왼쪽부터 교신저자를 맡은 기계공학부 김혜정 교수, 제1저자로 참여한 손예닮 석박통합과정생.(사진=고려대)
전 세계적으로 물 부족과 고농도 염수 처리 문제가 심화하면서 태양광으로 물을 증발·정화하는 ‘태양광 담수화 기술’이 주목받고 있다. 그러나 기존 태양광 증발기는 물 공급, 열전달, 소금 축적을 동시에 제어하기 어렵다. 장시간 사용 시에는 표면에 소금이 쌓여 성능이 저하되는 한계도 존재했다.
이에 연구팀은 고해상도 3D 프린팅으로 다양한 3차원 격자 구조를 제작했다. 이어 격자 모양에 따른 물 수송, 열전달, 소금 결정화 특성을 각각 분석했다. 동일한 소재와 표면 처리를 유지한 채 격자 구조만 변화시켜 소재가 아닌 설계에서 성능 차이가 나타나는 점을 확인했다.
연구팀은 최적화된 격자 구조의 높이를 5cm까지 확장해 윗면과 옆면 모두에서 물이 증발하도록 설계했다. 그 결과 표준 태양광 조건에서 1시간 동안 1m² 면적당 6.9kg의 물이 증발한 것으로 나타났다. 특히 전체 증발량의 68.7%가 측면에서 발생해 햇빛을 직접 받는 윗면뿐 아니라 구조 전체를 증발 면적으로 활용할 수 있음을 확인했다.
개발된 격자 구조는 고농도 염화나트륨 용액(20 wt%)에서도 성능 저하 없이 물을 모두 증발시켜 무방류 상태를 달성했다. 야외 실험에서는 인공 해수로 하루 최대 제곱미터당 47.7kg의 담수를 생산했다. 회수된 물의 주요 이온 농도는 음용 수로 활용할 수 있는 수준까지 낮아졌으며 메틸렌블루, 로다민 6G, 메틸오렌지와 같은 유기 오염물질에서도 정화 성능을 보였다.
이번 연구는 한국연구재단 우수진진연구사업 등의 지원을 받아 수행했다. 이번 연구 성과는 저명 국제학술지(Nature Communications)에 7월 22일 자로 게재됐다.
김혜정 교수는 “소재뿐 아니라 격자의 모양과 배열을 어떻게 설계하느냐가 태양광 담수화 성능을 좌우한다는 점을 보여준 연구”라며 “고염도 환경에서 높은 담수 생산과 염 회수를 동시에 구현하고, 장기간 안정적으로 작동하는 지속가능한 수처리 기술로 발전할 것”이라고 했다.
