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태양열 집기로 대기 중 수증기 식수화
등록일 : 2017-04-15 12:00 | 최종 승인 : 2017-04-15 12:00
정세진

[리서치페이퍼=정세진 기자]

사막처럼 습도가 낮은 지역에서도 태양광선을 사용해 공기에서 수증기를 빨아들이는 새로운 장치가 개발됐다.

스폰지의 원리를 이용한 이 디바이스는 하루에 약 3L의 물을 생산할 수 있으며, 연구원들은 이후 개량을 통해 더 많은 물을 확보할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

아울러 사막 지역에 위치한 마을에 태양열 집기를 설치하면 수십억 명의 사람들이 이용할 수 있는 식수 제공의 길이 열린다고 한다.

대기 중에는 약 13 조 리터의 물이 떠다니는 것으로 추측되는데, 이는 지구의 호수와 강에서 얻을 수 있는 담수 전체의 10 %에 해당한다.

기존의 연구팀은 안개 덩어리에서 물을 뽑기 위해 정밀한 그물을 사용하거나, 공기 중에 응축시키는 제습기 같은 몇 가지 방법으로 물방울을 모으는 데 성공했다.

그러나 두 가지 방법 모두 매우 높은 습기를 요구하거나 너무 많은 양의 전기를 소모해 실용성이 떨어지는 것이 문제로 지적됐다.

사진설명-새롭게 개발된 태양열 집기의 실물

미국 캘리포니아 버클리 대학의 화학자인 오마르 야기 박사팀은 금속 유기 골격 또는 MOF라고 불리는 결정성 분말 계열의 물질을 이용했다.

야기 박사는 20년 전 연속 3D 네트워크를 형성하는 최초의 MOFs 다공성 결정체를 개발한 바 있다.

이 네트워크는 허브(Tubertoy)와 같은 방식으로 조립되며, 금속 원자는 허브 역할을 하고 스틱 모양의 유기 화합물은 허브를 연결한다.

다양한 금속 및 유기물을 선택함으로써 화학자들은 각 MOF의 속성을 조절할 수 있으며, 어떤 가스가 이들 금속과 묶이고 그 결합력을 얼마나 강력하게 유지 하는지를 제어할 수 있다.

지난 20여 년 간 화학자들은 2만개 이상의 MOF를 합성했으며, MOF 각각은 고유한 분자를 잡아두는 성질을 가지고 있다.

예를 들어, 야기 박사팀은 최근 메탄을 흡수하고 나중에 방출하는 MOF를 설계해 천연 가스 구동 차량의 대용량 가스탱크 개발에 성공했다.

연구팀은 2014년 습도가 낮은 조건에서도 물 흡수에 뛰어난 MOF를 합성했다. 이들은 MIT 의 기계 엔지니어이며 자동차 에어컨용 MOF 프로젝트에 참가한 바 있는 이블린 왕 박사에게 이를 알렸다.

야기 박사는 MOF-801이라는 새로운 지르코늄 기반 MOF를 합성한 후 MIT에서 왕 박사를 만나 "물 수확 장치를 마련해야 한다"고 전했다.

사진설명-수증기가 장치 내부에서 물방울로 바뀌는 과정

왕 박사 연구팀이 설계 한 시스템은 다공성 구리 금속의 얇은 시트에 압축된 1kg의 먼지 크기 MOF 결정으로 구성됐다.

그 시트는 태양열 흡수재와 응축기 판 사이에 놓여 챔버 안에 배치된다. 밤에는 챔버가 개방돼 주위 공기가 다공성 MOF 및 물 분자를 통해 확산, 내부 표면에 달라붙어 작은 물방울을 형성한다.

아침에는 챔버가 닫히고 장치 상단의 창문을 통해 들어가는 햇빛이 MOF를 가열하게 된다. MOF는 물방울을 방출해 증기처럼 차가운 응축기로 이동시킨다.

챔버 내부의 높은 습도와 온도차에 의해 수증기는 액체로 응축되고 물방울이 되어 저장 장치에 고이게 된다. 버클리와 MIT팀은 이 같은 장치를 통해 하루 2.8 리터의 물을 대기 중에서 뽑아냈다.

일리노이 주 에반스턴에 있는 노스웨스턴 대학의 화학자인 머큐리 카나치디스 박사는 "사막의 공기에서 물을 얻어내는 것은 오랜 꿈이며 새로운 장치는 그 가능성을 보여준다."라고 말했다.

다만 이 장치는 몇 가지 개선해야 할 점이 있다. 기계에 필요한 지르코늄의 가격은 킬로그램 당 150달러가 들기 때문에 광범위하게 이용하기 어렵다.

그러나 야기 박사는 지르코늄 가격의 100분의1에 불과한 알루미늄으로 MOF를 설계할 수 있는 방법을 개발 중이라고 밝혔다.

미래의 물 수확기는 건조 지역의 사람들의 갈증을 해결할 뿐 아니라 사막의 농민들에게 물을 충분히 공급할 수 있을 것이라고 연구팀은 자신하고 있다.

[리서치페이퍼=정세진 기자]
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