새로운 방법은 폐기물 없이 바닷물을 식수로 바꾼다

• 태양열 담수화 시스템은 검은 금속 패널로 얇은 물층을 끌어올려 태양복사를 흡수하고 물을 증류하며, 화학 첨가물과 염수 부산물 없이 담수를 만드는 방식
• 기존 역삼투와 열증류는 에너지 집약적이고 전·후처리가 필요하며, 바다로 돌아간 염수가 염도를 높이고 산소를 낮춰 해양 생물에 피해를 주는 구조
• University of Rochester 연구진은 펨토초 레이저로 새긴 초흡수성(superwicking) 검은 금속 표면에서 활성 영역은 담수화를 지속하고 처리되지 않은 측면은 남은 염과 미네랄을 받는 설계
• 실제 태평양·대서양·인도양 물 시료 테스트에서 커피 링 효과로 염과 미네랄을 수동 영역으로 보내 표면을 자가 세정하고 패널 효율 저하 없이 수집 가능
• 같은 패널은 염을 거의 100% 고체 형태로 추출하고, Great Salt Lake 물 시료에서는 담수화 뒤 남은 염에서 리튬 약 50% 를 추출한 결과

에너지 효율 담수화 시스템은 화학 첨가물 없이 담수를 만들고 남은 염을 유용한 물질로 전환

• UN 추산 기준 안전하게 관리되는 식수가 없는 인구는 22억 명이며, 캘리포니아에서 중동까지 여러 지역사회가 바닷물을 담수로 바꾸기 위해 담수화 시설에 의존하는 상황
• 역삼투와 열증류 같은 일반 담수화 기술은 에너지 집약적이고 물의 전처리·후처리가 필요하며, 농축된 소금물 부산물인 염수(brine) 를 남기는 방식
  • 염수가 바다에 다시 배출되면 물의 염도를 높이고 산소를 낮춰 해양 생물에 피해를 주는 구조
• University of Rochester의 Institute of Optics 연구진은 염수를 남기지 않고 전처리용 화학 첨가물도 필요 없는 새 태양열 담수화 공정을 개발
  • Chunlei Guo가 이끄는 팀은 해당 방법을 Light: Science & Applications 논문에 발표
• 기술의 핵심은 펨토초 레이저로 에칭한 검은 금속 패널이며, 표면은 빛을 매우 잘 흡수하고 물을 강하게 끌어당기는 초흡수성 특성 보유
  • 레이저 처리된 활성 영역은 표면 위로 얇은 물층을 끌어오고 거의 모든 태양복사를 흡수하며 물을 증류
  • 남은 염과 미네랄은 패널의 처리되지 않은 측면, 즉 수동 영역으로 이동해 활성 영역을 막지 않는 구조
  • 이 구조는 염이 활성 영역을 막아 연속 담수화를 방해하는 문제를 피하기 위한 설계

‘커피 링’ 효과 활용과 폐기물의 자원 전환

• ‘커피 링’ 효과 활용

  • 기존 태양열 담수화 연구는 물과 염화나트륨만으로 만든 모의 해수 실험실 조건에서 잘 작동한 사례 존재
  • 물이 증발하면 염화나트륨이 입자형·다공성 형태로 결정화해 물이 통과하면서 염을 녹일 수 있고, 태양광 패널도 쉽게 청소 가능
  • 실제 바닷물은 조성이 훨씬 복잡해 현장 테스트에서 문제가 발생하는 경향
  • 마그네슘·칼슘 기반 물질 같은 바닷물 성분은 태양광 패널 표면에서 딱딱하고 비다공성인 껍질 형태로 결정화해 표면을 막는 구조
  • 시간이 지나 샤워기 헤드가 막히거나 주전자에 물때가 끼는 현상과 같지만, 바닷물에는 수돗물보다 수백 배 많은 염 존재
  • 연구팀은 검은 금속의 홈을 정밀하게 에칭해 바닷물의 여러 염과 미네랄이 표면에서 떨어져 나가도록 설계
  • 커피 링 효과는 커피 한 방울이 표면에서 마른 뒤 가장자리에 농축된 커피 입자 고리가 남는 현상
  • 같은 원리를 이용해 염을 수동 영역으로 이동시키는 방식
  • 태평양·대서양·인도양 물 시료 테스트에서 표면이 자가 세정되는 결과 확인
  • 담수를 추출하면서 남은 염은 수동 영역으로 보내지고, 나중에 수집 가능
  • 이 과정에서 패널 효율 저하 없음

• 폐기물을 자원으로 전환

  • 새 담수화 방법의 뚜렷한 장점은 처리하거나 폐기해야 하는 염수를 남기는 대신 염을 거의 100% 고체 형태로 추출한다는 점
  • 식탁용 소금의 풍부한 공급원이 될 수 있고, 전기차와 전자기기에 쓰이는 리튬이온 배터리의 리튬 같은 더 귀한 광물 추출에도 활용 가능
  • 관련 Journal of Materials Chemistry A 논문은 같은 초흡수성 태양광 패널로 담수화 과정에서 리튬을 다른 염과 분리하는 방법 제시
  • 검은 금속 표면의 미세 홈에 수소 타이타네이트 나노입자를 넣어 리튬을 다른 염과 미네랄에서 분리하는 방식
  • Guo는 지표에서 리튬을 채굴하는 방식이 에너지와 환경 측면에서 매우 부담스럽기 때문에, 소금물에서 직접 리튬을 얻는 방식이 중요한 미래 경로가 될 수 있다는 입장
  • Great Salt Lake 물 시료를 사용한 실험에서 담수화 뒤 남은 염으로부터 리튬 약 50% 추출
  • 초흡수성 담수화 기술은 소규모 장치의 개념증명에서 입증됐으며, Guo는 이 기술을 확장 가능하고 전 세계 식수 접근성과 귀중 광물 공급망의 지속가능성을 개선할 수 있는 기술로 판단