KR101934603B1 - 대기 중의 물을 추출하는 구조물, 이의 용도 및 이를 이용한 식물 재배방법 - Google Patents

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Abstract

큰 용적의 공기로부터 수증기를 흡수하여, 적은 용적의 흡습성 액체(14)로 농축시키고, 선택층(12)을 통과시켜 수증기를 회수하는 방법에 의해, 공기로부터 수증기를 추출한다.

Description

대기 중의 물을 추출하는 구조물, 이의 용도 및 이를 이용한 식물 재배방법{A STRUCTURE FOR EXTRACTION OF WATER FROM AIR, USE THEREOF AND METHOD OF CULTIVATION OF PLANTS USING THE SAME}
본 발명은 대기로부터 물(수분)을 추출하는 방법에 관한 것이다.
양질의 식수 공급이 세계적으로 턱없이 부족한 실정이다. 공식적인 지표에 따르면 지구 상의 약 15억 인구가 충분한 수질의 식수에 대한 혜택을 누리고 있지 않다. 오염된 물을 마시기 때문에 8초마다 한 명의 어린이가 사망하고 있다.
특히 건조한 지역에서 인간에게 식수를 제공해야 할 필요가 절실하다. 불충분한 빗물을 보충하기 위해, 다양한 기술이 소개되어 왔다. 해안 지역에서는 다단계 증류법 또는 역삼투법에 의해 고비용을 들여 해수로부터 물을 얻고 있다.
산업적 규모로 물을 생산하기 위해서는 기반 시설 및 운용에는 물론 에너지에도 많은 투자가 이루어져야 한다. 이러한 시스템들은 해수나 염수가 없는 내륙에서는 사용될 수 없다. 대량 생산되는 물은 물 생산 자체보다 최대 10배의 비용이 더 드는 파이프 체계에 의해 분배된다. 또한, 최종 사용자에게 이를 때까지 라인 파손 또는 다른 결함을 통해 물이 오염될 수 있거나, 부분적으로 손실될 수 있다. 상기 시스템은 대부분 인구밀도가 낮은 내륙 지역들에 대해서 부적합하다.
따라서, 인류를 위해, 편리하면서 저가인 대체 정수 공급원이 절실히 필요하다. 농업 용수 공급 역시 절실히 필요하다.
대기 습도는 잠재적으로 매우 유망한 정수 공급원이다. 이러한 잠재성이 크게 알려져 있지는 않은데, 그 이유는 사람들이 얼마나 방대한 양의 물이 수증기 형태로 대기 중에 함유되어 있는 지 깨닫지 못하기 때문이다. 정상적인 조건 하에서, 1 km3의 대기는 길이 1,000m, 폭 15m, 깊이 1m의 강을 구성하기에 충분한 물을 함유한다. 이러한 양의 물(15,000,000 리터)은 5백만 인구를 위한 일일 식수 공급량과 맞먹는다. 지구 상에는 습한 대기의 무한 공급원이 있다. 사하라 사막과 같이 평균 습도가 30% 평균 상대습도(RH)인 건조한 곳에서도, 각 km3의 대기는 길이 1,000m, 폭 3m, 깊이 1m의 강을 함유한다! 대기의 습도는 해풍에 의해 지속적으로 재생되므로, 고갈될 수 없다. 대기는 세상의 모든 강이 품고 있는 물보다 10배 더 많은 물을 함유하며, 지구 상에서 정수의 무한 공급원이다. 모든 대륙의 물은 대기 습도의 강수량으로부터 유래한다.
대기 중의 물을 얻기 위한 많은 시도가 있어왔다. 수증기 형태의 물은 액체 형태보다 훨씬 더 높은 에너지를 가지며, 수증기의 응축은 강한 발열 공정이다. 대기 중의 물을 회수하는 작업은 문헌에 제공된 냉각법, 공기 압축법, 고체 흡착제 상에서의 흡착법, 액체 흡착제 내에서의 흡수법 및 다수의 기타 방법으로 시도되었다.
액체 또는 고체 건조용(desiccating) 물질을 이용하는 방법이 예를 들면 미국특허들 제2,138,689호, 제2,462,952호, 제4,146,372호, 제4,185,969호, 제4,219,341호, 제4,285,702호, 제4,304,577호, 제4,342,569호, 제4,345,917호, 제4,374,655호 및 제6,588,225호, 미국출원 제20050103615호, 프랑스특허 제2,813,078호, 국제특허 제09966136호 및 제106649호에 기재되어 있다.
물의 탈착용으로 종종 태양열을 사용한다. 물의 증발열이 550 kcal/kg이므로, 다른 에너지 공급원을 사용한다는 것은 엄두도 못 낼 정도로 비쌀 수 있다.
많은 발명가들은 중간 과정에서 에너지를 회복하기 위해 노력한다. 그러나, 이에는 추가 설비가 요구되고, 비용 상승이 발생한다. 물이 부족한 곳에는 태양 에너지가 무료로 충분하게 널려 있는 한편 재정 지원은 없다는 점이, 간과된 단순한 사실이다.
빈곤 인구층을 위한 모든 상당한 규모의 정수 생산에 시도된 방법들 중 어느 것도 성공하지 못했다. 주요 원인은 모든 시험 방법이 고비용에, 복잡하고, 기반 시설 및 에너지에 많은 투자가 이루어져야 하며, 수율이 낮다는 것이다. 최종 사용자, 특히 가난한 나라의 최종 사용자는 고가의 식수를 감당할 수 없다.
대기로부터 정수를 얻기 위한 적합한 방법이 인류에 필요하다. 이러한 방법은 간단하면서 신뢰성이 있어야 한다. 상기 방법은 고가의 파이프 시스템을 사용할 필요 없이 한 마을용 또는 심지어 가정용으로 분산화된 소단위로 적용될 수 있어야 한다. 상기 방법은 어떠한 화석 에너지도 요구해서는 안된다. 상기 방법은 교육수준이 낮은 사람들도 수월하게 작동하고, 쉽게 얻을 수 있는 재료의 장소에 구성되어야 한다. 또한, 상기 방법은 실수나 사고의 경우에 조차도, 어떠한 방식으로든 환경을 오염시켜서는 안된다. 상기 방법은 심지어 시스템을 사용하면서 심각한 고장이 발생하는 경우에서도 사용자를 위험에 빠뜨리면 안된다. 상기 방법은 초등 교육만 받은 사람들도 쉽게 이해할 수 있어야 한다. 상기 방법은 지나친 배관 비용과 기반 시설 비용을 없애도록 물의 사용처에서 또는 인접한 곳에서 수행되어야 한다.
놀랍게도, 본 출원인들은 이러한 방법 및 구조를 발명하는데 성공하였으며, 상기 방법과 구조를 본원에 개시하기로 한다.
따라서, 본 발명은 상술한 바와 같은 방법과 구조를 제공하는데 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 수단은 특허청구범위를 포함한 이하에 상술한다.
도 1은 글리세롤과 LiCl로부터의 물 탈착을 나타낸다.
도 2는 글리세롤과 LiCl에 의한 물 흡수를 나타낸다.
도 3은 접이식 빨래줄형 스탠드를 사용하는 물 흡수 기구의 예를 나타낸다.
도 4는 글리세롤 공급 라인의 상세도를 나타낸다.
도 5는 태양광을 사용하는 물 회수 장치의 예시도이다.
도 6은 일반 열원을 사용하는 물 회수 장치의 예시도이다.
도 7은 본 발명에 따른 완전한 물 채취 시스템의 예시도이다.
도 8은 소형(compact) 물 회수 모듈의 예시도이다.
도 9는 물 회수 모듈의 유로에 대한 상세도이다.
도 10은 48개 모듈을 위한 지지 구조를 나타낸다.
대기 중의 물을 채취하기 위한 수단 및 방법
대기 중에 있는 물의 양은 조건에 따라 1 ml의 몇 분의 일로부터 고온다습한 지역에서의 1 m3당 30 ml가 넘는 등 다양하다. 가장 효율적인 물 추출 방식은 수증기를 흡습성 액체로 흡수하는 것이다. 이러한 공정은 자연적으로 발생하며, 대량 공기의 능동적 변위를 위해 고가의 구조물 및 많은 투자를 할 필요가 없다. 액체 흡착제는 높은 물 결합력을 가지며, 용이하게 수송될 수 있다. 액체 흡착제는 선택적으로 수증기를 흡착하고, 다른 대기 오염물질과 유해물질은 흡착하지 않는다.
모든 물 흡수 액체가 흡습성 액체라고 여겨진다. 모든 액체 물질이거나 고체 물질의 수용액일 수 있다. 이러한 물질은 예를 들면 염화리튬, 브롬리튬, 염화칼슘, 아세트산칼륨 및 기타와 같은 무기염이다. 또한 특히 유기 물질, 디하이드록실 알코올, 트리하이드록실 알코올, 이를테면 에틸렌 글리콜, 글리세롤 등이 적합하다. 그러나, 많은 기타 흡습성 물질 역시 작용하게 되므로 상기 목록은 본 발명의 범주를 제한하는 것이 아니다.
