[미국] 애리조나대학 연구팀, 태양 활용 농축된 폐기물 흐름 정화

역삼투압은 식염수를 정화시키는 가장 흔한 방법 중 하나이지만, 그 과정에서 제한적인 결과가 나온다. 시스템으로 유입되는 물의 약 20%∼50%는 집중 폐수로 남아 있다.

폐기물을 격리된 지하 우물물에 주입하고 지표면적이 매우 넓은 연못을 이용해 물을 효율적으로 증발시키는 등 기존 농축된 물 흐름을 처리하는 방법은 여러 가지가 있다. 그러나 이러한 방법의 대부분은 비싸고, 시간이 많이 걸리며, 에너지 집약적이다.

애리조나 대학교의 엔지니어들과 과학자들로 구성된 팀이 이러한 농축된 폐기물 흐름의 물을 최대한 효율적으로 복구하기 위해 집중 태양열 발전, 태양광 발전, 막 증류 등 여러 종류의 기술을 결합한 태양열 담수화 시스템을 개발하고 있다.

이 과정은 더 적은 비용으로 에너지를 덜 사용하고 애리조나 같은 자원 부족 내륙 지역에 더 많은 물을 제공할 수 있다. 이 작업은 에너지부(Department of Energy)의 프로세스 강화 배치 제조 연구소(Process Intensification Deployment manufacturing institute)로부터 50만 달러의 자금을 지원받는다.

애리조나 대학교의 케리 히킨바텀(Kerri Hickenbottom) 화학환경공학부 조교수 겸 책임연구원은 "CSP(집중형 태양열발전)와 PV(태양광발전)를 모두 사용할 경우 PV나 CSP만 사용하는 기존 열 담수화 시스템에 비해 에너지 효율을 두 배로 높일 수 있다는 장점이 있다"고 말했다.

그는 이어 "이 오프 그리드 시스템(off-grid system)은 재생에너지 자원을 사용하여 전형적으로 폐기물 흐름으로 간주되는 고염도 농축액을 관리하는 방식을 변화시킬 것이다"라고 덧붙였다.

안드레아 아킬리(Andrea Achilli) 화학환경공학부 조교수, 제임스 C 와이언트(James C. Wyant) 광과학대학의 로버트 노우드(Robert Norwood) 교수도 이 프로젝트에 관여하고 있다.

이 사업은 이 대학이 최근 2020년 세계대학 학술순위 수자원 분야에서 미국 1위, 세계 2위로 선정된 것을 반영한 것이다.

■ 막 증류(Membrane Distillation)
애리조나 대학교의 연구팀은 광학센터 태양열 테스트베드(Optical Sciences Center solar testbed)를 이용해 연구를 진행하고 있다. 그들은 또한 아킬리(Achilli)가 감독하는 역삼투 시스템이 있는 인근 물 에너지 지속가능기술센터, 즉 WEST 센터와 협력하고 있다. 이 시스템은 팀이 테스트에 사용할 집중 스트림을 생성한다.

하이브리드 태양열 담수화 시스템(hybrid solar desalination system)은 막 증류라고 불리는 공정을 이용하여 농축 흐름을 정화하는데, 이것은 소수성 마이크로파성 막을 가로질러 온도 구배를 만드는 것을 포함한다.

막의 뜨거운 면에 있는 농축된 폐천은 막 표면에서 증발하여 막의 모공을 통해 기화하며 막의 차가운 면에 정제수로 응축되어 오염물질을 남긴다.

이 특수막은 고어텍스 원단과 유사해 원단을 통해 땀이 증발할 수 있지만 물이나 다른 습기는 들어가지 않는다. 그리고 나서, 그들은 남은 쓰레기 흐름을 액체에서 고체로 바꾸는 새로운 방법을 사용할 것이다.

히킨바텀(Hickenbottom)은 "막 전체에 걸쳐 추진력을 높이고 농업용 비료나 도로 제설제처럼 농축천에 추가 자원을 회수해 영액 방출을 달성할 수 있도록 실제로 새로운 종류의 결정체 설계를 개발하고 있다"고 말했다.

