대기 물 수확: 공기에서 물 추출의 희망

원문 링크 : https://www.theearthandi.org/post/atmospheric-water-harvesting-hope-from-extracting-water-from-air

공기에서 물을 포집하는 것은 새로운 일이 아닙니다. 예를 들어, 기원전 6세기에 테오도시아(현재는 페오도시아로 알려짐)를 세운 초기 그리스인들은 그릇 모양의 돌 응축기를 사용하여 공기 중의 물을 포집하여 일상적인 물 필요량을 충족했다고 믿어집니다.

그러나 우리의 상황은 매우 다릅니다.

지구 표면의 70% 이상은 물로 뒤덮여 있지만, 오늘날 강, 습지, 호수, 늪의 표면에 있는 담수 중에서 인간이 마실 수 있는 것으로 간주되는 것은 극히 일부에 불과합니다.

물 저장고의 부적절한 관리, 식수원 오염, 높은 산업 및 가정용 물 수요, 인간 갈등, 건설 증가, 산업 및 농업 개발, 기후 변화는 지난 수십 년 동안 식수 감소에 지속적으로 기여해 왔습니다. 유엔 아동 긴급 기금(UNICEF)에 따르면 전 세계적으로 약 40억 명이 매년 최소 한 달 동안 심각한 물 부족을 겪고 있습니다. 전 세계 인구의 절반 이상이 2025년 초에 지속적인 물 공급이 부족한 국가에 거주할 수 있습니다.

물 부족은 세계적인 과제가 되었으며 향후 몇 년 동안 악화될 것으로 예상됩니다. 그 결과, 모든 사람에게 안전한 식수를 제공하는 지속 가능한 솔루션에 대한 전 세계의 관심이 상당합니다.

폐수 재활용, 해수 담수화, 빗물 수확을 포함한 여러 기술이 물 부족을 완화할 수 있는 능력에 대해 조사되었습니다. 그러나 이러한 기술 각각에는 고유한 실용적인 문제가 있습니다. 대기 물 수확(AWH) 기술은 최근 지구 대기에서 간과된 물을 사용하여 물 접근을 분산시키는 유망한 대안으로 등장했습니다.

AWH의 잠재력은 엄청날 수 있습니다. 지구의 물 순환은 생물권에서 중요한 역할을 하며, 지구 대기는 모든 호수와 강에서 발견되는 담수의 약 10%를 보유하고 있으며, 지리적 영역과 수문학적 조건에 관계없이 12,900억 톤의 담수 에 해당합니다 .

대기수확의 작동 원리

AWH 기술은 주변(주변) 공기에서 담수를 수증기나 물방울로 추출하여 수집하는 프로세스입니다. 이 기술은 대기 중에 존재하는 증기나 액체 분자가 고체 물질이나 흡착제로 확산되어 흡착제와의 물리적 상호 작용이나 화학 반응을 통해 흡착제의 구조와 부피를 변경하는 벌크 현상에 기반합니다.

최신 AWH 기술은 에너지 활용 방식에 따라 세 가지 주요 종류로 나눌 수 있습니다. 1) 추가 에너지 입력 없이 작동하는 수동적 물 수확 시스템, 2) 전기와 같은 추가 에너지 입력으로 작동하는 능동적 물 수확 시스템, 3) 태양열로 구동되는 흡습성 물 수확 시스템입니다.

일반적으로 수동 물 수확 시스템은 구성하기 쉽지만 물 추출 용량은 극히 작습니다. 멤브레인 분리 및 열전 냉각을 포함하는 시스템을 포함한 능동 물 수확 시스템은 정교하고 규모가 크며 비교적 많은 양의 전기 에너지가 필요합니다. 그러나 물 추출 공정은 비교적 많은 양의 물을 생산합니다.

태양열 구동 흡습성(공기에서 물을 흡수) 물 수확 시스템은 간단하고 쉬운 설치, 저렴한 비용 및 환경 친화성으로 인해 가장 유망한 것으로 간주됩니다. 이러한 태양열 구동 AWH 생성기는 흡착-탈착 공정을 기반으로 하며 금속-유기 골격(MOF)( 하이브리드 결정질 다공성 재료 ), 고분자 및 다공성 흡착제 및 하이드로젤을 포함한 흡습성 흡착제를 사용합니다. 많은 흡착제 중에서 하이드로젤은 우수한 친수성( 물에 쉽게 흡수되거나 용해됨) , 조정 가능한 표면 특성, 기계적 및 열적 특성, 저렴한 비용, 쉬운 기능화, 원료의 상대적 풍부함, 재생 가능성 및 환경 친화성 으로 인해 대기 물 수확기로서 상당한 주목을 받았습니다.

하이드로젤은 구조를 변형시키지 않고 물을 흡수하고 유지할 수 있는 친수성 폴리머의 3차원(3D) 가교 네트워크입니다. 일반적으로 하이드로젤은 총 중량(또는 부피) 기준으로 약 10%의 물로 구성됩니다. 하이드로젤 은 출처(천연 또는 합성), 폴리머 구성(결정질, 반결정질 또는 비정질), 폴리머 조성(단일 폴리머, 공중합체 또는 다중 폴리머), 네트워크 가교(화학적 및 물리적), 네트워크 전기적 전하(중성, 음이온성, 양이온성 및 양쪽성-양전하 와 음전하를 모두 가짐 )에 따라 분류할 수 있습니다.

