매사추세츠 공과대학교(Massachusetts Institute of Technology, MIT)와 중국의 공학자들로 구성된 국제연구팀은 태양광으로 전력을 공급받으며, 수동으로 구동되는 담수화 시스템을 개발했다고 밝혔다.

국제연구팀의 이번 연구는 지난 9월 27일에 『줄(Joule)』 저널에 게재됐다.

담수화 시스템에 유입된 해수는 바다의 '열염분 순환(Thermohaline Circulation)'과 유사한 방식으로 순환된다. 이러한 순환은 물을 태양열로 증발시키고 염분만 남게 하며, 생성된 수증기는 응축돼 음용이 가능한 수준의 물로 포집된다. 남겨진 염분은 시스템에 축적돼 막히지 않고 장치 안팎으로 계속 순환된다. 

이 새로운 시스템은 현재 테스트 중인 다른 모든 수동형 태양광 담수화 시스템보다 물생산 속도와 염분 제거율이 더 높다.

국제연구팀은 이 시스템이 작은 여행용 가방 크기로 확장될 경우, 시간당 약 4~6리터의 담수를 생산할 수 있고, 수년간 부품 교체가 필요 없을 것으로 예상했다. 이러한 규모와 성능을 갖춘 시스템은 수돗물보다 가격이 저렴하고 빠른 속도로 담수를 생산할 수 있어 주목된다.

레난 장(Lenan Zhang) MIT 기기 연구소의 연구원은 “처음으로 자연광에 의해 생성된 물이 수돗물보다 더 저렴할 수 있게 됐다”라고 말했다.

국제연구팀은 이 시스템의 규모가 확장될 경우, 한 가정에서 사용하기에 충분양의 물을 생산할 수 있을 것으로 예상했다. 또한 이 시스템은 해수에 쉽게 접근할 수 있는 해안지역에도 공급해 활용할 수 있다.

장 연구원 외에 이번 연구에 참여한 공동 저자로는 MIT 대학원생인 양 중(Yang Zhong)과 포드 공학대학교 교수인 에블린 왕(Evelyn Wang), 중국 상하이 자오통 대학교(Shanghai Jiao Tong University)의 진퉁 가오(Jintong Gao), 진팡 유(Jinfang You), 지뉴 예(Zhanyu Ye), 루주 왕(Ruzhu Wang) 및 젠위안 쉬(Zhenyuan Xu)가 있다.

국제연구팀의 이 새로운 시스템은 '스테이지'라고 불리는 여러 층으로 이루어진 이전 디자인을 개선해 개발됐다. 각 스테이지에는 증발기와 태양열을 사용해 유입되는 물에서 염분을 분리하는 응축기가 포함돼 있다. 국제연구팀은 이 디자인을 MIT 건물 옥상에서 테스트 했으며, 태양광을 효율적으로 전환해 물을 증발시키고, 그 후 음용이 가능한 물로 응축했다. 그러나 남겨진 염분이 며칠 후 결정 형태로 빠르게 축적되면서 시스템을 막는 문제가 발생했다. 이러한 막힘 문제는 사용자가 실제 사용 환경에서  '스테이지'를 자주 교체하게 해, 시스템의 전체 비용을 크게 증가시킨다.

국제연구팀은 이러한 문제를 개선하기 위해 비슷한 층 구조의 해결책을 고안했는데, 이번에는 유입되는 물과 남은 염분을 순환시키는 기능을 추가했다. 이 디자인은 염분이 시스템에 침전돼 축적되는 것은 방지했지만, 상대적으로 담수화 속도를 낮췄다.

가장 최근의 연구에서, 국제연구팀은 물생산률과 염 제거율을 모두 높인 디자인을 개발했다. 이는 시스템이 장기간 동안 빠르고 안정적으로 식수를 생산할 수 있음을 의미한다. 새로운 디자인의 핵심은 두 가지 이전 개념, 즉 증발기와 응축기로 구성된 멀티 스테이지 시스템을 결합한 것으로, 이 시스템은 각 스테이지에서 물과 염분의 순환을 촉진하도록 구성했다.

국제연구팀의 새로운 시스템에서 생성된 작은 순환은 바다의 "열염분" 대류와 유사하다. 이는 해수 온도('열')와 염도('염분')의 차이에 따라 전 세계의 물 이동을 촉진하는 현상이다.