결정화된 물질은 다른 용도로 사용할 수 없더라도 액상 폐기물 흐름에 보관하기보다는 고체화하면 운반이 쉽고 비용도 적게 든다.

■ 시스템 전원 공급(Powering the System)
집중형 태양광발전과 태양광 발전은 모두 태양광에서 전기를 생산하는 방식이지만 전환경로는 다르다.

태양광 패널에 사용되는 기술인 태양광은 반도체 소재를 이용해 태양 빛을 직접 전기로 변환한다.

집중 태양열 발전은 태양열을 거울로 집중시킨 다음 증기 터빈이나 엔진을 사용하여 그 열을 전기로 변환하는 2단계 과정이다.

태양열 정수 시스템은 존재하지만, 이 시스템들은 집중된 태양열 발전이나 태양광 발전 중 하나를 사용한다. 예를 들어, 광전기를 사용하여 전기를 만든 다음 그 전기를 열로 전환하기 보다는, 노우드의 ARPA-E FOCUS 프로그램에 따라 개발된 집중 태양열 발전, 광전학 및 멤브레인 증류를 사용하는 하이브리드 시스템은 각 방법의 고유한 장점을 활용한다.

태양광 발전소에서 생산되는 전기는 펌프, 선풍기, 제어장치 등 보조부품을 가동하며, 집중 태양광으로 생산되는 태양광은 직접 물을 데우는 데 사용된다. 이 시스템의 또 다른 주요 이점은 북미 원주민 보호구역과 같이 소외된 지역에서 홀로 설 수 있다는 것이다.

히킨바텀(Hickenbottom)은  "이러한 형태의 에너지에서 다른 에너지로 갈 때 효율성이 떨어지기 때문에 태양 에너지를 전기를 생산하고 물을 직접 가열하는 데 사용하는 것이 PV나 CSP를 사용하는 기존 시스템보다 우리가 두 배 정도 효율을 갖추는 방법"이라고 말했다.

 "CSP 추적이라는 방법을 사용하여 PV의 전기 에너지 생산을 증가시킴으로써 전체적인 시스템 설치 공간과 비용도 줄일 수 있다."

연구진은 미국 에너지부가 후원하는 미국-메이드 챌린지 솔라 담수화상(American-Made Challenges Solar Deltaination Prize)에 기술을 제출했다.

900만 달러가 넘는 경품을 제공하는 4상 경진대회는 태양열 담수화 기술 개발을 앞당기기 위해 마련됐다. 그 도전의 일환으로, 그 팀은 그 프로젝트에 관한 90초짜리 비디오를 만들었다.

[원문보기]

Harnessing The Sun To Purify Concentrated Waste Streams

Reverse osmosis is one of the most common methods for purifying saline water, but the process produces limited results. About 20% to 50% of the water that enters the system remains as a concentrated waste stream.

There are several existing methods for handling concentrate streams, including injecting the waste into isolated underground wells and using ponds with very large surface areas to efficiently evaporate the water. However, most of these methods are expensive, time consuming and energy intensive.

A team of University of Arizona engineers and scientists is developing a solar-powered desalination system that combines several types of technologies ? including concentrated solar power, photovoltaics and membrane distillation ? to recover water from these concentrated waste streams with maximum efficiency.

The process uses less energy at a lower cost, and it could provide more water for resource-scarce inland regions such as Arizona. The work is funded by $500,000 from the Department of Energy's Rapid Advancement in Process Intensification Deployment manufacturing institute.

"The benefit of using both CSP (concentrated solar power) and PV (photovoltaics) is that we can double the energy efficiency compared to existing thermal desalination systems that just use PV or CSP," said Kerri Hickenbottom, assistant professor of chemical and environmental engineering and principal investigator for the project.

"This off-grid system will use renewable energy resources to transform the way we manage high-salinity concentrate typically considered as waste streams."