특히 바람직한 것은 글리세린이란 이름으로도 알려져 있는 글리세롤이다. 글리세롤의 IUPAC 명칭은 프로판-1,2,3-트리올이다. 글리세롤은 물에 대한 친화도가 높은 천연 생성물이다.
글리세롤의 큰 장점은 독성이 없고, 실제로 먹을 수 있다는 것이다. 옥수수로부터 바이오-연료를 생산하는 과정의 폐기물로서 막대한 양의 글리세롤이 수득된다. 따라서, 글리세롤의 가격은 매우 낮다.
최적의 조건 하에서, 글리세롤은 자신의 중량을 초과하는 물과 결합할 수 있다. 수증기 흡착 및 탈착 속도가 높다. 작용 범위 내 글리세롤 용액의 삼투압이 높기 때문에, 환경에 여러 달 노출되고 나서도 미생물로 인한 생분해 현상은 일어나지 않는다. 놀랍게도, 이러한 단 용액에 벌레들이 끼지 않는다. 글리세롤의 다른 큰 장점은 유출 또는 사고가 난 경우에 다음 비가 올때까지만 표면에 남아있다는 것이다. 희석된 형태에서, 글리세롤은 토양 속에서 미생물에 의해 분해된다. 유출된 글리세롤은 오염물질이 아니라, 토양 속에 존재하는 미생물에게 환영받는 영양분이며 에너지원이면서 탄소원이다. 글리세롤은 궁극적으로 이산화탄소 및 물로 생분해된다. 이와 같이, 글리세롤은 환경에 어떠한 위험을 미치지 않으면서 대량 스케일로도 사용될 수 있다.
유출된 후에는 토양 속에 잔류하고, 그 위에 식물이 자랄 수 없으며, 비가 온 후에는 지하수 속에 위험한 오염물질로서 영구적으로 남게 되는, 자주 제시되는 염화리튬 및 기타 무기염의 경우가 아니다.
많은 공기 질량을 고비용으로 복잡하게 이동시킬 필요가 없도록, 쉽게 구할 수 있는 표면 위에 있는 적합한 물 흡수제에 단지 공기가 접촉되도록 하는 것이 바람직하다. 공기 접촉은 어떠한 방식으로든지 강압적으로 이루어지지 않으며; 대류 방식 및 바람과 같은 공기 질량의 자연스러운 순환법을 단지 사용한다.
편리한 공기 접촉 표면은 커도 되며 쉽게 구할 수 있다. 이러한 접촉 표면은 집의 벽, 지붕의 일부, 언덕의 경사면, 얕은 연못의 표면 등일 수 있다. 상기 표면은, 가능하다면, 물 흡수의 효율을 낮추는 태양열을 피하기 위해 음지에 있거나 알맞게 덮혀야 한다. 물 흡수를 야간에 수행하는 경우에는 커버가 필요 없다.
야간 흡착 작업은 매우 건조한 지역, 심지어 대기의 상대습도가 100%에 이를 수 있고 찬 표면에서 자발적 응축 현상이 생기는 사하라 사막에서 특히 적합하다. 글리세롤의 수화 용액을 예를 들면 큰 용기, 저장조, 콘크리트 저수지, 연못, 또는 토양 내 적당한 플라스틱 시트로 라이닝된 홈에 적절하게 저장한다면, 유리하게는 물 추출작업을 주간에 진행할 수 있다. 이렇게 두 단계로 나누어 물을 채취하는 작업은 특정 사용처에 따라 큰 이점을 제공한다.
글리세롤의 물 채취력과 염화리튬의 물 채취력을 입증 및 비교하기 위해, 다음과 같은 실험을 수행하였다:
4 그램의 50% 글리세롤 또는 4 그램의 20% 염화리튬(양측 농도 모두 각각의 물 흡수 물질의 1/2 포화도에 해당됨)을 표면적 25 cm x 25 cm, 두께 0.4 mm의 면 시트 위에 뿌리고, 60℃의 정체 공기 인큐베이터 안에 넣었다. 중량이 시간에 따라 변화하였다. 도 1에 나타낸 결과에 따르면, 물이 글리세롤로부터 더 빠르게 방출되었다. 글리세롤이 LiCl보다 물에 대한 친화도가 더 낮기 때문에, 이러한 결과는 놀라운 것이 아니다.
다음으로는, 위의 건조된 시트들을 정체된 공기 및 66%의 상대습도 RH를 가진 20.1℃의 방 안에 걸어 놓았다. 중량 증가를 기록하였다. 이렇게 얻은 결과를 도 2에 나타내었다. 물 흡수의 초기 속도는 양쪽 경우에 비슷하였다. LiCl은 더 많은 양을 물을 흡수한다. LiCl은 다소 더 높은 용량을 가진다. 그러나, 고농도의 LiCl은 고점도를 가지며, 이러한 상태로 실제 설비에 사용될 수 없다는 것이 언급되어야 한다.
물 흡수의 속도는 바람 속에서 보다 정체 공기 속에서 훨씬 더 느리다. 바람은 물 흡수를 상당히 증가시킨다. 바람에 의해 이동되는 물의 양은 엄청나다.
정상 조건 하에서, 24시간 동안 단지 0.5 m/s로 가볍게 이동하는 공기와 관련하여, 약 2 m x 1 m의 개방된 문을 통과하는 수증기의 양은 약 1,300 리터 물 부피와 대등하다.
LiCl은 물론 기타 흡습성 염은 부식성이 강하여, 장기간으로 볼 때 설비를 많이 부식시키게 된다. 반면에, 글리세롤은 부식성을 띠지 않으며, 자신의 물 결합력을 통해 글리세롤은 실제로 부식현상을 감소시킨다.
흡착 장치를 얻기 위한 손쉬운 방법은, 널리 보급되어 있으며 100 USD 미만의 가격으로 구입하거나 도 3에 나타낸 바와 같이 쉽게 직접 제작가능한 통상의 접이식 빨래줄로 만들 수 있다. 60m 라인과, 면 또는 기타 다른 적합한 재질의 통상의 천으로, 단일층을 이용한 120 m2의 흡착 면적 또는 이중층을 이용한 240 m2의 흡착 면적을 구성할 수 있다.
도 3은 간단한 흡착 설비의 일 예를 보여 준다. 용기(1)에 농축된 글리세롤(약 92 내지 99%)을 약간 높은 위치에 두고, 빨래줄(4)의 라인(3)을 따라 고정된 관(2)에 의해 흐르도록 하였다. 도 4는 더 상세한 도면을 보여 준다. 이때 관(5)은 패브릭(8)에 의해 형성된 관형 개구(6)를 통과한다. 유용하게 이격된 거리에서, 관(5)을 절단하거나 관에 구멍을 뚫음으로써 글리세롤이 직물 상에 떨어지도록 한다. 실리콘 또는 고무관을 조금 절개하여, 글리세롤 용액을 위한 감압(pressure sensitive) 개구 채널을 형성한다. 상기 직물은 바느질, 핀, 클램프 또는 기타 수단(7)에 의해 제 자리에 고정된다. 직물(8)을 약 5 내지 10 cm 폭, 2 또는 4 m 길이의 스트립으로 절단하는 것이 바람직하다. 이러한 스트립은 구조물 상에 바람이 발생시킨 힘을 효율적으로 약화시킨다. 스트립을 글리세린 토출관 둘레에 고정시키고, 한 층 또는 다층 형태로 늘어뜨린다. 로프, 와이어 또는 유사한 재료를 사용하여 하단부를 하부 막대 또는 중간 막대에 고정시킨다.
이는 직물 스트립이 바람에 의해 지나치게 움직이는 것을 방지한다. 물 함량이 풍부한 글리세린 용액을 큰 플라스틱 시트 상에 그냥 수거하여도 된다. 시트(9)의 베드(bed)는 도 3에 나타낸 바와 같이 빨래줄 흡착기 아래의 토양을 제거함으로써 만들어질 수 있다. 대안으로는, 베드를 다른 재료로 구성할 수 있다. 적절한 베드는 또한 그 자리에서 찾아볼 수 있는 암석 또는 유사한 저가 재료로 만들어질 수 있다. 수화 글리세롤을 위한 영구 보관 저장조는 콘크리트벽과 바닥으로 만들어질 수 있다. 콘크리트 구조물에 액체가 침투하는 것을 막음으로써 구조물을 보호하고 글리세롤 손실을 줄이며 세정 및 서비스 작업을 용이하게 하기 위해, 보호층을 사용하여 표면을 처리해야 한다.
만족스러운 흡착 장치를 얻기 위해 어떻게 이들 요소를 개조하는 지에 대한 다수의 확실한 방식이 있다.