그림 1은 하이브리드 하이드로젤 기반 AWH의 개념적 설계를 보여줍니다. 그림 1에서 볼 수 있듯이, 물은 밤에 추출되고 태양 에너지의 도움으로 낮에 방출될 수 있습니다.

©AC에 따라 허가됨

양쪽이온성 하이드로젤은 폴리머 사슬과 함께 양전하 양이온성 및 음전하 음이온성 작용기를 가진 새로운 종류의 하이드로젤입니다. 다른 하이드로젤과 달리 양쪽이온성 하이드로젤은 매트릭스에 염화리튬(LiCl) 및 염화칼슘(CaCl2)과 같은 흡습성 염을 함유하여 작은 물방울이 더 큰 물방울로 합쳐집니다.

폴리머 사슬과 조화를 이루는 흡습성 소금은 항폴리전해질 효과, 즉 쌍성이온의 폴리머 사슬이 물에서는 수축하지만 소금 용액에서는 확장되는 방식을 통해 잠재적으로 수분을 추출할 수 있습니다.

첫째, 매트릭스에 존재하는 흡습성 염은 대기에서 물을 추출하여 현장(on site) 액화를 용이하게 합니다 . 이어서 물이 하이드로젤에 흡착됩니다. 흡습성 염의 존재는 또한 쌍이온 하이드로젤의 팽창 특성을 개선하여 더 높은 물 저장으로 이어집니다. 예를 들어, 쌍이온 하이드로젤은 탈염수가 존재할 때 100~1,000배까지 팽창할 수 있습니다.

양쪽 이온 하이드로젤에 양전하와 음전하를 띤 작용기가 존재하면 염이 더 안정되고 매트릭스에서 침출되어 구조가 손상되는 것을 방지할 수 있습니다. 따라서 양쪽 이온 하이드로젤은 AWH에 유망한 전략으로 여겨지며, 이는 Lei와 동료 연구진의 최근 연구 에서 입증되었습니다 . 이 연구에서 그들은 양쪽 이온 하이드로젤 1g당 0.62g의 수증기 흡착 AWH 용량(30% 상대 습도에서 120분 이상)을 달성했으며, 하이드로젤 1kg당 일일 담수 생산량은 5.87L였습니다.

Aleid와 동료들의 또 다른 연구 에서는 탄소 나노튜브(CNT)를 광열 성분으로 하는 태양열 구동 쌍이온 하이드로젤을 고안했는데, 이는 쌍이온 하이드로젤 1g당 1.30g의 수증기 흡착 AWH 용량을 달성했습니다(25°C, 상대 습도 60%). 그림 2는 LiCl이 포함된 쌍이온 하이드로젤의 물 흡착 메커니즘을 개략적으로 나타낸 것입니다. 그림 2에서 볼 수 있듯이 LiCl이 있으면 쌍이온 하이드로젤의 물 흡착과 팽창이 향상됩니다. 다른 많은 하이드로젤과 달리 쌍이온 하이드로젤은 모든 기상 수분 수확에 적합하므로 건조하고 내륙에 둘러싸인 지역에 담수를 제공할 수 있습니다.

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쌍이온 하이드로젤의 잠재력

AWH 기술에서의 사용 외에도, 쌍이온 하이드로젤은 전기 생산에 중요한 의미를 갖습니다. 쌍이온 하이드로젤 기반 에너지 생성기는 항폴리전해질 효과에 기반한 기계적 운동에 의해 구동됩니다. 원통형 피스톤에 놓인 하이드로젤은 항폴리전해질 효과를 기계적 힘으로 변환하여 물의 흡착 및 탈착 중에 지속적으로 위아래로 움직일 수 있습니다.

결론적으로, 쌍이온성 하이드로젤을 포함한 하이드로젤 기반 AWH 기술은 세계 여러 지역에서 접근 가능한 거대한 물 저장소인 습한 공기에서 물을 추출하는 데 큰 가능성을 보여줍니다. 게다가, 쌍이온성 하이드로젤은 모든 날씨에 물 수확기로 사용할 수 있습니다. 하이드로젤 기반 AWH 기술은 개발 단계에 있으며 상당한 가능성을 보여주고 있지만, 쌍이온성 하이드로젤을 에너지 효율적이고 지속 가능하며 산업적으로 확장 가능하고 비용 효율적인 AWH로 확립하기 위해 수행해야 할 작업이 아직 많이 있습니다. 높은 물 수확 용량으로 인해 널리 주목을 받고 있는 폴리쌍이온성 하이드로젤은 미래에 건조 지역에 물을 공급하고, 식수를 생산하고, 재난 후 비상 상황에 대처하는 데 엄청난 역할을 할 수 있습니다.

*Dr. Rohan S. Dassanayake is a Senior Lecturer at the Department of Biosystems Technology, Faculty of Technology, University of Sri Jayewardenepura, Homagama 10250, Sri Lanka.