태양광은 청정 에너지를 제공하는 것 이상을 할 수 있다 – 건조 지역에서 깨끗한 물을 생산할 수 있다

캐나다와 브라질과 같은 국가에서는 신선한 물에 대한 접근이 거의 문제가 되지 않습니다.  그러나 현실은 전 세계에 인구가 밀집하고 건조한 지역이 많이 있어 담수가 사치품이라는 것입니다.  다행히도 이 문제를 해결하기 위해 이미 시행 중이거나 개발 중인 솔루션이 존재합니다 – 대기 중 물 수확기(AWH)와 같은

최근의 획기적인 연구에서, 연구원들은 태양광 기반 수동 흡착 기술을 활용한 잠재적으로 혁신적인 대기 중 물 수확기를 개발했습니다.  이 혁신의 핵심은 새롭게 개발된 ‘초흡습 다공성 겔’의 사용에 있습니다.  이 겔은 티타늄 나이트라이드, 하이드록시프로필 메틸셀룰로오스, 그리고 LiCl(THL)으로 구성되어 있으며, 15%–90% 상대 습도 범위 전반에 걸쳐 뛰어난 물 흡착 능력을 보여주었습니다.  독특한 물질 조합은 빠른 흡착 및 탈착 동역학(이전에 흡착된 물질이 방출되는 속도)을 가능하게 하여, 대기 중 물 수확기에 사용될 때 효율성을 크게 향상시킨다고 합니다.

발표된 연구는 앞서 언급한 획기적인 기술을 상세히 설명하면서, 이 장치가 건조한 환경에서도 높은 물 생산량을 달성할 수 있음을 강조합니다. 실제 적용은 이미 다양한 계절에 걸친 야외 테스트를 통해 검증되었습니다.

이 AWH 기술은 건조 지역에서 물 부족을 완화하기 위한 지속 가능하고 효과적인 접근 방식을 보여주며, 다른 태양광 기반 물 수확 시스템에 비해 경쟁력이 높고, 무엇보다도 WHO의 식수 기준을 충족합니다.

대기 중 물 수확기

전 세계에서 사용되는 AWH의 효율성과 효과성을 높일 수 있는 새로운 흡습 다공성 겔이 개발되었습니다.  이는 훌륭하지만, 이러한 장치는 실제로 어떻게 작동할까요?

그 이름이 암시하듯이, 대기 중 물 수확기(AWH)는 공기 중에서 물을 추출하도록 설계된 장치입니다. 이러한 장치는 기존 물 공급원이 부족하거나 오염된 건조 지역에서 특히 가치가 있습니다. 기존 AWH의 기술은 다양하지만, 일반적으로 공기 중 수증기를 포집하고 이를 액체 물로 응축하는 방식에 기반합니다.

대부분의 AWH 시스템 설계는 이슬이 맺히는 원리와 유사한 응축 원리를 기반으로 합니다. 이 설계는 일반적으로 다음과 같이 구성됩니다:

1. 공기 흡입: 팬을 사용하여 공기가 시스템으로 끌어들여집니다.
2. 냉각 및 응축: 습기 있는 공기는 그 후 이슬점 이하로 냉각되며, 종종 냉동식 또는 펠티어-냉각 콘덴서를 사용하여 수증기가 물방울로 응축됩니다.
3. 물 수집: 응축된 물은 저장소에 모아지고, 필터링되며, 때때로 맛을 위해 미네랄화됩니다.
4. 배분: 마지막으로 물은 나중에 사용하기 위해 저장되거나 즉시 소비를 위해 직접 파이프를 통해 공급됩니다.

AWH 시스템은 개인이나 가정용으로 적합한 소형 휴대형 장치부터 대규모 산업용 설치까지 크기가 다양합니다. 이러한 시스템의 효율성은 주로 주변 습도와 온도에 좌우되며, 습도가 높을수록 물 생산량이 증가합니다. 따라서 건조 환경에서 효율성을 높이는 모든 개선은 환영받으며, 새로운 초흡습 다공성 겔을 활용한 개선도 그 예입니다.

크기 확장이 가능하므로, AWH는 다양한 환경에서 일반적으로 사용됩니다:

건조 및 가뭄 위험 지역: 물 부족 지역에서 깨끗한 식수의 중요한 공급원을 제공합니다.

군사 적용: 휴대형 AWH 장치는 외딴 지역에 배치된 군대에 물을 공급하는 데 유용합니다.

원격 지역 및 긴급 구호: 전통적인 물 공급원이 없거나 오염된 경우, 원격 지역이나 자연 재해 시 즉각적인 식수 공급원을 제공합니다.

농업: 일부 AWH 시스템은 건조 지역에서 관개용으로 사용됩니다.

초흡습 다공성 겔 및 MOF(금속-유기 골격체)를 활용한 AWH 기술의 진보는 기존의 냉각 기반 시스템을 개선할 수 있는 잠재력을 가지고 있으며, 훨씬 낮은 에너지 비용으로 수증기를 흡수할 수 있게 합니다. 이러한 혁신은 다양한 기후 조건에서 AWH를 보다 효율적이고 실현 가능하게 만들 것입니다.

신선한 물 공급

전 세계 담수의 대부분은 빙하와 빙모에 존재하며, 전 세계 담수 자원의 약 69%를 차지합니다. 이러한 물은 주로 남극, 그린란드 및 전 세계의 다양한 고산 지대와 같은 극지와 고산 지역에 위치합니다. 두 번째로 큰 담수 저장소는 지하수이며, 전체의 약 30%를 차지합니다. 세계 담수의 아주 작은 부분(1% 미만)만이 강, 호수 및 대기 중에 접근 가능합니다.