수행된 소규모의 실험을 기반으로, 충분한 공기 순환 조건 하에서, 단일 패브릭층을 사용하며 흡착 표면적이 120 m2인 매우 간단한 설비를 사용한 경우에서도 약 250 리터의 물을 24시간 이내에 채취할 수 있으며, 이중 패브릭층 버젼의 경우에는 약 500 리터의 물을 채취할 수 있는 것으로 계산되었다. 이는 100명 내지 200명의 주민으로 이루어진 지역사회를 위한 식수 수요를 충족시킬 수 있다.
또한, 라인을 많은 다른 방식으로 고정시킬 수 있다. 예를 들면, 벽 사이, 집 사이, 나무 사이, 목재 또는 금속 기둥 사이, 암석 사이 등에 고정시킬 수 있다. 언제나 적합한 방수 라이닝에 의해 액체 수거 트렌치(홈)를 제공해야 한다.
훨씬 더 큰 물 채취 구조물은, 현지 조건에 따라 개조되며 당업자가 쉽게 구상하는 많은 다양한 수단에 의해 만들어질 수 있다.
글리세롤 내에 물을 흡착하는 단계는 지극히 간단한 장치를 이용하여 매우 저렴한 비용으로 달성될 수 있다는 것이 분명하다. 특별한 전문 교육을 전혀 받지 않은 사람도 쉽게 지을 수 있다.
주된 비용 인자는 아마도 흡착용 직물일 것이다. 새로운 적당한 면 또는 플라스틱 직물을 1 m2 당 몇 달러(USD)의 비용으로 얻을 수 있다. 하지만, 이러한 직물의 스트립들만 요구되므로, 아주 적은 비용만으로도 얻을 수 있는, 개조되어 사용되거나 또는 재활용된 직물로 만들어질 수 잇다.
라이닝을 위한 라인, 관 및 플라스틱 시트는 전형적으로 어느 곳에서나 보급되어 있는 저렴한 상품이다. 영구 흡착 구조물은 강철 또는 스테인레스강 네트로 만들어질 수 있다.
많은 다양한 라이닝 재료가 사용될 수 있다. 예를 들면, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), PVC, 폴리카보네이트, 폴리아미드, PTFE 및 유사한 불화 재료, 알맞게 합침된 직포 또는 부직포, 함침된 제지 등의 시트일 수 있다. 당연히 금속 박판도 사용가능하다. 라이닝 시트의 재료는 중요한 것이 아니다. 요구되는 기계적 안정성을 가지고 있기만 하면 되며, 물-글리세롤 용액의 손실을 막도록 팽팽한 표면을 제공해야 한다. 다른 수단에 의해 수화 글리세롤의 봉쇄가 충족된 경우에는, 라이닝이 전혀 필요 없다.
제2 비용 인자는 현재 99% 순수 물질 1 kg 당 약 1 달러(USD)인 글리세롤의 가격이다. 그러나, 미정제 50 내지 80% 제품이 거의 공짜이므로, 순수 단리된 상태의 글리세롤이 필요 없다. 공장에서 픽업되는 톤 단위의 글리세롤은 미국 내에서 1,000 리터 당 0 내지 70 달러(USD)로 제공되어 왔다. 최종 가격은 본질적으로 사용처까지의 수송비에 따라 좌우된다. 글리세롤은 예를 들어 비누 생산과 같은 여러 화학 공정들의 부산물이며, 현지 공급원으로부터 흔히 조달될 수 있다.
다량의 글리세롤이 식품 생산(과자류, 단 음식류, 음료류)에 사용된다. 글리세롤은 또한 많은 화장 제품에서 우수한 수화제로도 보통 사용되므로, 폭넓게 보급되고 있다.
글리세롤 내로 물을 흡착하는 작업의 큰 이점은 그의 높은 선택도이다. 냉각 응축 시스템에서, 방향족 물질, 미생물, 먼지 및 다른 유해물질과 같은 대부분의 공기 오염물질은 모두 물과 함께 응축된다. 본원에 개시된 시스템에서, 글리세롤은 물 분자에 대한 높은 선택도와 친수성 특성을 가졌기 때문에 공기를 오염시키는 소수성 분자의 흡착을 최소화시킨다. 물에 대한 글리세롤의 높은 선택도는 회수된 물이 높은 순도를 가질 것이라는 결과에 대한 보증이다.
냉각 응축 시스템에서, 수질은 현지 스모그의 농축물과 유사하므로, 이러한 물은 추가로 정제시켜야 한다.
수화 글리세롤 용액으로부터의 물 회수
대기 중의 물을 얻기 위해 공지된 발명들은 많은 에너지와 복잡한 장비가 요구되는 상당히 복잡하면서 고가인 구조물이다. 본 발명에 따른 기술은 매우 단순하고 비용이 낮다. 본 발명은 현지에서 구할 수 있는 재료료 구성될 수 있으며, 이를 작동시키고 서비스하기 위해 어떤 특별한 방식 및 지식이 요구되지 않는다.
주요 구성요소는 도 5에 나타낸 샌드위치 구조물로서, 이는 열전도성 재료(10)를 가열한 형태의 시트, 예를 들면 알루미늄, 구리, 강철, 스테인레스강 또는 기타와 같은 금속의 박막층으로 형성되며, 적어도 한 면에는 흡광층(11)이 제공됨으로써 태양 에너지를 열로 효과적으로 전환하도록 한다. 이러한 흡광층은 예를 들어 시중에서 구할 수 있는 많은 스프레이 또는 색상 제제들에 공급되는 검은 카본 니스(varnish)의 층으로 만들어질 수 있다. 크롬 블랙층은 매우 높은 흡광으로 알려져 있다. 크롬 블랙층은 발광성이 매우 낮은 양호한 흡광층이다. 알루미늄 및 구리 모두로 시판 중인 TiNOX®와 같은 흡광 금속으로 현대 구성된 층들을 독일 뮌헨에 소재한 Almeco-Tinox GmbH에서 생산 중에 있다.
널리 보급되어 있는 검은 니스, 바람직하게는 무광 니스를 단지 분무함으로써, 더 저렴하면서 아주 만족스러운 흡광층을 얻을 수 있다. 0.05 내지 약 1 mm 두께의 매우 얇은 금속 시트가 바람직하다. 박판의 이점은 높은 열전달율과 저렴한 비용에 있다. 그러나, 박판은 기계적으로 안정적이지 못하므로, 바람직한 시트 두께는 0.1 내지 0.5 mm이다. 비금속성 재료의 시트 또한 사용가능하다. 박막층의 경우, 열전도도가 다소 낮아져도 열전달에는 주요 장애가 되지 않는다.
샌드위치 구조의 하부면에는 물 및/또는 수증기에 대해 투과성이지만 글리세롤에 대해서는 완전히 비투과성인 재료층(12)이 있다. 여기서, 상기 재료층은 글리세롤 베리어(barrier)로도 불린다. 셀로판 멤브레인의 경우 글리세롤의 완전한 차단과, 물에 대한 글리세롤의 양호한 투과성에 대해 과학 문헌에 기재되어 있다(Biswas et al. (2000) “Dehydration of Glycerol-Water Mixtures Using Pervaporation: Influence of Process Parameters”, Separation Science and Technology, 35:9, 1391-1408).
이러한 재료의 한 가지 예는 약 2 내지 200 마이크론 두께의 셀로판 박막층이다. 5 내지 25 마이크론 두께의 시트가 바람직하다. 층이 얇을수록 더 좋지만, 이러한 셀로판 베리어 멤브레인의 기계적 안정성에 대해 주의를 기울여야 한다. 안정성을 높이기 위해, 글리세롤의 통과를 막을 필요가 없는 다른 재료(13)에 의해 멤브레인을 지지할 수 있다. 적합한 재료 중에서, 다양한 직포 및 부직포, 펠트, 각종 중합체로 만들어진 다공성 멤브레인, 이를테면 개공 폴리우레탄 시트의 박막층이 있다. 또한 적합한 지지 재료로는, 많은 공급업체에서 구입가능한, 안정화된 섬유성 유리층, 필터, 얇은 매트가 있다.
셀로판 외에도, 글리세롤의 통과를 차단하지만 물 분자를 통과시키는 다른 멤브레인을 당연히 사용할 수 있다. 그 예로, 셀룰로오스의 유도체, 이를테면 아세틸화 셀룰로오스(예를 들면, 셀룰로오스 트리아세테이트)가 있다. 역삼투압에 효율적인 멤브레인 재료로 알려져 있는 다른 재료(이를테면, 폴리아미드) 역시 효율적일 수 있다.
이러한 목적에 적합한 멤브레인은 예를 들어 영국 Donaldson Filter Components Ltd.가 생산하는 Tetratex® 6538 1.5 마이크론 멤브레인 또는 6536 1 마이크론 멤브레인과 같은 폴리에스테르 기재 상의 ePTFE층이다.
또한 처리단계를 거쳐 소수성 또는 심지어 초소수성을 띠게 되는, 다양한 패브릭으로 구성된 선택적 층을 쉽게 만들 수 있다. 패브릭, 의류, 신발, 가죽 등을 위한 많은 종류의 방수 스프레이를 쉽게 구할 수 있다. GORE-TEX®, Sympatex® 및 기타와 같이 의류용으로 적합한 패브릭을 대량으로 여러 회사가 생산하고 있다.
