UNIST, 친환경 고효율 해수담수화 기술 개발

장지현 UNIST 교수팀(왼쪽부터 장 교수, 라나 이르판 박사, 김성도 박사, 이진영 연구원)

태양광에너지로 해수를 가열해 담수로 바꾸는 기술이 나왔다. 전력 인프라가 부족한 개발도상국이나 도서 지역 식수난 해결에 도움이 될 전망이다.

울산과학기술원(UNIST)은 장지현 에너지화학공학과 교수팀이 햇빛으로 바닷물을 가열해 수증기를 만들고 이를 응축해 마실 수 있는 담수를 생산하는 '3원계 산화물 기반 증발기'를 개발했다고 12일 밝혔다.

'3원계 산화물 기반 증발기'를 바다에 띄워 가동하면 시간 당 1제곱미터(1㎡)에서 약 4.1ℓ(리터)의 식수를 생산할 수 있다. 이는 자연적 해수 증발 속도의 7배에 육박하고 현재까지 학계에 보고된 산화물 소재 기반 증발 장치 가운데 세계 최고 수준의 속도다.

고성능 증발의 비결은 새로운 광열변환 소재다. 광열변환 소재는 태양 빛을 흡수해 열로 바꾸는 소재로, 증발기 표면에 얇게 코팅된다.

장 교수팀은 내식성이 뛰어난 망간 산화물에서 망간 일부를 구리와 크롬으로 치환해 3원계 산화물 광열 변환 소재를 만들었다. 물질의 조성을 조절해 물질이 흡수할 수 있는 태양광 파장 대역을 설계하는 '밴드갭 엔지니어링' 기술을 사용했다.

태양광에너지를 이용한 해수담수화 장치 모식도. 햇빛으로 달궈진 증발기가 바닷물을 수증기로 만들고, 경사진 유리창 표면에 응축된 물방물은 경사면을 타고 흘러 한 군데 모인다.

개발 소재는 자외선부터 가시광선, 근적외선 영역까지 빛의 97.2%를 흡수한다. 기존 일반 산화물 소재는 가시광선 파장 영역까지만 흡수하는 데 그친다.

또 흡수 태양광을 열로 잘 변환한다. 망간 자리를 크롬이나 구리가 차지하고 있어 흡수한 태양 빛 에너지를 다시 빛 형태로 방출하기보다 열로 전환하는 비율이 높아지기 때문이다.

시험 결과 장 교수팀 개발 소재의 표면 온도는 80℃까지 올라갔고 이는 같은 조건에서 63℃에 그친 기존 망간 산화물이나 74℃를 기록한 구리망간 산화물보다 월등히 높은 성능이다.

장 교수팀은 장치 구조 설계도 최적화해 염분 축적을 최소화했다. 장지를 역 U자형 구조로 설계해 광열변환 소재를 코팅한 증발면 부분에는 물을 잘 흡수하는 면 소재를, 나머지 부분에는 폴리에스터 소재를 적용했다. 폴리에스터 섬유 구조는 빨대처럼 물을 빠르게 끌어 올리고, 폴리에스터 자체의 소수성 성질은 소금이 증발면에 달라붙지 않고 흘려보내는 통로 역할을 한다.

장 교수는 “기존 산화물 광열변환 소재는 빛을 흡수하는 대역이 좁아 효율이 낮았다. 이를 근본적으로 개선하고 광열변환 특성도 높인 고성능 증발기”라며 “소재의 내구성이 뛰어나고 대면적화도 쉬워 담수가 부족한 지역의 식수 문제 해결에 도움이 될 것”이라고 말했다.

연구 결과는 국제학술지 어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)에 지난달 16일 온라인으로 공개됐고, 정식 출판을 앞두고 있다.

울산=임동식기자 dslim@etnews.com

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