건조 지역의 물 공급을 위한 대기 수분 포집 효율 개선

공기에서 물 얻기

세계 여러 지역에서는 담수가 귀합니다. 해수 담수화는 한 가지 대안이지만 에너지와 기반 시설이 필요합니다. 최근 태양광 기술의 발전은 담수화에 필요한 에너지 부담을 줄이는 데 도움이 되고 있습니다. 그러나 중앙아시아, 몽골, 칠레의 산악 지역이나 사하라 내륙처럼 바다에서 먼 건조 지역에는 해수 담수화를 직접 적용하기 어렵습니다.

또 다른 방법은 공기 중 수분을 포집하는 것입니다. 건조 지역에도 공기 중 수증기는 있지만 습도와 기후 조건은 장소와 시간에 따라 다릅니다. 대기 수분 포집은 이 자원을 활용하려는 기술입니다. 앞서 수동 냉각과 실리콘 코팅으로 물 포집 효율을 높이는 방법을 소개한 바 있습니다.

연구진은 새로운 고분자 조성을 이용해 수분 포집을 개선하는 방안도 연구합니다. 오사카공립대학교 연구진은 ACS ES&T Water에 “친수성 차이로 유도한 물 전달을 통해 상온 부근에서 작동하는 액체 폴리에터 기반 수분 포집제¹”라는 제목의 연구 결과를 발표했습니다.

수분 포집

공기 중 수분을 얻는 방법 중 하나는 물 분자를 끌어당기는 물질을 사용하는 것입니다. 흡착은 분자가 물질의 표면에 붙는 현상입니다. 액체 고분자계에서는 물이 내부에 흡수되는 과정도 중요하므로 모든 수분 포집을 고체 표면의 흡착으로만 설명하는 것은 정확하지 않습니다.

일상에서 접하는 실리카겔 같은 건조제도 주변의 수분을 포집합니다. 다만 포집 능력은 습도와 온도, 재료의 종류에 따라 달라집니다.

출처: Osaka Metropolitan University

중요한 과제는 포집한 물을 다시 회수하고 재료를 재생하는 것입니다. 일부 포집 재료는 약 100°C의 열을 필요로 하므로 에너지 부담이 큽니다. 오사카 연구진은 더 낮은 온도에서 물을 방출하는 액체 고분자 조성을 연구했습니다.

저온 탈착

물을 잘 끌어당기는 재료는 다시 물을 내보내기 어려울 수 있습니다. 연구진은 이 상충 관계를 완화하여 낮은 온도에서도 수분을 회수하는 방법을 찾았습니다.

이전 연구에서는 폴리에틸렌글리콜(PEG)과 저분자 폴리프로필렌글리콜(PPG)을 혼합하여 친수성 차이에 의한 물 전달(HWT) 메커니즘을 활용했습니다.

쉽게 말하면 두 고분자가 물을 끌어당기는 정도의 차이를 이용하는 것입니다. 이를 통해 약 35°C, 즉 95°F에서 물을 방출할 수 있는 액체 수분 포집제를 만들었습니다.

그러나 이 혼합물은 수분 포집량이 제한되어, 낮은 재생 온도의 장점과 생산량 사이에 절충이 있었습니다.

PEG-PPG 공중합체

이번 실험에서는 PEG에 PEG-PPG 공중합체를 섞는 방식을 조사했습니다.

출처: ACS Publication

이 혼합물은 HWT 효과와 수분 회수 성능을 개선했습니다.

• 낮은 물 회수 온도를 유지했습니다.
• 일부 조성의 물 회수 속도는 PEG 단독보다 높았습니다. 물 회수 속도와 수분을 포집하는 총량은 구분해야 합니다.

PEG-PPG 랜덤 공중합체는 PEG보다 높은 물 회수 속도를 보였습니다. 연구진은 이러한 개선을 HWT와 물 분자 클러스터의 붕괴가 함께 작용한 결과로 설명했습니다.

응용 분야

물 회수와 포집제 재생에 필요한 온도가 낮아지면 에너지 투입을 줄일 가능성이 있습니다. 실제 환경적 이점은 전체 장치의 에너지 소비와 재료 사용을 함께 평가해야 합니다.