글리세롤 차단층의 중요한 특성은 액체상이 재료의 소수성 구조물 내에 진입하지 못하도록 하는 것이지만, 증기 형태의 물은 자유롭게 글리세롤 차단층을 통과할 수 있다.
대안으로, 원래는 비-소수성인 재료를 당업자에 잘 알려져 있는 적합한 방법에 의해 상기 재료의 표면을 화학적으로 개질시켜 소수성으로 만드는 것이 가능하다. 일 예로, 미국특허출원 Zimmermann et al. ? US 2007/0264437 A1에 기재된 바와 같이 메틸트리클로로실란 및 기타 치환된 활성 실란을 사용하는 처리법에 의해 다양한 재료를 필라멘트 또는 패브릭 형태로 영구 소수성화시키는 것을 언급한다.
또 다른 가능성은 미국특허출원 US 2002/0189455 A1에 기재된 바와 같이 다공성 분리막의 표면을 중합 치환 또는 비치환된 파라크실렌(Parylene®으로도 알려져 있음)으로 코팅하는 것이다. 이러한 코팅은 내구성을 가지며, 저렴하고, 소수성인 동시에 친유성이다. 상기 코팅은 대량으로 생산가능하다.
대량 산업 규모로 생산되는 소수성 나노구조 실리카 층 역시 적합하다. 한 예가 Degussa 흄드 AEROSIL® R974이다. 조밀한 구조의 층들에서, 상기 층은 뛰어난 단리 특성과 액체 차단 특성을 나타내는 동시에, 수증기에 대한 높은 투과율을 제공한다.
여기에 제시되는 본 발명은 상기 제공된 멤브레인 선택예 및 변경예에 국한되지 않는데, 그 이유는 수화 액체로부터 물을 분리할 수 있도록 하는 기타 다른 층도 상기 기술된 시스템에서 효율적일 것이기 때문이다.
글리세롤 차단층은 또한 열 격리재의 역할도 한다. 확산성 열손실을 막으면, 더 높은 온도의 수화 글리세롤 용액을 얻을 수 있다. 이는 증발 및 물 생산율을 증가시킨다.
수화 글리세롤 용액(14)은 가열된 층과 글리세롤-차단층 사이로 흐른다. 채널 및 스트림을 형성하지 않으면서 전체 가용 공간에 걸쳐 상기 흐름이 규칙적으로 이루어지도록, 중간 공간을 필라멘트성 또는 다공성 재료(15)로 충전시킨다. 공극 용적이 큰, 벨루어 타입의 다소 두꺼운 패브릭 또는 다른 느슨한 형태의 직포를 사용함으로써 양호한 분포성을 얻는다.
유리 또는 플라스틱 필라멘트로 만들어진 비-부직 펠트가 편리하다. 본질적으로, 비교적 자유로운 액체 흐름 및 강한 모세관 작용을 가능하게 하는 모든 재료가 적합하다. 여기서 바람직한 것은 강한 친수성 재료, 이를테면 상처를 가리기 위해 의학에서 사용되는 면과 유사한 품질의 친수성 면이다. 합성 섬유 재질의 많은 패브릭은 친수성으로 만들어질 수 있다. 이는 용액이 샌드위치 구조물 상에, 그리고 상기 구조물의 양면 사이에 더 잘 고르게 퍼지도록 한다.
글리세롤 차단층은 바람직하게 격리용 지지층(16)을 통해 냉각 표면(cooler surface, 17)과 직접 또는 간접적으로 접촉된다.
냉각 표면(17)은 얇은 주름 금속 시트로 형성되며, 상기 시트 상에서는 포화된 수증기가 응축된 후, 중력 또는 펌프 작용에 의해 흘러 나와 적합한 파이프 또는 관(18)을 통해 정수 컨테이너 내로 유입된다. 다양한 금속 및 심지어는 비-금속이 냉각 표면으로 기능할 수 있다. 냉각 표면이 글리세롤 차단층과 접촉을 이루고, 수증기가 주위환경으로 빠져나가 시스템의 생산율을 저하시키지 않도록 조밀한 것이 필수적이다. 그런 후에 응축수는 응축기로부터 컨테이너 용기 내로 유입된다. 물 컨테이너는 바람직하게 샌드위치 구조물보다 낮은 레벨에(예컨대, 땅 속에 매립됨) 배치되어야 한다. 유출되는 물의 컬럼은 그 자체의 정수압(hydrostatic pressure)에 의해 응축기 안에서 압력이 낮아진다. 이는 글리세롤 차단층을 통과하는 수증기의 유량을 증가시키고, 물의 비등점을 약간 낮추므로, 주어진 온도에서의 평형 상태에서 수증기의 농도가 증가된다. 한편, 컨테이너가 땅 속에 매립된 경우, 수득된 물은 보관되는 동안 저온 상태를 유지하게 된다.
샌드위치 구조물 내의 압력 감소는 외부 공기로 하여금 샌드위치 구조물을 가압하게 하며, 이로써 모든 층들은 다른 기타 기계적 수단 없이 함께 유지된다. 글리세롤 차단 멤브레인의 다른 측면 상에서의 수화 글리세롤의 유량은 수화 글리세롤의 유입을 저지함으로써, 다소 감소된 압력 하에 동일하게 유지되어야 한다. 이는 모듈의 파열을 막고, 글리세린 차단층 상에 과도한 압력이 형성되지 않도록 한다.
냉각 표면(17)은 다양한 형태의 구조물로 만들어질수 있다. 도 5에 제공된 것은 많은 가능한 형태들 중 하나일 뿐이며, 본 발명의 범주는 이에 국한되지 않는다.
냉각 작용은 자연 환경 속의 주변 공기 또는 바람(19)과의 접촉을 통해 발생한다. 당연히 외부 냉각 표면의 온도는 가열된 표면의 온도보다 낮으며, 이에 따라 물의 응축 현상이 효율적으로 일어나게 된다. 대부분의 시간에, 냉각 표면 주변으로는 바람을 통한 충분한 공기 이동이 있게 되며, 바람이 없더라도 자연적 열대류 현상에 의해 응축열이 충분히 제거된다. 냉각 표면측은 전술된 샌드위치 구조물의 상부 부품들의 음지에 항상 있게 된다. 이러한 진행 방식은 냉각 공기의 강제 순환을 이용한 다른 방법과 비교하여 매우 경제적이다.
도 5에 도시된 바와 같은 하나 이상의 격리층을 제공함으로써, 가열된 면의 온도를 높이는 것이 유리하다.
격리 효과는 적어도 공기 대류 및 공기 순환이 저지되는 하나 이상의 구획실(compartment)을 제공함으로써 얻어진다. 가장 간단한 형태로, 이러한 구획실은 상부측이 투명재료층(21)으로 커버된 프레임(20)으로 구성된다. 이러한 투명재료는 유리 시트이거나, 또는 투명 플라스틱 시트 또는 필름일 수 있다. 유리는 기계적으로 안정적이며 내구성이 더 높은 재료이지만, 쉽게 부러지고 고가이다. 유리 대신에 사용가능한 많은 종류의 투명 플라스틱 필름이 있다. 상기 재료는 태양 방사선에 대해 적당한 안정성을 지녀야 하며, 가능한 한 투명해야 한다.
적합한 필름 재료는 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트, 불화 재료(이를테면, 불화 에틸렌 프로필렌(FEP)) 및 기타 여러 가지이다. 상기 재료는 특정 현지 조건에 따라 가장 적합한 재료로 정해진다. 또한 전면측에는 유리층, 그리고 제2 격리층에는 합성 필름이 제공된 복합형도 적합할 수 있다. 이 경우 유리는 더 나은 기계적 보호 효과를 제공하고 필요한 경우에는 세정 작업을 수월하게 하는 한편, 플라스틱 필름은 가격이 낮다.
실현되어야 하는 특정 타협안이 있다. 각 격리층은 격리 효율을 높이지만 동시에 태양 방사선(22)의 수율을 낮춘다. 가장 유리한 해결안은 많은 경우에서 그저 1개 내지 3개의 격리층을 사용하는 것이다. 격리가 전혀 되지 않아도 시스템이 여전히 작동하리라는 것을 이해할 수 있지만, 물 수율이 낮아지게 된다. 최종 결정을 내리기 전에 비용 및 이익을 분석해야 한다.
본원에 개시되는 구조물 및 공정의 모든 설명된 부품들은 필요한 기계적 안정성을 제공하게 되는 프레임(23) 내에 편리하게 배치될 수 있다. 그러나, 다른 해결안 역시 예견가능하다.
