물은 생명의 근원이자, 세상 만물이 생존하는 기초입니다. 물의 면적은 우리가 살고 있는 지구의 70%를 초과하지만, 담수 자원은 3% 미만입니다. 이 담수의 분포는 매우 고르지 않습니다. 호수, 강, 지하, 남극 얼음에 존재합니다. 인간이 소비할 수 있는 담수는 1% 미만으로 남아 있습니다.

또한, 환경오염, 인구증가 등 일련의 문제로 인해 전 세계적으로 담수자원의 부족 현상은 앞으로 더욱 심각해질 것입니다. 따라서 담수자원 부족 문제를 해결하는 것이 최우선 과제이다.

2023년 9월 13일, 중국 과학자들은 '네이처(Nature)' 잡지에 새로운 광열 전환 물질에 관한 기사를 게재했습니다. 이 물질의 출현으로 인류에게 담수 자원의 꾸준한 흐름을 가져올 것으로 예상되며 담수의 안전하고 충분한 공급이 보장될 것입니다!

이미지 출처: 네이처 매거진.

신소재의 준비와 원리

태양 에너지는 난방 및 에너지 저장에 널리 사용되는 재생 에너지 원입니다.태양열 구동 계면 수분 증발 기술은 거의 10년 동안 제안되었습니다. 즉, 태양 에너지가 흡수되어 열에너지로 변환되어 물 분자가 수증기로 증발하는 것을 촉진합니다. 수증기는 수집되어 후속 처리에 사용됩니다. 이 기술은 깨끗한 담수를 생산하기 위한 해수 담수화 분야에서 폭넓은 응용 가능성을 갖고 있습니다. 태양에너지를 활용하면 화석에너지 소비와 일련의 환경오염 문제를 완화할 수 있다.

이 기술의 핵심은 태양열에너지의 변환효율을 어떻게 향상시킬 것인가이다. 중국 과학자들이 새로 개발한 새로운 고효율 광열 변환 소재는 이 기술의 광범위한 활용에 대한 희망을 불러일으킵니다!

과학자들은 햇빛과 물질의 상호작용으로 발생하는 열 발생의 성질에서 시작하여 화학, 물리학, 계산 및 기타 관련 실험을 통해 티타늄 아산화물(TinO2n-1)에 Ti-Ti 이량체 구조가 있음을 발견했습니다. 이 구조는 Ti 원자 핵 외부의 전자 구조의 3차원 층 전자 이동의 분포 범위를 제한하여 전자의 실제 공간 위치화와 페르미 준위 근처의 플랫 밴드 전자 상태의 도입을 초래하여 전자 전이의 결합 상태 밀도가 향상됩니다.

위의 원리를 바탕으로 추가적인 실험을 통해 다음과 같은 사실이 밝혀졌다.λ-Ti3O5는 티타늄 아산화물의 물질로 햇빛의 95% 이상의 흡광도를 가지고 있습니다.


반사 스펙트럼과 전자 구조. 이미지 출처: 참고자료 [1]

과학자들은 증발기를 처리하기 위해 λ-Ti3O5 및 폴리비닐 알코올 재료를 추가로 사용했습니다. 수분 증발 효율을 높이기 위해 증발기는 3차원 다공성 연결 구조로 설계되었습니다.

실험 결과 햇빛 조건(1kWm-2)에서 이 장치를 통해 시간당 증발되는 물의 양은 6.09kgm-2에 달할 수 있는 것으로 나타났습니다. 이는 현재 태양광 구동 인터페이스 물 증발 기술로 달성한 가장 빠른 물 증발 수준입니다. 과학자들은 해수 담수화 실험에 이 장비를 추가로 사용했으며 하루에 수집되는 담수의 양은 23Lm-2에 달할 수 있습니다.

이 장비를 해수 담수화 분야에 적용하면 대규모 담수 준비가 가능해 담수 자원 부족 문제를 크게 해결하고 하수 및 폐수 정화 처리에 새로운 아이디어를 가져올 수 있음을 알 수 있습니다.


3차원 다공성 연결구조 증발기의 작동 모식도(a. 실외 해수 담수화 장치; b. 시간에 따른 태양 에너지, 담수 수집율 및 총 담수 수집량의 변화; c. 시간에 따른 온도 및 습도의 변화; d. 일일 평균 광속 및 담수 수집율). 이미지 출처: 참고자료 [1]

담수 보호를 위해 우리는 무엇을 할 수 있나요?

신소재의 발견으로 인해 우리는 미래에 마실 물이 없을 것이라는 두려움을 더 이상 느끼지 않게 되었습니다. 그러나 우리는 또한 물을 절약하고 담수 자원 보호에 대한 인식을 높여야 합니다.

우선, 정부는 담수자원 보호와 관련된 법규를 잇달아 공표·개선해 법을 통해 이를 제한하고 담수보호의 중요성을 국민들에게 일깨워왔다.담수 보호 관련 정책의 홍보를 강화하고 물 절약에 대한 모든 사람의 인식을 제고합니다. 동시에 농업 및 공업 분야의 담수 이용을 최적화하고 담수의 이용률을 향상시킵니다.

생활 속에서 우리 각자는 물 절약에 관심을 기울여야 하며, 동시에폐기물, 화학약품, 의약품 등을 하수구에 버리지 않도록 주의하세요. 담수 오염이 쉽게 발생할 수 있습니다.

담수 자원을 보호하고 물을 합리적으로 사용하며 지구상의 마지막 물 한 방울이 우리의 눈물이 되지 않도록 함께 노력합시다!

참고자료

[1] Yang, B., Zhang, Z., Liu, P. 외. 특별한 태양광 팀 생성을 향한 Flatband λ-Ti3O5. 자연(2023).

[2] 리설친. 새로운 태양열 집열기 및 해수 담수화에 적용 [J]. 일반 기계, 2012. DOI: CNKI: SUN: TYJS.0.2012-03-037.

[3] 셰리신, 리핑리, 왕스창. 해수담수화 기술 현황 및 다양한 담수화 방법 검토 [J]. 화학산업의 발전, 2003, 22(10): 4. DOI: 10.3321/j.issn: 1000-6613.2003.10.011.

[4] 루주. 수자원 보존과 수자원 재생 및 재사용 기술의 전망 [J]. 정수기술, 2002(S1):5.DOI:CNKI:SUN:ZSJS.0.2002-S1-013.