고려대 연구진, '태양광 담수화 기술' 개발…"폐수를 음용수로"

[서울=뉴시스]박시은 인턴 기자 = 고려대학교는 기계공학부 김혜정 교수 연구팀이 3D 프린팅으로 물과 열의 흐름을 정밀 제어해, 산업 폐수까지 정화할 수 있는 친환경 태양광 담수화 기술을 개발했다고 30일 밝혔다.

전 세계적인 물 부족 심화로 친환경 수처리 기술인 '태양광 담수화 기술'이 주목받고 있지만, 핵심 부품인 기존 태양광 증발기의 기술적 한계가 상용화의 걸림돌로 지목돼 왔다.

기존 증발기는 불규칙한 다공성 구조 탓에 제어하기 까다롭고, 장시간 가동 시 표면에 소금이 쌓여 성능이 떨어지는 한계가 있었다. 이에 연구팀은 고해상도 3D 프린팅으로 다양한 3차원 격자 구조를 제작하고, 격자 모양에 따른 ▲물 수송 ▲열전달 ▲소금 결정화 특성을 분석했다.

그 결과 ▲물과 격자 구조가 맞닿는 경계의 길이 ▲구조 내부에서 빈 공간이 차지하는 비율 ▲고체에서 물로 열이 전달되는 접촉 면적 총 3가지가 증발 성능을 좌우하는 핵심 설계 요소로 드러났다.

연구팀은 최적화된 격자 구조의 높이를 5㎝까지 확장해 윗면과 옆면 모두에서 물이 증발하도록 설계했다. 실험 결과, 표준 태양광 조건(1 sun, 약 1000W m⁻²)에서 1시간 동안 1㎡ 면적당 6.9㎏의 물이 증발했다.

개발된 격자 구조는 고농도 염화나트륨 용액(20wt%)에서도 성능 저하 없이 물을 모두 증발시켰다. 소금이 수분을 포함한 다공성 결정 형태로 성장해 격자 내부의 물길을 막지 않고, 결정 표면에서도 증발이 지속되며 안정적인 성능을 유지했다.

아울러 다양한 고농도 단일 및 혼합 염수에서도 안정적 성능을 보여 산업 공정에서 발생하는 고염도 폐수와 농축수의 처리 가능성도 확인했다.

야외 실험에서는 인공 해수로 하루 최대 제곱미터당 47.7㎏의 담수를 생산했다. 회수된 물의 주요 이온 농도는 음용수로 활용할 수 있는 수준까지 도달했으며 메틸렌블루, 로다민 6G, 메틸오렌지와 같은 유기 오염물질도 높은 정화 성능을 보였다.

김혜정 교수는 "소재뿐 아니라 격자의 모양과 배열을 어떻게 설계하느냐가 태양광 담수화 성능을 좌우한다는 점을 보여준 연구"라며 "고염도 환경에서 높은 담수 생산과 염 회수를 동시에 구현하고, 장기간 안정적으로 작동하는 지속 가능한 수처리 기술로 발전할 것"이라고 밝혔다.

한편 고려대 손예닮 석박통합과정생이 제1저자로 참여한 이번 연구 성과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 온라인에 지난 22일 게재됐다.

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