다른 에너지원들, 예를 들면 태양광 패널로부터의 전기력 또는 다른 공급원으로부터의 에너지가 있다면, 이들 역시 사용가능하다. 이 경우, 도 6에 도시된 바와 같이, 적합한 전력의 가열용 나선부(24)가 가열 시트 위에 고정되거나, 또는 가열된 표면 내에 통합되기도 한다. 열손실을 막기 위해, 이러한 가열부는 적합한 격리층(25)에 의해 격리된다.
대안으로, 태양 또는 다른 열원에 의해 생성되는 고온수에 의해 열을 제공할 수도 있다. 예를 들어, 고온수는 지붕, 산비탈, 암석, 모래 언덕 등에 배치되는 검은 이중층 매트에 의해 매우 저렴하게 생성될 수 있다. 태양에 노출되는 검은 플라스틱 필름의 두 층 사이에, 100℃를 초과하는 온도를 얻을 수 있다. 따라서, 이는 수화 글리세롤로부터 물을 회수하기 위한 환영받는, 저가의 풍푸한 에너지원을 대표할 수 있다.
본원에 개시된 본 발명의 한 가지 가능한 구성의 개략도를 도 7에서 볼 수 있다.
글리세롤(26)을 약 96% 함유한 농축 글리세린 용액이 든 용기를 높은 위치(예를 들면, 지붕 위)에 배치한다. 예컨대 클램프 또는 밸브(27)로 조절된 제어 유량으로 글리세롤이 도 4에 나타낸 바와 같은 패브릭 시트(28) 상으로 흐르도록 한다.
흐르는 동안, 글리세롤은 바람 또는 공기 대류(29)에 의해 전달된 대기 습도로부터 물을 흡수한 후, 컨테이너(30) 내에 떨어뜨린다. 수화 글리세롤은 중력 또는 펌핑 작용에 의해 컨테이너로부터 앞서 설명한 물 분리 구조물(31)로 유입된다. 가령 태양(32)에 의해 글리세롤 용액을 80℃ 또는 심지어 그 이상에 이를 수 있는 온도까지 가열시킨다. 이는 수화 글리세롤 용액 내에 함유된 물을 강제로 증발시킨다. 증기는 글리세롤 차단층(33)을 통과한 후, 응축기(34)의 찬 표면 상에서 응축된다. 응축수는 응축기로부터 정수 수거 용기(35) 내로 유입된다.
농축된 글리세롤 용액은 물 분리 모듈(31)으로부터 흘러 나와 컨테이너(36) 내에 수거된다. 그런 후에는 수동식 또는 펌프에 의해 다시 용기(26) 내로 이송된다.
노동력이 저렴한 곳에서는, 시스템에 추가로 더해질 설비가 필요 없다. 그러나, 사람이 신경쓰지 않아도 되도록 펌프, 밸브를 사용하여 모든 흐름을 고도로 자동화하고 이를 제어할 수 있다. 태양 방사선 검출기, 온도계, 습도계 및 풍속계와의 조합으로, 시스템을 매우 효율적, 자동적으로 조절할 수 있고 마이크로프로세서 및 적당한 프로그램을 이용하여 시스템의 출력을 최적화할 수 있다. 이는 작동비와 서비스비를 증가시키지만, 인간의 작업 시간을 절약해 준다.
컴팩트 통합형 물 회수 모듈
도 5에 나타낸 바와 같은 본 발명에 따른 또 다른 가능한 구현예는 도 8 및 도 9에 제공된 바와 같은 물 회수 카세트 구조물에 의해 달성될 수 있다.
샌드위치 부재는 두 금속 시트(예를 들면, 0.1 내지 0.5 mm 두께의 알루미늄 시트)로 형성되며, 그 위에는 세로 방향의, 바람직하게는 정현파형 홈(37)들이 형성된다. 이들 홈의 내부 직경은 넓은 범위에서 선택될 수 있다. 본 실시예에서 홈의 내부 직경은 1.5 mm이다. 이러한 홈(grooved) 판의 최종 치수는 예를 들어 50 cm x 50 cm일 수 있다.
홈은 상반되는 치형 프로파일이 기계가공된 두 개의 실린더 사이에 금속 시트를 통과시킴으로써 쉽게 만들어질 수 있다. 치형 프로파일은 실린더축에 평행하게 위치된다. 대부분 기어 또는 톱니 바퀴의 연속 생산 도중에 적당한 프로파일을 기계가공하며, 당업자는 이들 프로파일에 대해 잘 숙지하고 있다.
본 발명의 범주 내에서 다양한 형상(예를 들면, 포물선 또는 삼각형)의 프로파일 및 형태를 활용할 수 있다는 것을 이해한다. 모듈의 내부측에 편평한 금속 시트를 사용하고 다른 수단에 의해 채널을 형성하는 것도 가능하다.
물결모양의 표면이 특히 적합한데, 이는 수화 글리세롤의 흐름과 응축수의 흐름에 최소한의 내성을 나타내기 때문이다. 이러한 구조는 탈수 과정 초기에 형성되거나 탈수 과정 동안에 형성되는 기포를 효율적으로 제거한다.
물결모양의 표면은 태양 방사선의 반사, 특히 태양광선의 낮은 각도에서의 반사를 제한함으로써 태양 방사선의 흡수를 적당하게 증가시킨다. 열전송 표면 또한 증가되며, 열전달은 편평한 구조에서보다 높다. 물결모양의 표면은 또한 홈 측면에서 표면의 기계적 안정성을 상당히 증가시키며, 이에 따라 시트의 동일한 강성도를 얻기 위해 더 적은 재료가 요구된다.
홈 시트에는 글리세롤 차단 멤브레인(38)이 구비된다. 상기 글리세롤 차단 멤브레인은 도 8에 예시되고 도 9에 상세하게 도시된 바와 같이, 홈 시트의 양끝부(39)에 접착된다. 홈 시트의 단부들은 관(40)으로 형성되어 밀봉(41)된다.
각 홈 시트(42) 상의 첫 번째 홈과 마지막 홈을 또한 접착시켜 조립 구조물 내에 수화 글리세롤뿐만 아니라 응축수가 누출되지 않도록 막는다.
적당한 직경의 실리콘 관(미도시됨)을 하부 홈 시트의 관 양끝부(40)에 접착시켜, 수화 글리세롤 용액이 한 쪽에서 유입되도록 수화 글리세롤 용액용 입구와, 농축 글리세롤이 다른 쪽에서 유출되도록 농축 글리세롤용 출구를 형성한다.
반대측의 미사용된 관형 개구(43)를 또한 예컨대 실리콘 접착제(silicone glue)로 밀봉시킬 수 있다. 금속 구조물에 대해 양호한 접착성을 가진 모든 유형의 접착제를 사용할 수 있다. 창문, 수족관, 위생 장비 등의 유리 시트를 밀봉시키는데 사용되는 것과 같은 일반적인 실리콘 접착제가 바람직하다.
글리세롤 입구 및 출구용과, 응축수를 위한 하나의 배출구용으로 단지 2개의 개구만 요구된다. 그러나, 실리콘관을 모든 관형 구조물에 접착시켜 이들 구조물을 체결(clamp)시키는 것도 가능하다. 그런 후에는, 필요하다면, 가령 모듈을 세정 또는 퍼징시키는데 사용할 수 있다.
글리세롤-함유 용액은, 홈 금속 호일의 상부 시트에 의해 형성된 홈들에 유입되며, 이때 홈들은 하부 홈 시트의 홈들에 수직으로 배향되고, 상부 시트는 하부 홈 시트의 둥근 관형 에지부에 고정 및 밀봉된다. 두 개의 홈 금속 시트에 의해 형성되며 글리세롤 차단 멤브레인에 의해 분리되는 양측 두 구획실이 연통하지 않으면서 또한 외부측 공간쪽으로 폐쇄되는 방식으로 밀봉이 이루어진다.
홈들이 서로 수직을 이루고 있는 두 홈 시트의 전술된 구성은 두 세트의 개방 채널을 생성하며, 이러한 샌드위치 구조물의 기계적 안정성을 현저하게 증가시키다. 햇빛이 비추는 상부 검은 홈 판의 표면 바로 아래에서는, 글리세롤 용액이 글리세롤 차단 멤브레인의 아래 쪽인 더 낮은 공간으로 유입되고, 상부 홈 판의 홈들과 수직을 이루는 홈들에는 응축수가 유입된다. 이로써 둥근 형상의 관(44)에 출구관(미도시됨)이 접착되는 구조가 생긴다.
바람직한 일 구현예에 의하면, 모듈은 그 위에 도 5의 것과 유사한 열 격리부재들이 고정되어 있는 프레임들에 피팅된다. 당업자라면 이를 위해 가능한 방법들이 많다는 것을 알 것이다. 전술된 샌드위치 구조물을 열 격리층이 구비된 프레임 내에 통합시키면 시스템이 기계적으로 강해진다. 한편, 이러한 통합으로 인해 전술된 구조물은 개별 용도에 쓰이도록 준비된다.
