[미국] NEWT, 태양열 직접 이용한 담수화 모듈 방식 개발 중
멤브레인 증류와 광 수확 나노 포토닉스를 결합한 오프 그리드(off-grid) 담수화 기술이 휴스턴에 있는 라이스대학교(Rice University)의 ‘나노기술 활성화 수처리센터(NEWT)’에서 개발 중이다.
NEWT의 '나노 광자-활성화 태양 막 증류(nanophotonics-enabled solar membrane distillation)' 기술 또는 NESMD 는 국립과학아카데미(PNAS)의 논문집에 기술되어 있다.
직접 태양 담수화
NEWAT는 150개국에서 18,000개 이상의 담수화 설비를 운영하고 있지만 NEWT는 자사의 담수화 기술이 오늘날 사용되는 다른 기술과 다르다고 말한다.
연구를 주도하고 있는 라이스대학 과학자이자 수질전문가인 치린 리(Qilin Li)는 "직접 식염 담수화는 깨끗한 음용수에 대한 접근성이 부족한 약 10억 명의 사람들을 위한 게임 체인저가 될 수 있다"면서 "이 오프 그리드(off-grid) 기술은 가정에서 사용하기에 충분한 깨끗한 물을 소형 풋 프린트(footprint)로 제공할 수 있으며 대규모 커뮤니티에서 물을 공급할 수 있도록 확장될 수 있다"고 강조했다.
연구팀은 해수에서 담수를 만드는 가장 오래된 방법은 증류법이라고 설명했다. 소금물이 끓고, 증기가 포집되어 응축 코일을 통과한다. 그러나 증류에는 복잡한 인프라가 필요하며 물을 끓이고 증기를 생성하는 데 필요한 열의 양 때문에 에너지가 비효율적이다. 물 증류 시설 운영비용의 절반 이상이 에너지 비용이다.
막 증류는 담수화를 위한 새로운 기술이다. 고온의 염수는 다공성 막의 한면을 가로질러 흐르고 차가운 담수는 다른면을 가로질러 흐른다. 수증기는 고온에서 저온으로 멤브레인을 통해 자연적으로 흡인된다. 바닷물이 끓일 필요가 없기 때문에 에너지 요구량은 전통적인 증류법보다 적지만 열이 멤브레인의 고온에서 계속 손실되기 때문에 여전히 중요하다.
"기존의 멤브레인 증류와 달리 NESMD는 규모에 따른 효율성 증가로 이익을 얻는다. 최적의 증류액 전환을 위한 펌핑 에너지를 최소화해야 하며 더 생산적이고 효율적으로 기술을 최적화 할 수 있는 방법이 많이 있다"고 이번 논문의 저자이자 NEWT의 나노 포토닉스 연구의 리더인 라이스대학 할라스(Halas)는 말한다.
NEWT의 신기술은 할라스(Halas)의 연구실에서 연구를 기반으로 하여 증기를 생성하기 위해 햇빛의 80%를 수확하는 공학적 나노 입자를 제조한다. 시판중인 나노 입자를 다공성 멤브레인에 추가함으로써 NEWT는 멤브레인을 본질적으로 물을 가열하여 멤브레인 증류를 일으키는 일면 가열 요소로 바꾸어 놓았다.
"직접 태양광식 담수화를 위한 수질 정화막 내에서의 광열 난방기능 통합은 수질정화에 새로운 기회를 열어준다"라고 새로운 연구의 공동저자이자 NEWT의 수석연구원인 Menale' Menachem 'Meny'Elimelech는 말한다.
모듈러 시스템
PNAS 연구에서 연구자들은 세 우표의 크기와 단지 몇 밀리미터(㎜)의 두께에 대한 NESMD 챔버 테스트를 기반으로 한 개념 증명 결과를 제시했다. 챔버 내의 증류 막에는 다공성 폴리머에 주입된 카본 블랙 나노 입자의 특수 설계된 최상층이 포함되어 있다. 빛을 포획하는 나노 입자는 햇빛에 노출되었을 때 멤브레인의 전체 표면을 가열한다. 얇은 반 밀리미터(㎜) 두께의 소금물 층이 카본 블랙층 위에 흘렀고 차가운 담수 흐름이 아래로 흐른다.
치린 리(Qilin Li)는 "렌즈가 햇빛을 25번 집중시키는데 사용되었을 때 강도는 17.5kw/㎡로 증가했으며 물 생산량은 시간당 약 6lkw/㎡로 증가했다"면서 "햇빛을 집중시킴으로써 물 생산량이 크게 증가했다"고 말했다.
