재료 과학
태양광 폴리머 기술, 담수화 비용을 절반으로 감소
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현대 세계의 많은 부분이 도로, 항구, 전선 등 종종 잊혀지는 인프라에 의존하고 있다.
또 다른 중요한 인프라는 물이며, 수집부터 폐수 정화 및 처리까지 포함한다. 깨끗한 물에 대한 접근은 일상 생활과 오염 관리에만 중요한 것이 아니라 제조업, 데이터 센터 등에도 필수적인 자원이다.
불행히도 지구상의 물 대부분은 바다나 북극·남극 빙하에 갇혀 있어, 사용 가능한 담수는 1% 미만에 불과하다.
출처: OpenEdu
따라서 비용이 많이 들고 전력을 많이 소비하는 방법에 의존하지 않는 효율적인 담수화 기술은 큰 혁신이 될 수 있다. 이는 현재 비용이 많이 드는 담수화 방법에 의존하고 있는 건조 지역을 돕는 것뿐만 아니라, 전 세계 인구의 80%가 이미 거주하고 있는 모든 해안에서 신선한 물을 생산하는 데에도 도움이 될 수 있다.
The cumulative contracted desalination capacity has now surpassed 일일 1억 입방미터를 초과했으며, 담수화의 거의 60%가 인간 소비에 사용됩니다, with already 전 세계에 21,000개의 해수 담수화 플랜트 전 세계에.
이러한 시설을 보다 효율적으로 만들면 에너지 소비를 줄이고 탄소 배출 감소에도 도움이 되며, 이는 지구 온난화가 사막화와 물 부족의 원인이 되어 담수화 필요성을 더욱 높이는 상황에서 중요한 단계이다.
베이징 과학원 연구원들은 증발을 가속화하는 새로운 3차원(3D) 광열 구조를 가진 새로운 폴리머를 개발했으며, 이를 통해 태양광 담수화 효율이 크게 향상되고 증발에 필요한 에너지 소비가 45.7% 감소하였다. 그들은 이 연구 결과를 Advanced Materials1에 발표했으며, 논문 제목은 “상호 연결 안정화 3D 광열 나노-구조가 분산형 태양열 담수화를 가능하게 함”이다.
태양광 담수화
해수에서 염분을 제거하여 마실 수 있는 담수로 만드는 방법은 많이 있다. 현재 가장 일반적인 대규모 담수화 방법은 역삼투이며, 고압 펌프가 물을 미세한 구멍을 가진 특수 막을 통해 통과시켜 순수한 물과 용해된 염분을 분리한다.
문제는 이 과정이 상당히 에너지를 많이 소비하고, 작업을 수행하기 위해 비용이 높은 인공 막이 필요하다는 것이다.
대안으로는 열 방식을 사용할 수 있는데, 물이 증발하면 염분은 남고 증기는 순수한 담수가 된다. 그러나 이 역시 에너지 집약적인 과정이다.
대부분의 건조 지역은 사막이며 강렬한 햇빛이 특징이므로, 햇빛은 담수화에 논리적인 에너지원이 된다.
따라서 증발을 적은 에너지로 일으킬 수 있는 모든 물질은 담수화 경제성을 근본적으로 바꿀 수 있다. 예를 들어, 우리는 이전에 하이드로겔이 열과 무관하게 광자를 이용해 증발을 촉진할 수 있음이나 이온 농축 공정을 사용하여 10kg 미만의 휴대용 담수화 장치를 만들 수 있음을 다룬 바 있다.
중국 연구원들이 개발한 새로운 폴리머가 돋보이는 점은 내구성, 제조 용이성, 그리고 실제 테스트에서 병에 든 물보다 저렴하게 신선한 물을 생산하고 작물 재배가 가능하다는 경제적 타당성을 입증했다는 것이다.
폴리머를 이용한 태양광 담수화
햇빛 노출 극대화
이론적으로 햇빛을 이용한 담수화는 가장 간단한 과정이며, 태양열을 사용해 물을 증발시킨다. 실제로 증발 속도는 주변 온도, 표면적, 공기 중 상대 습도, 공기 흐름, 압력, 물 온도 등 다양한 변수에 따라 달라질 수 있다.
“태양광 구동 증발은 유망한 접근법이지만, 실제 적용은 성능, 견고성 및 경제성을 시너지 있게 통합하기 어려워 종종 방해받는다”
물의 공기 및 햇빛 노출 방식은 증발 속도와 필요한 에너지를 크게 바꿀 수 있다. 이를 염두에 두고 연구진은 증발을 극대화하는 독특한 중공 구조가 결합된 폴리머를 개발했다.
“이 구조는 중공 껍질 구조를 가진 촘촘히 연결된 폴리머 사슬을 포함하며, 기존 기술에서 보고된 증발 속도보다 8.5배 높은 기록적인 증발을 제공한다.”
이 구조는 햇빛 흡수를 극대화하여 증발에 필요한 에너지를 감소시킨다. 전체적으로 햇빛 흡수가 이론적 최대치에 가까워졌을 때 증발 에너지 소비가 크게 감소했다.
“이 구조는 90.2%의 광대역 태양 흡수를 보이며, 증발 에너지 소비를 45.7% 감소시킨다,”
최적 폴리머 햇빛 포획 장치
사용된 물질은 Ta₂O₅/C(탄탈럼 펜타옥사이드-탄소)로, 햇빛을 흡수하고 강한 폴리머 분자 결합을 형성할 수 있다. 작동 방식은 폴리에스터 폴리머 사슬이 나노구의 다공성 구조를 정확히 관통하여 “나노숲 형태”를 만든다.