도 10에 제공된 것과 유사한 금속성 구조체 상에는 상기 기계적으로 강화된 카세트가 다수 배치될 수 있다. 본 실시예에서는 48개의 모듈이 나란히 배치된다. 이는 상당한 물 생산력을 제공한다.
위에 설명한 바와 같이, 또한 샌드위치 시스템은 주변 환경의 기압보다 약간 낮은 압력 하에 작동되어야 한다. 이는 자연스럽게 샌드위치 시스템의 양측을 함께 밀어버림으로써, 보조적 지지 구조물이 전혀 요구되지 않게 된다. 적당한 압력차는 입구 채널과 출구 채널 사이의 레벨 셋팅에 의해 정수압을 변화시킴으로써 쉽게 달성될 수 있다. 이는 당업자에게 자명하며 잘 알려져 있는 사실이다.
비최적화된 모듈을 실험실 조건 하에 사용한 경우의 생산성
표면 1 m2 당 태양에 의해 공급된 에너지에 근거하여, 10시간 마다 생성되는 물의 최대량은 약 14.4 리터이어야 한다. 현실적으로, 이 수치는 더 낮다. 인위적인 실험실 조건 하에서, 비최적화된 시스템에서 10시간 동안 달성된 물 수율은 7.8 리터였다. 예상 수율은, 특히 시스템이 고정되어 있어서 태양 궤도를 따르지 않는 경우라면, 더 낮아질 것이다. 태양을 따르는 시스템을 이용할 수도 있지만; 매우 건조한 지역에서의 표면 비용이 일반적으로 매우 낮기 때문에, 물을 생성하는 패널 표면을 증가시켜, 태양 궤도를 따르지 않음으로 인해 생기는 태양 에너지 손실을 보상하도록 하는 것이 더 경제적일 것이다.
본원에 제시된 구조물에 의해 공기로부터 채취되는, 현지 사용처에서의 식수
본 발명에 따른 구조물에 의해 공기로부터 식수를 채취하면 여러 주요 문제점들을 동시에 해결한다:
- 다른 물 공급원이 전혀 보급되어 있지 않은 장소에서도 식수를 공급한다. 이로써, 이전에는 거주할 수 없었던 새로운 지역들에 대한 접근이 가능하다.
- 세계의 많은 농촌 인구를 위한 고품질 식수의 현지 수요를 충족시킨다. 결과적으로, 오염된 물을 마심으로써 발생하는 높은 사망률을 낮춘다.
- 물 선별성이 매우 높은 두 단계, 즉 글리세롤의 수화 반응 및 증류 공정을 조합하기 때문에, 가장 높은 수질이 제공된다. 이는 화학적, 기계적, 세균 오염을 효율적으로 제거한다.
- 가난한 나라에서의 엄청나게 고가이며, 청결 상태를 유지하기가 힘들고, 고비용의 정비 및 보수가 필요한, 장거리 물 공급 배관이 요구되지 않는다.
- 저렴하며, 복잡하지 않은 서비스 요구조건만 지닌다.
- 사용자 및 환경에 무해하다.
시스템이 고장나지 않은 한, 원리적으로는, 다른 방법을 통해 얻어지지 않는 품질의 비-오염수를 공급하게 된다. 시스템의 결함과 누출은 물 배출 호스에서 정수와 혼합된 글리세롤의 단맛을 통해 쉽게 인지된다. 심지어 이러한 경우에서도 해당 식수는 사용자에게 위험하지 않다. 이러한 물 속에서 차후 발생되는 미생물 성장에 대한 위험도는 뚜껑이 열린 병 속에 있는 다른 단 음료와 비슷하다.
본원에 개시된 시스템에 의해 생성되는 식수에는 용해된 염이 함유되어 있지 않다는 사실은 사용자에게 불리하지 않는데, 그 이유는 이들 미량원소들은 음식 속에 보통 아주 많은 과량으로 공급되기 때문이다. 이는 세계 보건 기구의 “Guidelines for Drinking-water Quality” Vol. 1, 3rd ed., 2004에서도 확인된다.
본원에 제시된 구조물에 의해 공기로부터 추출된 물의 농업적 용도
본 발명에 따른 시스템은 매우 간단하면서 저비용으로 깨끗한 무염수(salt free water)를 제공하기 때문에, 농업에서 물의 공급원으로도 사용될 수 있다. 개시된 패널의 1 m2 당 평균 수율 5 리터의 물로 계산하면, 1,825 mm/m2와 대등한 연간 빗물에 해당된다. 이는 지구 상에서 매우 비가 많이 오는 지역의 빗물량과 일치한다. 많은 작물이 연간 500 mm 미만으로 비가 오는 곳에서 자랄 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 물 생성 패널의 각 m2는 임야의 수 m2에 물을 댈 수 있다. 공기로부터 추출된 물을 해당 지역의 빗물에 추가하여 공급한다면, 패널의 m2 당 경작가능한 땅의 표면은 훨씬 더 증가될 것이다.
전형적으로, 식물은 자신의 신진대사를 위해 공급된 물의 3% 미만을 사용한다. 대부분의 물, 실질적으로 모든 표면수는 대기 중으로 증발해버려, 식물을 위한 주요 용도가 없다.
그러므로, 토양의 표면에 또는 토양의 표면 가까이에 어떠한 관개작업도 이루어지면 안되지만, 가능하다면, 지표로부터 약 30 cm 밑에서 이루어져야 한다. 여기에서는, 관개용수가 식물의 뿌리를 위해 사용될 수 있고, 증발 현상에 의해 대기 중에 직접 손실되지 않는다.
식물은 증산 작용을 위해 많은 물을 사용한다. 식물은 강한 태양 방사선에 노출되기는 하지만, 이들의 잎을 생리학적으로 허용가능한 온도에 유지시켜야 한다. 식물은 잎이 과도하게 가열되는 것을 막기 위해 물을 사용한다. 식물은 잎의 기공을 통해 물을 증발시킨다. 약 550 kcal/l인 이러한 큰 증발열로 인해, 물은 이례적인 냉각 효과를 제공하며, 이로써 잎의 온도가 허용가능한 범위 내에 유지된다.
생명체는 적합한 온도 범위 내에서만 생존할 수 있다. 만일, 예를 들어, 인간의 체온이 43℃를 넘으면, 인간은 죽게 된다. 비록 식물이 참아낼 수 있는 최대 온도가 더 높을 수 있지만, 동일한 일반 원리가 적용된다. 특정 온도를 초과하면, 살아있는 세포 내의 단백질 및 다른 필수 성분들이 변성하고, 세포는 사멸된다. 이러한 치명적인 과열 기간은, 비가역적 결과와 함께, 수분만 지속될 수 있다. 식물이 생존한다면, 냉각수가 적어도 어느 정도 지속적으로 보급되었음에 틀림없다.
빗물이 충분히 내리지만 비옥하지 못한 거대한 지형은 빗물이 매우 비균일하게 분배되기 때문이다. 건기 동안, 식물은 자신의 온도를 조절하지 못하여 죽는다. 식물은 건조되어 버리고, 초목들이 사라진다.
이러한 중요한 시기에 물과 영양분이 소량으로라도 있었다면, 상기 상황은 근본적으로 바뀔 수 있었을 것이다. 이는 식물이 생존할 수 있도록 하였을 것이다.
이를 위해, 적당한 재료(예를 들어, 폴리에틸렌 등)로 만들어진 저가의 천공된 관들로 이루어진 시스템에 의해 공기로부터 얻은 물을 약 50 cm의 깊이에서 토양에 분배시킬 수 있다. 또한 주요 이점은, 대부분의 관개용수에 존재하는 염과 불순물에 의해 이들 관이 막히는 현상과 대조적으로, 본원에 개시된 방법을 이용한 경우에는 공기로부터 추출된 물에 염과 기타 불순물이 함유되어 있지 않기 때문에 어떠한 막힘 현상도 일어나지 않는다는 것이다.
공기 관개 시스템으로부터의 이러한 물의 최적 배치는 예를 들어 일종의 물 제공 패널들에 이은 일종의 관개 임야이다. 이러한 배치는 긴 관 라인에 대한 필요성을 없애고, 패널의 아래측이 공냉되도록 한다.
물 흡수 표면은 또한 패널 가까이에 배치되거나 또는 패널 바로 밑에 배치될 수 있다. 당업자가 쉽게 만들수 있고 잘 숙지하고 있는 것 중에서 선택되는 다양한 선택안이 있다. 한 가지 중요한 이점은, 본 발명의 시스템 및 구조물을 구성하고 서비스하는데 있어서의 평이함과 기술적 용이함으로 인해, 현지 사람들은 이를 이해하고 받아들이는데 있어서 어떠한 문제도 갖지 않을 것이라는 점이다. 탈수된 글리세롤의 전달은 수동식으로 이루어지거나, 또는 태양 전지, 풍차 발전기 또는 기타 전력원이 있는 경우에는 펌프를 사용하여 이루어질 수 있다. 많은 적합한 펌프가 아주 다양한 크기와 펌핑 용량에 따라 시중에 나와 있다.
