[이탈리아] 담수화 장치 지속가능한 작업으로 이끌것

토리노 폴리테크니코 공대(Politecnico di Torino)가 메사추세츠 공과 대학(MIT)과의 합동 연구가 진행된 연구가 잡지 『Energy and Environmental Science』에 실렸다. 이 연구는 축적된 소금을 자연적으로 제거할 수 있는 태양의 담수화 장치를 제시하고 있다. 향후, 이 발견은 시간이 지나도 안정적인 효율을 가진 지속가능한 담수화 시스템의 개발로 이어질 수 있다.
 
물 담수화 기술의 치명적인 약점은 기기의 다양한 부품에서 소금 입자의 결정화가 이뤄지는 것이다. 이러한 막힘 현상은 시간이 지남에 따라 성능 저하를 야기하며, 장치의 내구성을 제한한다. 이 문제를 해결하는 것은 시간이 지남에 따라 지속적으로 담수를 생산하기 위해 중요하다. 최근에는 소금이 축적되는 것을 제한하는 저촉방지 특성을 가진 혁신적인 나노 구조의 재료가 제안되고 있다. 그러나 나노 구조 재료의 높은 가격은 제품의 대량 생산을 어렵게 만든다. 

이 문제에서부터 토리노 폴리테크니코 공대의 에너지 부의 연구팀(SMaLL)이 MIT와의 협력을 통해 담수화 장치의 소금 입자 수송의 기초가 되는 메커니즘을 연구했다.

특히, 토리노 폴리테크니코 공대의 연구원들은 소위 마랑고니 효과(Marangoni effect)에 의한 염분 수송의 차이가 크다는 것을 밝혀낸 바 있다. 이 발견을 바탕으로 토리노 폴리테크니코 공대의 연구자들과 MIT는 바닷물을 지속가능한 방법으로 담수화할 수 있는 시제품을 만들어 작업 중 축적된 염분을 자연적으로 제거할 수 있도록 했다.

마랑고니 효과는 일상에서 흔히 관찰할 수 있는 현상이다. 수액 상태에서 분자간의 결합을 통해 액체 분자가 서로 상호작용한다. 이를 응집력(cohesion forces)이라고 한다. 농도가 다른 두 용액은 응집력에 차이가 있다. 이러한 농도 변이, 즉 응집력은 액체가 낮은 농도의 지역에서 멀리 흘러가 재조정 과정(re-mixing process)을 야기한다. 이 효과는 와인의 '눈물'의 원인이 된다.

따라서 액체의 농도 변화에 따른 마랑고니 효과는 다른 농도의 용액의 재조정을 증가시키기 위해 설계되고 이용될 수 있다. 우리의 담수화 장치에서, 이 현상은 증발기에 소금이 축적되는 것을 피할 수 있게 하며, 증류수의 지속적인 생산성을 보장하고, 열화 대상 성분을 보호할 수 있다.

이 연구의 첫 저자인 폴리테크니코 공대의 마테오 모르시아노(Matteo Morciano)는 "이러한 효과를 최대한 활용할 수 있는 장치를 설계하고 미래의 상용화를 향해 한 걸음 더 나아가야 한다"고 말했다.

현재 담수화 장치는 약 1㎡당 태양에너지 흡수 면적을 고려할 때, 하루에 15ℓ 이상을 공급할 수 있다. 또한, 마랑고니 효과 덕분에 자발적 확산에 따른 예측보다 염분 제거 과정이 최대 100배 빨라 성분의 빠른 복원이 유리하다.

에 게재된 이 연구의 결과는 새로운 세대의 담수화 물질과 장치의 설계에 중요한 영향을 미칠 수 있으며, 축적된 소금을 자연적으로 세척할 수 있고 안정적이고 오래 지속되는 성능을 보장할 수 있다. 산업화 가능하고 보다 다양한 용도로 사용할 수 있는 시제품을 만들기 위한 목적으로 현재 폴리테크니코 공대의 클린워터센터(CleanWaterCenter)에서 추가 연구가 진행 중이다.

[출처 = Water World(https://www.waterworld.com/international/desalination/press-release/14185185/desalination-device-could-lead-to-more-sustainable-practice) / 2020년 10월 12일]