재료연구 관점에서의 해수 담수화 기술, wood- Graphene Oxide system

재료연구 관점에서의 해수 담수화 기술, wood- Graphene Oxide system

Materials Research Article : 효과적인 솔라스팀 생성과 담수화를 위한 wood- Graphene Oxide system

 국제인구행동연구소(PAI；Population Action International)에서 전세계 국가를 대상으로 평가해 물이 부족하다고 분류한 일군의 나라를 말한다. 강우 유출량을 인구수로 나누어 1인당 물 사용 가능량이 1000㎥ 미만은 물 기근국가, 1000㎥ 이상에서 1700㎥ 미만은 물 부족국가, 1700㎥ 이상은 물 풍요국가로 분류한다[1]. 

[사진 1. 가뭄에 메마른 땅] 

출처: 연합뉴스

타는 듯 한 가뭄에 몸서리 치는건 사람만이 아니다. 부족한 농업용수로 인한 농경피해가 심각했다. 오죽하면 장마가 와도 강수량이 충분치 않아 ‘마른장마’라는 이름이 붙었을까. 지난5월 정부는 계속되는 가뭄으로 보령댐을 개방하여 농업용수를 보충하겠다고 발표했지만, 오히려 댐 하류의 수중 염분 농도가 증가하여 농사를 망칠 것 이라고 반발하였다. 모내기철 적정 염분 온도인 1000ppm의 유지가 사실상 불가능해진 것이다[2].

지구의 70%인 물. 이 다양한 형태로 있는 물을 담수화 과정에는 두 가지 방법이 있다. 첫 번째로는 끓여서 염분을 분리하는 thermal desalination과, 농도 차이를 이용하여 분리하는 reverse osmosis이다. 이 두 가지 방법은 해수를 무한한 자원으로 만들어 주는, 아주 오래 전부터 이용되어져 왔다. 그 중 Solar water desalination (thermal desalination 방법 중 하나)은 태양에너지를 이용하는 방법으로, 지속적이고 재생가능한 에너지원으로 각광받고 있다. 하지만 태양열 에너지가 집중되지 못함으로써 발생하는 열 손실이 문제다. 쉽게 말해서, 대량의 물에 전반적으로 에너지를 가하는 것이 아니라, 집중적인 열을 가함으로써, 열 에너지가 온전히 증발열로 변환될 수 있는 구조가 필수적 이라는 이야기다. 이 문제를 위층은 태양열을 집열하는 흡수체, 그리고 아래층은 이 열을 보존하는 낮은 열 전도체(low thermal conductivity)의 이중구조를 통해서 해결할 수 있다.

 

[그림 1. 발열체와 단열체의 개념적 구조]

 

이 구조에 쓰이는 발열체로써 많은 재료들이 연구되었고, 그 중 plasmonic nanostructures 는 가시광선과 nearinfrared (NIR) regions 에서 폭넓은 흡수와 산란을 일으켜 높은 에너지를 방출 시킨다. 이 때문에 graphene, carbon black nanoparticles, carbon foam 등 카본을 기반으로 한 물질들이 solar steam generation 연구에 활용되어 왔다[3,4]. 최근 워싱턴 대학의 연구팀은 reduced GO/bacterial nanocellulose 를 이용하여 안정적이고 높은 효율의 solar steam generation을 보고하였다. 단순한 나무토막은 Graphene Oxide의 열 흡수차이는 아래의 그래프를 통하여 확인할 수 있다. 임의의 단위이긴 하지만 나무토막은 0.7, Graphene Oxide는 1.75의 큰 차이를 보인다.