관개된 표면에서는, 예를 들면, 올리브 나무, 포도 식물 또는 기타 재배작물을 경작할 수 있어야 한다. 이는 아마도 다년생 잡초 외에는 어떤 것도 자랄 수 없는 큰 표면이 경작에 적당한 상태로 된다는 것을 의미한다.
본원에 개시된 발명에 의한 지속적인 물 공급을 보충하는 것 외에, 식물의 증발산(evapo-transpiration)을 제한시키기 위한 기타 적절한 조치를 선택할 수 있다. 예를 들어, 음지를 만드는 작업은 증산작용에 의한 냉각을 위해 식물에 요구되는 물의 수요를 추가로 크게 줄일 수 있다. 태양열을 감소시키기 위해 재배작물 위에 배치되는 호일의 스트립 또는 밴드로 음지를 만드는 것과 같은 가능한 조치가 오늘날에는 저비용으로 가능하며, 당업자에 잘 알려져 있다.
일시적인 비 부족 현상을 완화시키기 위해 본원에 제시된 가능성을 본 발명에 의해 대규모로 사용함으로써 방대한 미사용된 땅의 표면을 녹색의 농지로 전환시키게 될 것이다. 알 수 있는 바와 같이, 본 방법은 오늘날의 물 부족현상을 해결할뿐만 아니라 미래에 동물과 인간의 추가 영양분을 제공하는 능력을 가진다.
본 개시된 방법의 주요 이점은 공기로부터 생성된 물이 미량의 염 조차도 함유하고 있지 않으며, 이에 따라 관개수로부터 축적된 염이 궁극적으로 토양을 불모지로 만들 것이라는 위험성이 전혀 없다는 점이다.
본 개시된 방법의 다른 매우 긍정적인 특징은 물 공급이 매일 단위로 지속적으로 행해진다는 점이다. 또한 이는 확실하게 식물이 건기 동안 생존하게 도와주므로, 지형을 긍정적으로 바꾸게 된다. 결과적으로, 지구의 많은 지역들이 거주가능하게 될 수 있다.
본원에 제시된 구조물과 과정에 의해 채취된 물의, 무토양 재배를 위한 용도
본원에 지시된 구조물과 방법에 의해 수득되는 물의 가장 큰 미래의 장점은 무토양 재배에서 예상된다. 무토양 재배는 환경에 현대 방식으로 식물을 키우는 것을 나타내며, 전통적인 재배 방식용으로는 완전히 부적합하다. 무토양 재배는 수경 재배로도 알려져 있다. 무토양 재배에서, 직물은 작은 크기의 밀폐된 컨테이너 안에 뿌리를 내리고 자라게 되며, 영양성 염이 용해된 물을 제어된 방식으로 컨테이너에 첨가한다. 식물이 물과 영양분에 의해 제한받지 않으므로, 훨씬 더 빨리 자라고, 전통적인 농작물보다 훨씬 더 높은 수율로 생산된다.
Merle H. Jensen이 Hortscience, vol. 32(6), October 1997에 설명한 바와 같이, 1 리터보다 약간 적은 부피의 컨테이너 안에서 자라는 하나의 토마토 식물이 6개월의 시간에 걸쳐 12.8 kg의 고품질 토마토를 생산하였다. 당업자는 다양한 유형의 무토양 재배를 알고 있다. 이러한 주제에 대한 개론을 인터넷 상에서 구해볼 수 있다: http://en.wikipedia.org/wiki/Hydroponics. 여기에 담겨 있는 정보의 전체를 본원에 통합하였다.
무토양 재배의 두 가지 주요 장점은 훨씬 더 높은 작물 수율과, 토양 내 농업 또는 원예업이 가능하지 않은 곳에서 사용될 수 있다는 사실이다. 무토양 재배는 같은 양의 식품을 생산하기 위해 일반 농지 상에 필요한 물의 양의 5% 정도로 적게 요구된다. 또한, 요구되는 영양분은 약 25%까지 감소된다. 따라서, 무토양 재배는 비가 부족한 지역을 위해 완벽하다.
더욱이, 매우 건조한 지역은 중앙 유럽 또는 북미와 비교하여 광합성적으로 관련된 태양 방사선의 양을 일반적으로 두 배보다 많이 받는다. 따라서, 이들 지역은 무토양 재배을 하기에 훨씬 더 적합하다.
다른 물 공급원이 현재까지 없는 곳에서, 본 발명에 따라 공기로부터 정수를 생산한다는 것은 지구의 매우 건조한 불모지에서 식품을 생산하기 위한 완전하게 새롭고 엄청난 관점을 여는 것이다. 결과적으로, 본원에 개시된 발명은 식수의 부족함을 없애는 것에 기여할 수 있을뿐만 아니라 새로운 예기치 않은 식품 공급원을 열 수 있다. 거대한 지형이 세계 인구를 증가시키도록 거주가능하게 될 수 있다.
일반적으로 식물의, 특히 본원에 개시된 구조물에 따른 관개 수단을 사용하는 무토양 조건에서 재배되는 식물의 성장 조건의 주요 개선은, 식물 성장과 광합성에 필수적인 일부 태양 방사선 스펙트럼만 투과시키는 특정 필터에 의해 식물을 차폐(shield)시킴으로써 달성될 수 있다. 이는 스펙트럼의 적색 부분만 상기 필터 층을 통과하고, 다른 파장들의 방사선은 반사된다는 것을 의미한다.
이러한 필터는 식물이 온도를 조절하기 위해 필요한 증산작용에 요구되는 물의 양을 현저하게 감소시킨다. 한편, 광합성은 저해되지 않으며, 성장속도는 극대화된다. 의심할 필요 없이, 이는 작물의 수율 증가에 대해 긍정적이다. 수확량의 10배 증가가 무토양 재배(예를 들어, 토마토 생산에서)에서 이미 관찰되었다. 동일한 양의 물을 더 많은 식물에 사용할 수 있게 됨에 따라 선택적 차폐는 수율을 한층 더 개선시킬 수 있다.
오늘날의 기술은 다양한 재료로부터 박막을 대량으로, 매우 저렴한 비용으로 생산할 수 있게 한다. 전술된 바와 같은 광학적 특성을 가지도록 필름을 합성하는 것이 가능하다. 이를 어떻게 달성하는 지에 대한 방법들이 당업자에 잘 알려져 있다. 이 분야의 개론을 인터넷 상에서 구할 수 있다: http://en.wikipedia.org/wiki/filter ( optics ). 본 페이지의 내용 전체를 본원에 포함하였다.
적합한 광학적 특성을 가진 필터를 제조하기 위한 다른 흥미로운 가능성은 필름의 표면에 이색성 층에 의해 적합한 반사 특성을 부여하는 것이다. 이들은 소위 냉각 빔 램프의 제조용으로 폭넓게 사용되고 있다. 다양한 재료로 된 마이크론 미만 크기의 층들을 적용하면 스펙트럼의 일부는 반사되고 일부는 본질적으로 장애 없이 통과되는 방식의 회절 현상을 만든다. 이색성 층은 화려한 선물 포장지 등에 사용되는 풍부한 색상의 플라스틱 필름으로부터 알려져 있다.
이색성 층의 제조법이 당업자에 알려져 있다. 이색성 필터 분야의 개론적 정보는 인터넷의 다음 페이지에서 구할 수 있다: http://en.wikipedia.org/wiki/Dichroic Filter . 본 페이지의 내용 전체를 본원에 포함하였다.
특히 대기 중 CO2 농도의 증가에 의한 온실효과 문제를 경감시키기 위한 본 구조물 및 방법의 용도
공기로부터의 정수를 간단하게 매우 저렴한 비용으로 제공하는 본원에 제공된 방법 및 구조물의 대규모 사용은 대기 중의 이산화탄소 농도 증가의 원인인 온실효과에 예기치 않은 해결안을 가져온다.
식물이 엽록소의 흡수 스펙트럼 영역에서 우선적으로 태양광을 흡수한다는 것은 잘 알려진 사실이다. 식물은 태양 스펙트럼의 보이지 않는 적외선 부분에서는 방사선을 눈에 띄게 흡수하지 않는다. 스펙트럼의 이 부분은 지구 표면에 이르는 태양 에너지의 약 절반을 나타낸다. 이는 IR 카메라에 의해 제작된 식생 사진들에서 쉽게 볼 수 있다. 식생은 눈 같이 희게 나타나는데, 이는 태양 스펙트럼의 상기 부분이 거의 전반사를 일으킨다는 것을 나타낸다. 식물은 또한 빛의 대부분을 녹색으로 반사하고 일부는 청색 및 황색 빛으로도 반사하며, 이는 인간의 눈에 녹색으로도 나타난다.
이러한 특성 때문에, 식물은 대부분의 태양 방사선을 거부한다. 그렇지 않았다면, 상기 태양 방사선은 지면에서 열로 전환되었을 것이다. 이렇게 야기되는 환경의 온도 상승은 지하수를 증발시키고, 그 위의 공기를 가열한다. 결과적으로, 강수량이 감소하고, 해당 지역은 더 건조하게 되어, 결국 추가 식물 성장에 부적합하게 된다. 최종 결과는 이러한 지역의 사막화가 될 것이다.
