새로운 방법, 바닷물을 폐물 없이 식수로 전환

출처: Hacker News

에너지 효율적인 담수화 시스템은 화학 첨가제 없이 신선한 물을 생산하고 남은 염을 유용한 물질로 전환합니다.

유엔은 2.2 억 명이 안전하게 관리된 식수를 이용하지 못하고 라고 추정하고 있으며, 캘리포니아부터 중동에 이르는 지역 사회들은 바닷물을 식수로 바꾸기 위해 담수화 플랜트에 의존하고 있습니다. 역삼투와 열증류와 같은 일반적인 담수화 기술은 에너지 소모가 크고, 전·후처리 과정이 필요하며, 브라인이라 불리는 고농도 염수를 부산물로 남깁니다. 이 브라인이 바다에 다시 방출되면 염 농도가 상승하고 물속 산소 농도가 낮아져 해양 생태계에 큰 피해를 줍니다.

하지만 **로체스터 대학교**에서 개발한 새로운 접근법은 이러한 단점을 극복할 수 있는 방법을 제시합니다. 로체스터 대학교 광학 연구소 연구진은 브라인을 남기지 않고 물을 사전 처리하기 위한 화학 첨가제도 필요 없는, 에너지 효율적인 태양열 담수화 공정을 개발했습니다. 광학 및 물리학 교수이자 로체스터 대학교 레이저 에너지 연구소 선임 과학자인 구춘레이(Chunlei Guo) 교수팀은 이 방법을 Light: Science & Applications에 발표된 **논문**에서 소개했습니다.

태양광 기반 솔루션: 연구진은 레이저로 새겨진 초흡수·초흡습(초우수성) 검은 금속을 이용한 태양광 담수화 장치를 개발했습니다(오른쪽). 기존 태양광 담수화 시스템(왼쪽)과 달리 구춘레이 교수의 설계는 표면에 염과 미네랄이 쌓여 막히는 현상을 방지합니다. (University of Rochester 사진 / J. Adam Fenster)

이 기술은 펨토초 레이저로 새겨진 검은 금속 판을 사용해 표면을 초광흡수 및 초흡습(즉 물에 매우 친화적인) 상태로 만듭니다. 레이저 처리된 활성 영역은 얇은 물층을 끌어당겨 표면을 가로지르게 하고, 거의 모든 태양 복사를 흡수해 물을 증발시킨 뒤, 남은 염과 미네랄을 판의 비활성(패시브) 영역에 배출합니다. 이렇게 하면 염이 활성 영역을 막아 연속적인 담수화를 방해하지 않습니다.

‘커피 링’ 효과 활용

구 교수는 다른 연구팀들이 물과 염화나트륨만으로 만든 모의 해수를 이용한 실험실 테스트에서는 태양열 담수화 기술이 잘 작동한다고 언급했습니다. 물이 증발하면서 염화나트륨은 알갱이처럼 다공성으로 결정화되어 물이 통과하면서 염을 녹일 수 있습니다. 이때 태양광 패널은 쉽게 청소할 수 있었습니다.

하지만 실제 바다 물은 훨씬 복잡한 조성을 가지고 있어 현장 테스트 시 문제가 발생합니다. 염화나트륨과 달리 마그네슘·칼슘 기반 물질 등 다수의 성분은 패널 표면에 비다공성·딱딱한 결정으로 굳어 막히게 합니다. 결국 물이 더 이상 스며들지 못하게 되죠. 이는 샤워기 헤드가 시간이 지나면서 막히거나 주전자의 물때가 쌓이는 현상과 동일하지만, 해수는 우리 수돗물보다 수백 배 이상의 염을 함유하고 있습니다.

“지구에서 리튬을 채굴하는 것은 에너지와 환경 측면에서 매우 부담이 크기 때문에, 염수에서 직접 리튬을 추출하는 것이 미래에 중요한 경로가 될 수 있습니다.”

패널 표면이 동일하게 막히는 것을 방지하기 위해 구 교수팀은 검은 금속의 홈을 정밀하게 레이저 가공해 바닷물 속 다양한 염과 미네랄이 쉽게 떨어져 나가도록 설계했습니다. 또한 수세기 동안 **‘커피 링 효과’**라 불리는 물리 현상을 활용했습니다.

“커피를 표면에 떨어뜨리면 물이 증발하면서 가장자리 쪽에 커피 입자가 농축된 링이 남습니다.”라고 구 교수는 설명합니다. “우리는 같은 원리를 이용해 염을 패시브 영역으로 이동시켰습니다.”

태평양, 대서양, 인도양에서 채취한 물 샘플을 이용해 태양열 담수화 기술을 시험한 결과, 표면이 자체 청소되는 것을 확인했습니다. 즉, 신선한 물을 추출하면서 남은 염은 효율을 저하시키지 않고 패시브 영역으로 유도해 나중에 회수할 수 있게 만든 것입니다.

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