장 연구원은 “해수가 공기에 노출되면 햇빛이 물을 증발시킨다. 일단 물이 표면을 벗어나면 염분이 남게 된다. 그리고 염분 농도가 높을수록 액체의 밀도가 높아지고 무거워진 물은 아래로 흐르게 된다"라며 "작은 상자 안에서 1킬로미터 규모의 열염분 순환 현상을 모방함으로써 우리는 이 특징을 활용해 염분을 추출할 수 있다"라고 설명했다.

국제연구팀의 새로운 디자인의 핵심은 태양열을 효율적으로 흡수하는 어두운 소재로 덮인 얇은 상자 형태의 단일 스테이지이다. 이 상자 내부는 상단과 하단으로 분리돼 있으며, 태양열을 이용해 물을 증발시키는 증발기 층이 줄지어 있는 상단 부분을 통해 수증기가 흐르게 된다. 이 수증기는 상자의 하단으로 유입돼 여기서 응축층이 수증기를 냉각시켜 염분이 없는 물을 생산한다. 국제연구팀은 상자 전체를 더 크고 빈 용기 안에 기울어지게 한 다음, 상자 상단에서 하단까지 튜브를 부착하고, 용기를 바다에 띄웠다.

이 구성에서 물은 튜브를 통해 상자 안으로 자연스럽게 들어올 수 있으며, 기울여진 상자는 물이 태양열 에너지와 만나게 하면서 순환을 위한 소용돌이가 만들어지도록 유도한다. 이러한 소용돌이는 염분이 침전되거나 막히는 대신 순환을 유지하면서 상부 증발층과 물이 접촉하는 데 도움을 준다.

국제연구팀은 1단계, 3단계, 10단계로 구성된 여러 프로토타입을 제작하고, 천연 해수와 염도가 7배가 더 높은 물을 포함해 다양한 염도의 물에서 성능을 테스트했다.

국제연구팀은 이러한 실험은 통해 각 단계를 1제곱미터로 확장하면 시간당 최대 5리터의 물을 생산할 수 있으며, 시스템이 몇 년 동안 소금을 축적하지 않고 물을 담수화할 수 있다고 예상했다. 이러한 긴 수명과 완전히 수동으로 구동되는 이 시스템은 전력을 필요로 하지 않아 미국에서 수돗물을 생산하는 데 드는 비용보다 저렴할 것으로 추정한다.

텍사스 대학교 오스틴 캠퍼스에서 지속가능한 물 및 에너지 저장 시스템을 개발하며 이번 연구에는 참여하지 않은 귀화유(Guihua Yu) 는 "이는 담수화 분야의 주요 과제를 효과적으로 완화하는 매우 혁신적인 접근 방식이다"라며 “이 디자인은 특히 염도가 높은 물로 어려움을 겪고 있는 지역에 유용하다. 모듈식 설계로 인해 가정용 물생산에 매우 적합하며 개인의 요구 사항을 충족하는 확장성과 적응성이 우수하다”라고 말했다.

상하이 자오퉁 대학교의 연구는 중국자연과학재단(Natural Science Foundation of China)에서 자금을 지원을 받아 수행됐다.

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Desalination system could produce freshwater that is cheaper than tap water

MIT engineers and collaborators developed a solar-powered device that avoids salt-clogging issues of other designs.

Engineers at MIT and in China are aiming to turn seawater into drinking water with a completely passive device that is inspired by the ocean, and powered by the sun.

In a paper appearing today in the journal Joule, the team outlines the design for a new solar desalination system that takes in saltwater and heats it with natural sunlight.

The configuration of the device allows water to circulate in swirling eddies, in a manner similar to the much larger “thermohaline” circulation of the ocean. This circulation, combined with the sun’s heat, drives water to evaporate, leaving salt behind. The resulting water vapor can then be condensed and collected as pure, drinkable water. In the meantime, the leftover salt continues to circulate through and out of the device, rather than accumulating and clogging the system.

The new system has a higher water-production rate and a higher salt-rejection rate than all other passive solar desalination concepts currently being tested.

The researchers estimate that if the system is scaled up to the size of a small suitcase, it could produce about 4 to 6 liters of drinking water per hour and last several years before requiring replacement parts. At this scale and performance, the system could produce drinking water at a rate and price that is cheaper than tap water.

“For the first time, it is possible for water, produced by sunlight, to be even cheaper than tap water,” says Lenan Zhang, a research scientist in MIT’s Device Research Laboratory.

