지속 가능한 담수 공급 문제를 해결하기 위해 연구자들은 최근 몇 년 동안 많은 태양광 담수화 시스템을 개발했습니다. 그러나 자주 직면하는 어려움은 염분 축적으로, 이는 시스템을 막히게 하고 물 생산 속도에 영향을 미칠 수 있습니다. 이 문제를 해결하기 위해 MIT와 Shanghai Jiao Tong University의 연구원들은 자연 현상, 즉 열염분 순환으로 알려진 과정인 해수의 밀도 차이에 의해 깊은 해류가 어떻게 구동되는지에서 영감을 얻었습니다.
연구원들은 대량의 식수를 생산할 수 있고 바다에서 영감을 받은 기술을 사용하여 염분 막힘 문제를 피할 수 있는 새로운 태양열 담수화 시스템을 개발했습니다. 규모가 확대되면 이 시스템은 소규모 가족의 일상적인 필요를 충족시키기에 충분한 식수를 제공할 수 있습니다.
연구원의 새로운 시스템은 "스테이지"라고 불리는 여러 레이어로 구성된 유사한 개념인 이전 디자인을 개선했습니다. 각 단계에는 증발기와 응축기가 포함되어 햇빛을 사용하여 들어오는 물에서 염분을 수동적으로 분리합니다. 태양 에너지를 효과적으로 사용하여 물을 증발시키지만 염분 축적으로 인해 며칠 후에 막힐 수 있습니다. 이에 연구진은 염분 축적을 완화하기 위해 열염분 순환 방식을 시도했다.
새롭게 디자인된 1단 유닛은 태양열을 흡수하는 어두운 소재를 얹은 얇은 상자처럼 보입니다. 상자 내부는 상부와 하부로 나누어져 있습니다. 물은 상부를 통해 흐르고, 천장에 있는 증발기 층은 태양열을 사용하여 물과 직접 접촉하여 물을 가열하고 증발시킵니다. 수증기는 아래쪽 절반으로 이동하고 응축기 층은 수증기를 공랭시켜 염분이 없는 식수로 만듭니다.
상자 전체가 기울어져 있고, 물이 흐를 때 태양열로 인해 소용돌이가 발생합니다. 이 움직임은 소금 순환을 유지하고 소금 침전과 막힘을 방지하면서 물이 상부 증발층과 접촉하도록 돕습니다.
연구 교신저자 중 한 명인 Xu Zhenyuan은 다음과 같이 말했습니다. "우리는 이제 우리가 일반적으로 바다에서 볼 수 있는 킬로미터 길이의 대류와 유사한 더 강력한 대류를 도입했습니다. 바닷물이 공기에 노출되면 햇빛으로 인해 바닷물이 증발합니다. 바닷물이 해수면을 떠나면 염분이 남게 됩니다. 염분 농도가 높을수록 액체의 밀도가 높아지고 이 무거운 물은 아래로 흐릅니다. 작은 상자에서 이 킬로미터 규모의 현상을 시뮬레이션함으로써 우리는 이 기능을 사용하여 소금을 쫓아낼 수 있습니다."
연구원들은 그들의 시스템이 천연 해수부터 염도가 7배 더 높은 물까지 염분 농도가 다양한 환경에서 담수를 생산할 수 있다는 것을 발견했습니다. 작은 여행 가방 크기로 확장할 경우 시스템은 시간당 4~6리터(1.1~1.6갤런)의 물을 생산할 수 있으며 부품을 교체해야 할 때까지 몇 년 동안 지속될 수 있다고 그들은 말했습니다.
연구진은 이 시스템을 운영하는 데 드는 전체 비용은 높은 물 생산률, 높은 염 제거율, 긴 수명, 태양열로 구동되고 전기가 필요하지 않다는 사실로 인해 미국의 수돗물 생산 비용보다 낮을 것이라고 말했습니다.
연구 보고서의 공동 저자인 Yang Zhong은 "우리의 연구는 이러한 종류의 장비가 긴 서비스 수명을 달성할 수 있다는 것을 보여줍니다. 이는 처음으로 햇빛을 사용하여 생산된 식수가 수돗물보다 저렴할 수 있음을 의미합니다. 이는 실질적인 문제를 해결할 수 있는 태양열 해수 담수화 가능성을 제공합니다."라고 말했습니다.
이 연구는 저널 Joule에 게재되었습니다.