[그래프 1. 일반 나무와 Graphene Oxide 가 도포된 나무의 열 흡수율 비교 및 Graphene AFM 이미지]

 

 

출처: 참고문헌[5]

 

solar steam generation 에서는 발열체만큼 중요한 단열체가 필요한데, 열의 확산을 막고, 물에 떠 있을 수 있어야 하며, 값싼 단가의 물질이어야 한다. aluminum oxide (AAO) membrane, gauze, paper 그리고 biofoam 등의 물질이 적합성을 보였으나 워싱턴 대학의 연구팀은 high porosity(높은 공극률), lightweight(가벼운 무게), low thermal conductivity(단열) and hydrophilicity(물에 녹지 않는) 조건을 모두 만족시키는 나무토막을 사용하였다. 연구팀은 나무속에 있는 섬유관을 microchannels로 이용하여 고효율의 solar steam generation system을 제작하였다. 

[사진 2. 일반 나무 단면의 저배율, 고배율, 단면 SEM 이미지]

 출처: 참고문헌[5]

 solar steam generation system의 구조는 간단하다. Graphene Oxide가 코팅된 이때 상부에는 코팅된 Graphene Oxide가 적외선과 가시광선을 흡수하여 열에너지를 받게 된다. (흡수하는 광선의 파장이 작을수록 높은 에너지를 갖는다.) 이렇게 가열된 나무토막 상단에 물이 한꺼번에 많이 공급되면 증발하기 전에 표면이 식어버리게 되는 것이다. 이때 물 위에 띄워 놓은 나무토막 안에 있는 미세기공들을 따라서 물이 인력에 의해 올라가게 된다. 이렇게 천천히 나무토막 사이에서 배어나오면서 가열되어 증발하게 되고, 하부에 있는 물로 열이 흡수되지 않아 상단표면만 가열하여 에너지를 집중시길 수 있는 것이 이 system의 장점이라고 할 수 있다. solar steam generation system에서 증발된 물을 다시 얻어 식수로 사용할 수 있다는 것이다.  

[그림2. solar steam generation system 제작 과정] 

출처: 참고문헌[5]

 

완성된 solar steam generation system의 발열체 특성평가는 IR images 통하여 확인할 수 있다. 아래의 그림과 그래프는 808 nm 파장대의 레이저를 조사하였을 때 경과하는 시간과 온도를 보여준다. 600초가 경과했을때는 70도까지 가열될 수 있으며, 발열체인 Graphene Oxide의 유무에 따른 온도차이를 확인할 수 있다. 추가적으로 Bulk water으로의 열 확산이 거의 없는 것 또한 확인할 수 있다.

[그래프 2. solar steam generation system 발열 분포]

 출처: 참고문헌[5]

[사진3. 빛을 받아 증발하는 물] 

출처 : 참고문헌[5]

 

 이 연구팀에서 발표한 solar steam generation system 간단하게 나무토막 위에 Graphene Oxide Flake를 분산시킴으로써 이제까지의 많은 연구들보다 손쉽고 값싸게 solar steam generation system를 만들 수 있는 방법을 제시하였다. 기술의 발견이나 수치의 해석보다 생각의 발상이 돋보이는 논문이었다. 재료연구의 관점에서 볼 때 기존의 많은 기술들이 있지만, 자연의 재료에서 원하는 것을 손쉽게 구현해 냄으로써 이전의 연구들이 허무하게 느껴지는 점도 있지만, 연구의 결과 보다는 과정에서 해석에 따른 연구방법을 익히기 좋은 논문들이라고 생각된다. 특히 이 기사를 작성함으로써 한 주제의 연구진행 절차를 간략하게 설명하고자 하였다. 앞으로 탄소나 자연물을 이용한 응용연구 또한 이루어져야 한다고 여겨지는 결과이다.

 

 

참고문헌

 

[1] [네이버 지식백과] 물부족국가 [─不足國家] (두산백과)

[2] 뉴스원, 2017-05-22 일자 유승일기자. ‘부사호 염도 지난해 3배 증가, 간척지 모내기 차질 불가피’.

[3] PANS. 2016, 113, 49, 13958

[4] Adv. Mater. 2015, 27, 4302–4307

[5] ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 7675−7681