“이 기술의 개선은 온실가스 배출 감소와 수자원의 효율적인 이용에도 기여할 것으로 기대합니다. 앞으로 액체 수분 포집제를 개선하고 전체 시스템의 효율을 높여 실용화를 추진하겠습니다.”

다카하시 마사히데 — 오사카공립대학교 교수

35°C는 고온 재생보다 쉽게 얻을 수 있어 일교차나 태양열을 활용할 가능성이 있습니다. 다만 실제 수분 회수량은 낮과 밤의 습도·온도, 장치의 열 관리 등에 따라 달라집니다.

몽골 같은 추운 지역에서는 태양열 집열 등 추가 설계가 필요할 수 있습니다. 단순한 반사판만으로 충분한 물을 안정적으로 생산할 수 있다고 단정할 수는 없습니다.

재난이나 물 부족 지역에 활용할 가능성도 있지만, 신속한 현장 배치를 위해서는 생산량과 수질, 내구성 및 유지 관리 등을 검증해야 합니다.

“이 기술은 건조 지역과 에너지 자원이 부족한 곳의 물 공급뿐 아니라 재난 및 비상 상황에서 물을 확보하는 데에도 적용할 잠재력이 있습니다.”

후카쓰 아리사 — 오사카공립대학교 조교수

추가 연구를 통해 성능을 더 높일 수 있습니다. 이번에 조사한 조성이 모든 조건에서 최적이라는 뜻은 아닙니다.

친수성이 서로 다른 고분자를 체계적으로 탐색하면 물 회수 성능을 개선하고 상용화 가능성을 평가하는 데 도움이 될 수 있습니다.

물 부족을 해결하는 기업

Xylem Inc.

Xylem은 정수, 폐수 처리와 물 관리 분야의 글로벌 기업입니다. 기사에서 소개한 당시 자료에 따르면 23,000명 이상의 직원과 6,000명 이상의 엔지니어를 보유하고, 150개국에서 사업을 운영하며 35,000곳 이상의 산업 고객에게 직접 서비스를 제공했습니다.

주요 시장은 지방자치단체의 상수도와 폐수 처리이며, 의료, 전력, 식음료, 석유·가스와 마이크로전자 등에도 솔루션을 제공합니다.

출처: Xylem

Xylem은 오존 발생기, 자외선 처리 장치와 고순도 물 시스템 등 수처리 장비를 공급합니다. 펌프, 배관 관련 장치, 주입 시스템과 소프트웨어뿐 아니라 유지 보수, 수리 및 설치 서비스도 제공합니다.

출처: Xylem

물 관리 시장은 여러 업체로 분산되어 있습니다. 기사에서 인용한 회사 자료는 서비스 가능한 시장을 약 800억 달러로 추산하고, 그 안에서 Xylem의 점유율을 약 10%로 설명합니다. 이는 전 세계의 모든 물 시장을 뜻하지 않습니다.

회사는 매출의 약 4%를 연구개발에 투입한다고 설명합니다. PFAS(과불화 및 폴리플루오로알킬 물질, 일명 영구 화학물질)) 관련 규제 강화는 수처리 수요를 늘릴 수 있습니다. 기사에서는 이러한 처리가 필요한 공공시설이 6,000곳 이상이라고 소개합니다.

Xylem의 순이익은 기사에서 제시한 2012년 2억 9,700만 달러에서 2023년 6억 900만 달러로 증가했습니다. 회사의 2023년 조정 EBITDA 이익률은 18.9%였습니다.

물 관리의 필수 수요는 사업을 뒷받침할 수 있지만, Xylem은 직접 수도 서비스를 제공하는 공익사업자와는 다른 장비·서비스 기업입니다. 실적은 경기, 투자 지출, 규제와 사업 구성의 영향을 받습니다.

연구 참고문헌:

^{1. Ikegawa, D., Fukatsu, A., Okada, K., & Takahashi, M. (2024). 친수성 차이에 의한 물 전달을 통해 상온 부근에서 작동하는 액체 폴리에터 기반 수분 포집제. ACS ES&T Water. https://doi.org/10.1021/acsestwater.4c00775}