연구원은 여러 가지 모세관 길이를 시험하여 증발을 촉진하는 데 가장 적합한 길이를 확인했다. 중공 구조를 추가했을 때 PET 모세관은 길이 15센티미터만으로 거의 최대 효율에 도달한다는 것을 발견했다.
내구성 및 상업적 적용
해수에 30일간 노출된 후에도 이 물질은 염분이나 햇빛에 의해 영향을 받지 않았으며, 전자 현미경으로 관찰해도 손상이 감지되지 않았다. 또한, 빛에 노출되었을 때 활성 자유 라디칼이 검출되지 않아, 장기간 사용 시 햇빛에 의한 플라스틱 분해의 주요 원인인 라디칼에 대한 내구성과 신뢰성이 높을 것으로 보인다.
연구진은 이 물질이 실제 환경에서 수년간 지속되며 성능을 유지할 수 있다고 추정했으며, 이는 대규모 적용을 위한 전제 조건이다.
그들은 또한 실험실 20리터 수열 반응기와 다중 구역 터널 퍼니스로 100g의 물질을 생산하는 대량 생산 가능성을 테스트했으며, 이 방법은 최소 수십 킬로그램 규모의 더 큰 배치에도 쉽게 적용할 수 있다.
전체 수명 주기 비용 분석에 따르면, 2년 운영 후 물 생산 비용이 시중에 판매되는 병에 든 물보다 낮아져, 해안 접근이 가능한 지역에서 식수용으로도 상당한 경제적 경쟁력을 보여준다.
프로토타입 테스트
연구진은 이 물질을 0.75㎡ 활성 응축형 태양광 담수화 장치에 적용했다. 자연 햇빛 아래에서 20리터(5.2갤런) 이상의 신선한 물을 생산했으며, WHO 식수 기준을 충족하는 품질을 보였다.
이 생산량은 햇빛과 해수만으로 약 10명의 일일 기본 식수 요구를 충족시키기에 충분하다.
같은 물은 5㎡ 시연 구역에서 한 계절 동안 다양한 작물 재배에도 테스트되었다. 연구진은 시금치, 옥수수, 그리고 중국 배추를 재배했으며, 이 시스템이 건조 지역에서 작물 재배를 돕는 방법을 보여준다.
담수화의 미래
이 새로운 물질을 이용한 추가 테스트를 통해 생산을 더욱 최적화할 수 있다. 예를 들어, 간단한 거울 세트를 사용하면 물을 가열하고 증발 속도를 더욱 높일 수 있으며, 추가 재료나 설치 복잡성에 거의 비용이 들지 않는다.
마찬가지로, 팬과 같은 추가 기계나 압력을 가하거나 습도를 낮추는 등 광전 패널로 전력을 공급받는 보조 시스템도 생산성을 더욱 높이는 데 도움이 될 수 있다.
전반적으로, 효율을 높이는 첨단 소재와 경제적으로 확장 가능한 충분히 단순한 설계의 조합이 담수화 솔루션을 주도할 가능성이 높다.
그리고 담수 및 담수화 플랜트 운영에 전문성을 가진 기업들은 이러한 새로운 설계를 점진적으로 도입하고 인프라를 업그레이드할 것이다.
수자원 인프라 투자
Consolidated Water
CWCO 가격 차트
Consolidated Water (CWCO )는 카리브해와 미국에 신선한 물을 제공하는 중요한 공급업체이다. 이 회사는 제한된 담수 공급 지역에 초점을 맞춘 담수화 플랜트를 전문으로 한다.
현재 운영 중인 11개의 플랜트를 보유하고 있으며, 일일 2,730만 갤런의 신선한 물을 생산하고, 97개의 정수 시설도 운영한다. 회사의 주요 계약 중 하나는 케이맨 제도에 있으며, 여기서 하루 600만 갤런을 공급하는 독점 수자원 이용 허가를 보유하고 있다.
회사는 최근 하와이에서 주요 플랜트 프로젝트 계약을 체결했으며, 오아후에 새로운 해수 역삼투 담수화 플랜트를 설계, 건설, 운영 및 유지보수한다. 이 플랜트는 일일 170만 갤런의 식수를 생산한다. 이는 Consolidated Water가 건설하는 24번째 해수 역삼투 담수화 플랜트이며, 미국 최초이다. 첫 2년 동안 1억 4,800만 달러의 매출을 창출하고, 이후 24년 동안 꾸준한 매출을 유지해 총 2억 4,000만 달러에 이를 것으로 예상된다.
물 플랜트 운영 외에도, 회사는 AEREX를 통해 수처리 장비 제조업체이기도 하다. AEREX는 2020년에 인수되었으며, 여러 차례 인수를 통해 회사는 규모와 전문성을 확대했다(다른 인수로는 Ramey Environmental Compliance -REC와 캘리포니아의 PERC Water Corporation이 있다).
회사는 물 생산에서 안정적인 매출을 확보하고 있으며, 때때로 발생하는 대형 건설 프로젝트에서 변동성 있는 매출을 얻는다.
회사는 기존에 쉬운 해결책이 없던 물 문제를 해결하고 담수화 분야에서 전문성을 쌓아왔다. 새로운 담수화 기술의 등장과 물 부족 심화는 Consolidated Water가 새로운 시장을 확보하고 향후 매출을 성장시키는 데 도움이 될 것이다. 또한, 탄탄한 재무 구조는 전략적 인수를 지원하고 새로운 물 플랜트 프로젝트를 위한 자본 및 연구개발 비용을 충당하는 데 도움이 된다.
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참조 연구
1. Dan Yu et al., 상호 연결 안정화 3D 광열 나노-구조가 분산형 태양열 담수화를 가능하게 함. Advanced Materials. 2026년 6월 21일. https://doi.org/10.1002/adma.73756