대기 중 물 수확기(AWH)가 필요한 지역에서는 여러 이유로 깨끗한 물을 찾기 어려운 경우가 많습니다:

건조 기후: AWH가 필요한 많은 지역은 강우량이 적은 건조 또는 반건조 지역입니다. 여기에는 아프리카 광역, 중동, 남미 일부, 중앙아시아 및 호주가 포함됩니다.

지하수 고갈 및 오염: 농업 및 식수를 위한 지하수 남용과 보충 부족이 고갈을 초래합니다. 또한, 지하수는 자연 및 인간에 의해 발생한 오염 물질에 의해 오염될 수 있어 섭취에 안전하지 않을 수 있습니다.

인프라 부족: 많은 원격 지역이나 저개발 지역은 물을 수집, 처리 및 배분할 인프라가 부족합니다. 이는 종종 경제적 제약과 겹칩니다.

기후 변화: 기후 패턴의 변화가 전통적인 물 공급원에 영향을 미치고 있습니다. 일부 지역은 장기 가뭄을 겪고, 다른 지역은 빙하가 녹아 장기적인 물 가용성에 영향을 줍니다.

인구 과잉 및 도시화: 인구가 밀집하거나 급속히 도시화되는 지역에서는 기존 물 공급이 수요를 충족시키기에 부족할 수 있습니다. 또한, 도시화는 종종 이용 가능한 물 공급원의 오염을 초래합니다.

정치 및 경제적 도전: 일부 경우, 물 자원의 관리 및 배분이 정치적·경제적 문제에 의해 영향을 받아 물에 대한 접근이 불평등하게 됩니다.

AWH는 공기 중에서 물을 추출함으로써 대안이 됩니다. 이는 다른 물 공급원이 없거나 부족하거나 안전하지 않은 지역에서 실현 가능한 해결책이 될 수 있습니다. 이 기술은 공기는 습하지만 강우량이 적어 전통적인 물 공급원이 신뢰할 수 없는 지역에서 특히 가치가 있습니다.

현재 솔루션

현재 대기 중 물 수확기(AWH)와 경쟁하거나 보완하는 여러 기술이 있으며, 특히 물 부족이 심각한 지역에서 담수를 생산합니다.  그러나 각각은 고유한 장점과 과제를 가지고 있습니다.  보다 주목할 만한 대체 솔루션으로는 다음이 포함됩니다,

담수화: 이는 해수 또는 염수에서 담수를 생산하는 가장 대표적인 방법 중 하나입니다. 담수화는 주로 두 가지 기술을 사용합니다: 반투과성 막을 통해 물을 여과하는 역삼투와 물을 가열·증발시킨 뒤 증기를 응축하는 열담수화.  담수화 플랜트는 특히 중동과 같은 건조 지역에서 흔합니다.  효과적이지만, 담수화는 일반적으로 비용이 많이 들고 많은 에너지를 필요로 합니다.

물 재활용 및 재사용: 첨단 물 처리 기술은 폐수를 식수로 재활용할 수 있게 합니다. 여기에는 하수, 산업 폐수 및 농업 폐수 처리가 포함됩니다.  재활용된 물은 관개, 산업 공정 및 담수 공급 보충 등 다양한 용도로 사용할 수 있습니다.  이 접근 방식은 일반적으로 대규모 시설과 높은 운영 비용을 필요로 합니다.

우수 수집: 이는 나중에 사용하기 위해 빗물을 수집하고 저장하는 보다 간단하고 전통적인 방법입니다.  우수 수집 시스템은 지붕이나 기타 표면에서 물을 포집하여 탱크에 저장합니다.  AWH보다 기술적으로 덜 진보했지만, 특히 계절성 강우가 있는 지역에서 물 공급을 보완하는 지속 가능한 방법입니다.  이 방법은 강우에 의존하기 때문에 다른 접근법만큼 신뢰할 수 없습니다.  또한 수집된 물이 안전하게 섭취할 수 있도록 추가 처리가 필요할 수도 있다는 보장은 없습니다.

안개 수확: AWH와 유사하게, 안개 수확기는 대기 중에서 물을 수집합니다.  큰 그물망을 사용해 안개에 존재하는 물방울을 포획하고, 물방울이 모여 수집 탱크로 떨어집니다.  이 방법은 안개가 자주 발생하는 해안이나 산악 지역에 적합합니다.

지하수 재충전: 이는 빗물이나 재활용 물을 지하에 유입시켜 대수층을 보충하는 것을 의미합니다.  기술로는 재충전 저수지, 침투 연못 구축 및 투과성 포장재 사용이 포함됩니다.  이는 많은 지역에서 주요 담수원인 지속 가능한 지하수 공급을 보장하는 방법입니다.

태양열 정수기: 태양 에너지를 사용해 오염된 물이나 염수를 증발시키고, 응축된 물을 증류수로 수집하는 간단한 기술입니다.  이 방법은 소규모 적용에 더 적합하며, 햇빛이 풍부한 원격 지역에서 특히 유용합니다.

이러한 각 기술은 지리적, 기후적, 경제적 고려 사항에 따라 적용 분야가 다릅니다.  많은 경우, 신뢰할 수 있고 지속 가능한 물 공급을 보장하기 위해 이러한 기술들을 조합하여 사용합니다.