(Rice University researchers (from left) Naomi Halas, Qilin Li, Peter Nordlander, Seth Pederson, Alessandro Alabastri and Pratiksha Dongare with a scaled-up test bed of the NEWT Center's direct solar desalination system. Credit: Jeff Fitlow/Rice University)
(This scaled-up test bed of NEWT's direct solar desalination technology uses carbon black nanoparticles that convert as much as 80 percent of sunlight energy into heat. Results from an earlier prototype showed the technology could produce as much as six liters of freshwater per hour per square meter of solar membrane. Credit: Jeff Fitlow/Rice University)
(In conventional membrane distillation (top), hot saltwater is flowed across one side of a porous membrane and cold freshwater is flowed across the other. Water vapor is naturally drawn through the membrane from the hot to the cold side. In NEWT's "nanotechnology-enabled solar membrane distillation," or NESMD (bottom), a porous layer of sunlight-activated carbon black nanoparticles acts as the heating element for the process. Credit: P. Dongare/Rice University)
지속적인 인구 증가 및 경제 성장으로 인해 물 수요는 꾸준히 증가하고 있지만, 지구상 일부 국가들은 충분한 물 공급이 어려운 상황에 직면하고 있습니다. 여기에는 기후변화라는 다른 중요한 이슈가 있습니다. 지구 기온 상승에 따라 강수량이 증가하는 경우도 있지만, 반대로 강수량이 감소하는 지역도 있기 때문입니다. 특히 후자의 경우 기온 상승에 의해 증발량이 증가하는 문제까지 겹쳐져 더 심각한 가뭄이 오는 데 현재 캘리포니아나 최근 몇 년 간 우리 나라가 여기에 해당되는 것 같습니다.
이 문제를 극복하기 위해 지하수 개발이나 거대한 저수지 건설 등 다양한 방법이 시도되고 있는데, 해수 담수화 혹은 마실 수 없는 짠 지하수를 담수화 시키는 것도 그 가운데 하나입니다. 바닷가에 가까이 있는 경우 바닷물은 무제한으로 공급받을 수 있고 해수 담수화 기술 역시 발전해서 단가가 많이 저렴해졌기 때문입니다. 이미 중동의 사막 국가는 말할 것도 없고 호주, 미국 등 선진국에서도 해수 담수화 플랜트가 활발하게 도입 중에 있습니다.
하지만 대부분의 해수 담수화 설비는 고가의 대형 플랜트 시설로 기본적인 식수 부족에 시달리는 가난한 국가의 국민들에게는 그림의 떡이나 다를 바 없습니다. 이런 문제를 해결하기 위해서 저렴한 소규모 태양에너지 담수화 장치가 개발 중에 있습니다. 앞서도 몇 차례 소개한 바 있죠.
라이스 대학의 연구팀은 막 증발을 이용한 새로운 태양에너지 담수화 시스템을 개발했습니다. NESMD(nanophotonics-enabled solar membrane distillation)이 그것으로 물을 증발시키는 얇은 다공성막과 태양에너지에 의해 활성화되는 나노 입자를 이용한 카본 블랙 소재막이 결합된 구조입니다. 얇은 막으로 물을 조금씩 증발시킨 후 다시 막 뒤에서 응결시켜 순수한 물을 얻는 방식인데, 펌프 이외에는 전기가 필요없는 방식이기도 합니다.
이 나노입자는 크고 비싼 태양열 집열 장치의 도움 없이도 전체 태양에너지의 80%를 증기를 만드는 데 사용할 수 있게 도와줍니다. 모식도를 보면 상당히 두꺼울 듯 하지만, 실제로는 전체 두께가 수 mm에 불과하며 바닷물의 두께 역시 0.5mm에 불과합니다. 따라서 이 장치는 매우 얇게 만들 수 있습니다.
다만 비용을 절감하기 위해서는 렌즈를 이용한 집광 방식을 채택하는 것이 효율적입니다. 이 경우 1x1m 정도 면적으로 시간당 6리터의 물을 정수할 수 있다고 합니다. 정수 용량은 많지 않지만 기본적인 식수 부족에 시달리는 지구상 여러 지역에서는 상당히 유용하게 사용할 수 있는 수준입니다. 다만 얼마나 비용효과적인지는 더 검증이 필요합니다.
연구팀은 좀 더 비용효과적이고 전기를 사용하지 않고도 바닷물을 담수화 시킬 수 있는 방법을 계속 연구하고 있습니다. 깨끗한 식수를 구하기 힘든 가난한 나라의 사람들을 위한 연구인데, 좋은 결실을 맺기를 기대해 봅니다.
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