지구 상의 온도 상승을 다루기 위해, 일부 과학자들과 정치인들은 대기 중의 이산화탄소의 농도를 낮추기를 원한다. 이러한 작업은 어렵고 비용이 많이 든다. CO2는 인간의 생활에 필수적인 당류, 지방류, 단백질류, 간단히 말하자면 모든 생물학적 분자에 모든 탄소 원자를 공급하기 때문에, 이산화탄소는 인간의 모든 식품의 유일하고 고유한 탄소원이다.
본원에 기재된 신규 구조물과 그의 사용 방법은, 처음으로, 물이 보급되지 않았거나 제한된 양만 제공되는 곳에서 물을 얻을 수 있도록 한다.
물은 과도한 태양 방사선의 생물학적 반사체인 동시에 차폐물로서 작용하는 식물을 성장시키는데 활용될 수 있으며, 증발 현상으로부터 토양의 습도를 보호한다. 식물이 증산작용과 잎의 냉각을 위해 사용하는 습도는 또한 현지 온도를 낮춘다. 사슬 효과에서, 이러한 지역 위의 공기는 더 차가워지고, 물로 포화될 가능성이 더 높다. 이는 더 빈번한 강우로 이어지게 된다. 긍정적인 피드백으로 이 또한 해당 지역에서의 식물 또는 작물 성장을 촉진할 것이다.
이 방법이 비 부족의 손익분기점 가까이에 있는 곳에서 수행된다면, 비교적 적지만 일정한 물의 공급이 부정적인 기후 변화를 반전시킬 수 있고, 해당 지역을 녹지로 다시 만들 수 있다. 매우 건조한 지역의 경계에는 이러한 장소들이 많다. 이곳에서 상기 과정이 시작되어야 한다.
최종 결과는 전체적 온도의 감소가 될 것이다. 동시에, 지구 표면적의 많은 부분을 작물을 위해, 그리고 영양분을 제공하며, 수백만 명의 거주인을 위한 생활 공간으로 사용될 수 있다.
본 발명의 다양한 구현예를 예로서 설명하였지만, 당업자에게는 수정 및 변경이 이루어질 수 있다는 것이 명백할 것이다. 그러나, 이러한 수정 및 변경은 본 발명의 사상과 범주 내에서 이루어져야 한다는 것을 분명하게 이해해야 한다.

Claims (25)

  1. 흡수부 및 탈착부를 포함하는, 대기 중의 공기로부터 물을 추출하도록 구성된 구조물이며,
    상기 흡수부는, 공기와 직접 접촉하는 유동성 흡습성 액체의 박막층을 가지는 표면을 포함하고, 상기 흡습성 액체의 박막층은 공기로부터 수증기를 흡수하여 수화 용액을 형성하고;
    상기 탈착부는 상기 수화 용액에서 흡습성 액체로부터 물을 분리시키기 위한 샌드위치형 구조물을 포함하며,
    상기 샌드위치형 구조물은
    a) 주변환경 온도보다 높게 가열되는 가열 시트 또는 가열 층,
    b) 상기 가열층을 따라 수화 용액이 흐르고 균등 분배 되게 하는, 다공성 또는 필라멘트성 재료로 채워지는, 상기 가열 시트 또는 가열 층과 흡습성 액체 베리어 사이의 공간 또는 층,
    c) 물 분자가 통과하는 것은 허용하지만 수화 액체가 통과하는 것을 허용하지 않는 상기 공간 또는 층에 인접한 상기 흡습성 액체 베리어인 재료층, 및
    d) 가열 시트 또는 가열 층의 온도에 비해 온도가 하강하여 물이 액체 형태로 제거되게 하는 상기 재료층에 인접한 냉각 시트 또는 층을 포함하는 것을 특징으로 하는, 대기 중의 물을 추출하는 구조물.
  2. 제1항에 있어서, 흡습성 액체는 글리세롤인, 대기 중의 물을 추출하는 구조물.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 흡습성 액체를 분배하고, 중력에 의해 상기 다공성 또는 필라멘트성 재료를 통해 흐르도록 허용하는, 대기 중의 물을 추출하는 구조물.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 흡습성 용액으로부터 물을 분리하기 위해 필요한 에너지는 태양방사로부터 획득되는, 대기 중의 물을 추출하는 구조물.
  5. 제1항에 있어서, 액체 유동은 펌핑 작용에 의해 발생하는, 대기 중의 물을 추출하는 구조물.
  6. 제1항에 있어서, 가열 시트 또는 층은, 금속 시트 또는 층으로부터 제조되고 태양 방사를 흡수하여 가열되는, 대기 중의 물을 추출하는 구조물.
  7. 제1항에 있어서, 가열 시트로부터의 열 손실은, 최소한의 광 흡수층에 의해, 하나 이상의 열 격리에 의해 감소되는, 대기 중의 물을 추출하는 구조물.
  8. 제1항에 있어서, 가열 시트 또는 층은, 투명 재료의 시트에 의해 격리되고, 격리용 프레임에 의해 0.1 내지 50 mm 이격되어 지지되는, 대기 중의 물을 추출하는 구조물.
  9. 제1항에 있어서, 물분자의 통과를 허용하고 흡습성 액체의 통과를 방지하는 재료층은, 소수성 또는 초소수성 재료의 멤브레인인, 대기 중의 물을 추출하는 구조물.
  10. 제1항에 있어서, 물분자의 통과를 허용하고 흡습성 액체의 통과를 방지하는 재료층은, 재생 셀룰로오스 또는 그의 유도체로 만들어지는, 대기 중의 물을 추출하는 구조물.
  11. 제1항에 있어서, 물분자의 통과를 허용하고 흡습성 액체의 통과를 방지하는 재료층은, 지지 재료에 의해 강화된 다공성 PTFE 멤브레인인, 대기 중의 물을 추출하는 구조물.
  12. 제1항에 있어서, 가열 시트 또는 층, 그리고 냉각 시트 또는 층에는, 가열 시트 또는 층의 가열된 표면상에서 수화 용액을 유동하게 하고 냉각 시트 또는 층의 냉각된 표면상에서 응축수가 제거되게 하는 채널 또는 홈이 제공되고, 두 액체 모두는 물분자를 통과하게 하고 흡습성 액체의 통과를 방지하게 재료층에 의해 분리되는, 대기 중의 물을 추출하는 구조물.
  13. 제12항에 있어서, 마주보는 표면들 사이의 홈 또는 채널의 방향을 회전함으로써, 이들이 함께 고정된 후 구조물의 기계적 안정성이 증가되는, 대기 중의 물을 추출하는 구조물.
  14. 제1항에 있어서, 온도 하강은, 자연의 열 공기의 이동 또는 바람 그리고 열방사에 의해 제공되는, 대기 중의 물을 추출하는 구조물.
  15. 제1항에 있어서, 수증기를 밀폐된 공간 내의 공기로부터 추출함으로써, 밀폐된 공간의 상대습도를 감소시키는, 대기 중의 물을 추출하는 구조물.
  16. 제15항에 있어서, 수증기 추출은 밀폐된 공간 내의 다른 물-습윤 표면으로부터의 물 증발작용과 조합됨으로써, 물의 증발열로 인해, 동일한 밀폐 공간 내의 최종 온도가 감소되는, 대기 중의 물을 추출하는 구조물.
  17. 제1항 및 제16항 중 어느 한 항에 기재된 대기 중의 물을 추출하는 구조물의
    a) 식수를 생산하기 위한 용도, 또는
    b) 식물, 작물의 재배에 연속적으로 사용될 수 있는 표면의 관개용으로 사용하기 위한 용도, 또는
    c) 식물의 무토양 재배를 위한 용도.
  18. 제1항에 있어서, 지표면으로 아래에 관개용 관을 더 포함하는, 대기 중의 물을 추출하는 구조물.
  19. 제1항에 있어서, 상기 구조물에 의해 생성된 물은, 유입되는 태양 방사선의 대부분을 반사시킴으로써 주변 공간이 과도하게 가열되는 현상을 줄이는 식물의 재배를 통해, 지구 상의 온실효과를 줄이기 위해 사용되는, 대기 중의 물을 추출하는 구조물.
  20. 제1항에 기재된 구조물을 사용하는 식물 재배 방법이며, 회수된 물로 재배된 식물은, 태양 방사선 스펙트럼의 광합성적으로 관련된 부분의 투과를 허용하고 동시에 다른 부분들은 반사시킴으로써 식물의 온도를 낮추고 결과적으로 식물의 증산작용을 위한 물의 수요를 감소시키며 최종적으로는 식물의 물 요구조건을 감소시키고 성장 및 수율을 증가시키는 필름에 의해 차폐되는, 대기 중의 물을 추출하는 방법.
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