Andrea Achilli, also an assistant professor of chemical and environmental engineering, and Robert Norwood, a professor in the James C. Wyant College of Optical Sciences, are also involved with the project.

The project reflects the university's recent designation as No. 1 in the U.S. and No. 2 globally in the area of water resources in the 2020 Academic Ranking of World Universities.

Membrane Distillation
The team is conducting research using the Optical Sciences Center solar testbed. They are also collaborating with the nearby Water and Energy Sustainable Technology Center, or WEST Center, which houses a reverse osmosis system overseen by Achilli. The system produces the concentrate stream the team will use for testing.

The hybrid solar desalination system purifies the concentrate stream using a process called membrane distillation, which involves creating a temperature gradient across a hydrophobic microporous membrane.

The concentrated waste stream on the hotter side of the membrane evaporates at the membrane surface, vaporizes through the membrane pores and condenses as purified water on the cooler side of the membrane ? leaving the contaminants behind.

This specialized membrane is similar to Gore-Tex fabric, which allows sweat to evaporate through the fabric but doesn't allow water or other moisture in. Then, they'll use a novel method to turn the remaining waste stream from liquid to solid.

"We're actually developing a new kind of crystallizer design so we can increase the driving force across the membrane, recover additional resources in the concentrate stream like agricultural fertilizers and road deicers and achieve zero-liquid discharge," Hickenbottom said.

Even if the crystallized materials are not usable for other applications, solidifying them rather than keeping them in a liquid waste stream makes them easier and less expensive to transport.

Powering the System
Concentrated solar power and photovoltaics are both methods for generating electricity from solar energy, but their conversion pathways differ.

Photovoltaics, which is the technology used in solar panels, converts the sun's light directly into electricity using semiconductor material.

Concentrated solar power is a two-step process that involves concentrating the sun's heat, using mirrors, then converting that heat to electricity, using steam turbines or engines.

Solar-thermal water purification systems exist, but these systems use either concentrated solar power or photovoltaics. Rather than, for example, using photovoltaics to create electricity and then converting that electricity to heat, the hybrid system ? which uses concentrated solar power, photovoltaics and membrane distillation developed under Norwood's ARPA-E FOCUS program ? takes advantage of each method's unique benefits.

The electricity produced by the photovoltaics runs the auxiliary components, such as pumps, a fan and a control system, while the solar energy produced with concentrated solar power is used directly to heat up the water. Another major benefit of this system is that it can stand alone in off-grid areas, such as Native American reservations.

"You lose efficiency when you go from one form of energy to another, so using the solar energy to generate electricity and to heat the water directly is how we plan to be about twice as efficient as existing systems that just use PV or CSP," Hickenbottom said.

 "By using a method called CSP tracking to increase PV's electrical energy production, we can also reduce the overall system footprint and cost."

The researchers have submitted their technology for the American-Made Challenges Solar Desalination Prize, sponsored by the U.S. Department of Energy.

The four-phase competition, which offers over $9M in prizes, is designed to advance the development of solar-driven thermal desalination technologies. As part of the challenge, the team created a 90-second video about the project.

About The University of Arizona
The University of Arizona, a land-grant university with two independently accredited medical schools, is one of the nation's top public universities, according to U.S. News & World Report.

Established in 1885, the university is widely recognized as a student-centric university and has been designated as a Hispanic Serving Institution by the U.S. Department of Education. The university ranked in the top 20 in 2018 in research expenditures among all public universities, according to the National Science Foundation, and is a leading Research 1 institution with $687M in annual research expenditures.

The university advances the frontiers of interdisciplinary scholarship and entrepreneurial partnerships as a member of the Association of American Universities, the 65 leading public and private research universities in the U.S.

It benefits the state with an estimated economic impactof $4.1B annually. For the latest on the University of Arizona response to the novel coronavirus, visit the university's COVID-19 webpage.

[출처=워터온라인(https://www.wateronline.com/doc/harnessing-the-sun-to-purify-concentrated-waste-streams-0001) / 2020년 8월 5일]