 소수성 물질이다.
 

[붙임] 그림 설명
 

그림1. 개발된 광-증기 증발기를 이용한 해수 담수화 모형. 바닷물 위에 개발된 광 증기 증발기가 떠 있다.
 

그림 2. 개발된 3D 프린팅 광 증기 증발기. 부유식 지지체에 광 흡수층이 부착된 형태다. 중심이 오목하게 들어간 모양(V-shape)이라 다중반사를 통해 광 흡수를 극대화할 수 있다. 또 광 흡수층의 이중층 구조가 염 축척을 방지한다. 담수화시킨 물의 염 농도를 분석해 일반 식수로 활용 가능한 수준임을 확인했다. (우측 상단 그래프)
 
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