The team envisions a scaled-up device could passively produce enough drinking water to meet the daily requirements of a small family. The system could also supply off-grid, coastal communities where seawater is easily accessible.

Zhang’s study co-authors include MIT graduate student Yang Zhong and Evelyn Wang, the Ford Professor of Engineering, along with Jintong Gao, Jinfang You, Zhanyu Ye, Ruzhu Wang, and Zhenyuan Xu of Shanghai Jiao Tong University in China.

A powerful convection

The team’s new system improves on their previous design — a similar concept of multiple layers, called stages. Each stage contained an evaporator and a condenser that used heat from the sun to passively separate salt from incoming water. That design, which the team tested on the roof of an MIT building, efficiently converted the sun’s energy to evaporate water, which was then condensed into drinkable water. But the salt that was left over quickly accumulated as crystals that clogged the system after a few days. In a real-world setting, a user would have to place stages on a frequent basis, which would significantly increase the system’s overall cost.

In a follow-up effort, they devised a solution with a similar layered configuration, this time with an added feature that helped to circulate the incoming water as well as any leftover salt. While this design prevented salt from settling and accumulating on the device, it desalinated water at a relatively low rate.

In the latest iteration, the team believes it has landed on a design that achieves both a high water-production rate, and high salt rejection, meaning that the system can quickly and reliably produce drinking water for an extended period. The key to their new design is a combination of their two previous concepts: a multistage system of evaporators and condensers, that is also configured to boost the circulation of water — and salt — within each stage.

“We introduce now an even more powerful convection, that is similar to what we typically see in the ocean, at kilometer-long scales,” Xu says.

The small circulations generated in the team’s new system is similar to the “thermohaline” convection in the ocean — a phenomenon that drives the movement of water around the world, based on differences in sea temperature (“thermo”) and salinity (“haline”).

“When seawater is exposed to air, sunlight drives water to evaporate. Once water leaves the surface, salt remains. And the higher the salt concentration, the denser the liquid, and this heavier water wants to flow downward,” Zhang explains. “By mimicking this kilometer-wide phenomena in small box, we can take advantage of this feature to reject salt.”

Tapping out

The heart of the team’s new design is a single stage that resembles a thin box, topped with a dark material that efficiently absorbs the heat of the sun. Inside, the box is separated into a top and bottom section. Water can flow through the top half, where the ceiling is lined with an evaporator layer that uses the sun’s heat to warm up and evaporate any water in direct contact. The water vapor is then funneled to the bottom half of the box, where a condensing layer air-cools the vapor into salt-free, drinkable liquid. The researchers set the entire box at a tilt within a larger, empty vessel, then attached a tube from the top half of the box down through the bottom of the vessel, and floated the vessel in saltwater.

In this configuration, water can naturally push up through the tube and into the box, where the tilt of the box, combined with the thermal energy from the sun, induces the water to swirl as it flows through. The small eddies help to bring water in contact with the upper evaporating layer while keeping salt circulating, rather than settling and clogging.

The team built several prototypes, with one, three, and 10 stages, and tested their performance in water of varying salinity, including natural seawater and water that was seven times saltier.

From these tests, the researchers calculated that if each stage were scaled up to a square meter, it would produce up to 5 liters of drinking water per hour, and that the system could desalinate water without accumulating salt for several years. Given this extended lifetime, and the fact that the system is entirely passive, requiring no electricity to run, the team estimates that the overall cost of running the system would be cheaper than what it costs to produce tap water in the United States.

“We show that this device is capable of achieving a long lifetime,” Zhong says. “That means that, for the first time, it is possible for drinking water produced by sunlight to be cheaper than tap water. This opens up the possibility for solar desalination to address real-world problems.”

“This is a very innovative approach that effectively mitigates key challenges in the field of desalination,” says Guihua Yu, who develops sustainable water and energy storage systems at the University of Texas at Austin, and was not involved in the research. “The design is particularly beneficial for regions struggling with high-salinity water. Its modular design makes it highly suitable for household water production, allowing for scalability and adaptability to meet individual needs.”

Funding for the research at Shanghai Jiao Tong University was supported by the Natural Science Foundation of China.

[출처 = MIT(https://news.mit.edu/2023/desalination-system-could-produce-freshwater-cheaper-0927) / 2023년 9월 27일]

[번역 = 배민지 차장]