NEWT 팀은 이미 약 70cm×25cm 크기의 패널이 있는 훨씬 큰 시스템을 만들었다. 궁극적으로 사용자는 하루 물 수요에 따라 필요한 만큼의 패널을 주문할 수 있는 모듈식 시스템을 생산하기를 희망하고 있다.
치린 리(Qilin Li)는 "태양열 집열판과 마찬가지로 조립할 수 있다. 필요한 물 생성 속도에 따라 필요한 막 면적을 계산할 수 있다. 예를 들어, 시간당 20ℓ가 필요하고 패널이 1㎡당 6ℓ를 생산할 경우 3㎡ 이상의 패널을 주문할 수 있다"라고 강조했다.
[원문보기]
Direct solar desalination offers modular, off-grid water treatment
An off-grid desalination technology that combines membrane distillation with light-harvesting nanophotonics is being developed by the Centre for Nanotechnology Enabled Water Treatment (NEWT) at Rice University.
NEWT’s 'nanophotonics-enabled solar membrane distillation' technology, or NESMD, is described in an article in the Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Direct solar desalination
More than 18,000 desalination plants operate in 150 countries, but NEWT says its desalination technology is unlike any other used today.
“Direct solar desalination could be a game changer for some of the estimated 1 billion people who lack access to clean drinking water,” says Rice scientist and water treatment expert Qilin Li, a corresponding author on the study. “This off-grid technology is capable of providing sufficient clean water for family use in a compact footprint, and it can be scaled up to provide water for larger communities.”
The oldest method for making freshwater from salt water is distillation, the research team explains. Salt water is boiled, and the steam is captured and run through a condensing coil. However, distillation requires complex infrastructure and is energy inefficient due to the amount of heat required to boil water and produce steam. More than half the cost of operating a water distillation plant is for energy.
Membrane distillation is an emerging technology for desalination. Hot salt water is flowed across one side of a porous membrane and cold freshwater is flowed across the other. Water vapour is naturally drawn through the membrane from the hot to the cold side. Because the seawater does not need to be boiled, the energy requirements are less than for traditional distillation, but still significant because heat is continuously lost from the hot side of the membrane to the cold.
“Unlike traditional membrane distillation, NESMD benefits from increasing efficiency with scale,” explains Rice’s Naomi Halas, a corresponding author on the paper and the leader of NEWT’s nanophotonics efforts. “It requires minimal pumping energy for optimal distillate conversion, and there are a number of ways we can further optimise the technology to make it more productive and efficient.”
NEWT’s new technology builds upon research in Halas’ lab to create engineered nanoparticles that harvest as much as 80% of sunlight to generate steam. By adding low-cost, commercially available nanoparticles to a porous membrane, NEWT has essentially turned the membrane into a one-sided heating element that heats the water to drive membrane distillation.
“The integration of photothermal heating capabilities within a water purification membrane for direct, solar-driven desalination opens new opportunities in water purification,” says Yale University ‘s Menachem 'Meny'Elimelech, a co-author of the new study and NEWT’s lead researcher for membrane processes.
Modular system
In the PNAS study, researchers offered proof-of-concept results based on tests with an NESMD chamber about the size of three postage stamps and just a few millimetres thick. The distillation membrane in the chamber contained a specially designed top layer of carbon black nanoparticles infused into a porous polymer. The light-capturing nanoparticles heated the entire surface of the membrane when exposed to sunlight. A thin half-millimetre-thick layer of salt water flowed atop the carbon-black layer, and a cool freshwater stream flowed below.
Li says the water production rate increased greatly by concentrating the sunlight. “The intensity got up 17.5 kW/m2 when a lens was used to concentrate sunlight by 25 times, and the water production increased to about 6 l/m2 per hour.”
The NEWT team has already made a much larger system that contains a panel that is about 70 cm by 25 cm. Ultimately, they hope to produce a modular system where users could order as many panels as they needed based on daily water demands.
“You could assemble these together, just as you would the panels in a solar farm,” Li says. “Depending on the water production rate you need, you could calculate how much membrane area you would need. For example, if you need 20 l/hr, and the panels produce 6 l/hr per m2, you would order a little over 3 m2 of panels.”
[출처 = Filtration+Separation(www.filtsep.com) / 2017년 6월 21일]