(The latest version of UC Berkeley's water harvester blows ambient air over a cartridge filled with MOF, which is visible inside the plexiglass box. The MOF pulls water from arid air, which is then removed from the MOF by mild heating. The concentrated water vapor is blown out through the tube at right to a condenser. This process produces water for drinking using only solar panels and a battery, even in areas as dry as the Mojave Desert. Credit: Mathieu Prévot, UC Berkeley)
(UC Berkeley graduate student Nikita Hanikel, Grant Glover of the University of South Alabama and UC Berkeley postdoc Mathieu Prévot display the water collected from the water harvester last fall in the Mojave Desert. Credit: Mathieu Prévot, UC Berkeley)
2017년 UC 버클리의 과학자들은 메탈-유기물 프레임워크 metal-organic frameworks (MOFs) 소재를 이용해서 건조한 사막에서 태양 에너지를 이용해 수증기를 물로 바꾸는 기술을 시연해 보였습니다. 이 연구를 이끈 UC 버클리의 오마르 야기 (UC Berkeley's Omar Yaghi) 교수와 그의 연구팀은 지난 2년의 시간 동안 메탈-유기물 프레임워크 장치의 효율을 크게 끌어올리는데 성공했습니다.
새 시스템은 전자레인지와 비슷한 크기에도 하루 7-10리터의 물을 추출해 낼 수 있습니다. 한층 더 실용화에 다가선 것입니다. 2세대 MOFs 시스템은 수증기 흡수 및 물 배출 사이클이 20분 정도로 짧아서 빠른 속도로 물을 얻을 수 있습니다. 무게로 따지면 MOF 1kg이 하루 1리터 이상의 물을 추출할 수 있습니다. 연구팀에 따르면 2세대는 1세대 대비 최대 10배 정도 효율이 향상되었으며 습도가 7%에 불과한 상황에서도 물을 추출할 수 있습니다.
이렇게 효율이 향상된 비결은 MOFs 소재를 개선함과 동시에 공기에서 물을 추출하는 시스템을 개선했기 때문입니다. 본래 습도가 40% 이하인 경우 공기 중에서 응결시키기 위해서는 공기를 냉각해 상대습도를 높이거나 물 분자를 흡착할 수 있는 소재가 필요했습니다.
연구팀이 이전에 개발한 지르코늄 기반의 MOF-801 소재는 물 분자를 낮은 온도와 습도에서도 응결시키는데 효과적이었지만, 2세대 시스템에서 사용한 알루미늄 소재의 MOF-303의 경우 30%나 많은 물을 응축할 수 있으며 빠르게 배출할 수 있어 효율을 극대화 할 수 있습니다. 여기에 더해 태양광 패널을 이용해 공기를 순환시키는 시스템을 이용해 더 많은 물을 효과적으로 추출할 수 있는 것이 2세대 시스템의 특징입니다.
사실 지속적인 연구 개발 없이는 어떤 신기술도 상용화에 근접하기 어렵습니다. MOFs 기반 물 획득 시스템 역시 아직 상용화 단계까지 이르진 않았지만, 분명 수요가 있을 수밖에 없는 기술이고 지속적인 연구 개발이 이뤄지고 있어 앞으로 전망을 밝게 하고 있습니다. 내륙의 물부족 국가는 물론 고농도 염수를 생산하는 기존 해수 담수화 기술의 대안으로 흥미로운 기술이라고 하겠습니다.
참고
Nikita Hanikel et al, Rapid Cycling and Exceptional Yield in a Metal-Organic Framework Water Harvester, ACS Central Science (2019). DOI: 10.1021/acscentsci.9b00745
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