KR102131313B1 - Composite structure for solar desalination, and apparatus and method for desalination - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 복합 구조체는 표면 및 내부에 서로 연결된 다수의 기공을 갖는 기둥 형상의 지지체 및 상기 지지체의 하나의 밑면에 형성된 흡광체층을 포함하여, 태양광을 이용해 해수를 담수화하기 위한 장치 및 방법에 사용될 수 있다.The composite structure according to the present invention includes a pillar-shaped support having a plurality of pores connected to each other on a surface and an interior, and a light absorber layer formed on one underside of the support, to an apparatus and method for desalination of seawater using sunlight Can be used.

Description

태양광 담수화를 위한 복합 구조체, 담수화 장치 및 방법{COMPOSITE STRUCTURE FOR SOLAR DESALINATION, AND APPARATUS AND METHOD FOR DESALINATION}Complex structure, desalination device and method for solar desalination {COMPOSITE STRUCTURE FOR SOLAR DESALINATION, AND APPARATUS AND METHOD FOR DESALINATION}

본 발명은 태양광을 이용하여 해수를 담수화하기 위한 복합 구조체, 이를 포함하는 담수화 장치, 및 이를 이용한 담수화 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a complex structure for desalination of seawater using sunlight, a desalination device comprising the same, and a desalination method using the same.

현재 전세계적으로 인구 증가와 환경 오염 문제가 계속 심해지고 일부 국가들은 물 부족 문제에 직면해 있어서, 깨끗한 물을 생산하는 기술이 점점 주목받고 있다. 특히 반영구적인 태양 에너지와 지구상 물의 97.6%를 구성하는 해수를 이용하여 담수화하는 기술은, 비용이 매우 저렴하고 추가적인 에너지 자원 없이 깨끗한 물의 생산이 가능하여 많은 개발이 이루어지고 있다.Currently, global population growth and environmental pollution problems continue to grow and some countries face water shortages, and technologies for producing clean water are getting more and more attention. In particular, the technology for desalination using semi-permanent solar energy and seawater constituting 97.6% of the water on the earth is very inexpensive and is capable of producing clean water without additional energy resources.

초기의 태양광 담수화 장치는 높은 열 손실에 의해 광열 전환율이 낮고 광대역의 태양광을 흡수하지 못하는 문제가 있었다. 그러나 최근 연구에 따라, 해수로의 열 손실을 최소화하면서 흡광률을 극대화하는 이상적인 태양광 담수화 장치를 실현할 수 있었다. 이들 장치는 광대역의 파장 범위에 대해 높은 흡광률을 가져 막대한 열을 생산하고, 또한 수직형 유로를 갖는 단열재를 해수에 부유시켜 물-공기간 계면에 열을 집중시킴으로써 하단에서 상단의 흡광체까지 빠르게 물을 수송할 수 있다.Early solar desalination devices had a problem of low photothermal conversion due to high heat loss and unable to absorb broadband sunlight. However, according to a recent study, it was possible to realize an ideal solar desalination device that maximizes the absorption rate while minimizing heat loss to the seawater channel. These devices have a high absorption rate over a wide wavelength range to produce enormous heat. In addition, the heat-insulating material having a vertical flow path is suspended in the seawater to concentrate heat at the water-air interface to rapidly absorb from the bottom to the top. Water can be transported.

예를 들어 종래의 부유형 태양광 담수화 장치는 공기-물 계면의 영역에 한정하여 흡광 에너지로 인해 발생된 열을 국한시킴으로써, 태양광-열 전환율을 극대화하고 해수로의 열 손실을 최소화할 수 있었다(Jiang, Q. et al., Journal of Materials Chemistry A 2017, 5, 18397-18402 참조). 그러나 광대역 스펙트럼에 대한 흡광률이 매우 우수한 재료들이 속속 개발되고 있고, 또한 종래의 태양광 담수화 장치에서 수분 증발에 필요한 표면적을 증가시키고 단열 성능을 더 향상시킬 여지가 있다.For example, the conventional floating solar desalination device is limited to the area of the air-water interface, thereby limiting the heat generated by absorbed energy, thereby maximizing the solar-to-heat conversion rate and minimizing heat loss to the seawater. (Jiang, Q. et al., Journal of Materials Chemistry A 2017, 5, 18397-18402). However, materials having a very good absorbance for the broadband spectrum are being developed one after another, and there is room for further increasing the surface area required for evaporation of moisture and further improving insulation performance in a conventional solar desalination device.

한편 3D 구조화 기술은 광전기화학적 물 분열 시스템, 배터리, 슈퍼캐패시터 및 표면증강 라만 분광법과 같은 다양한 분야에서 원하는 성능을 현저히 향상시킬 수 있는 접근법으로 활용되고 있다. 실제로, 활성 물질의 표면을 2D에서 3D로 확장시킴으로써 표면적이 증대하여 다양한 분야의 장치를 보다 효율적으로 작동시킬 수 있다. 예를 들어, 에너지 저장 장치에 사용되는 3D 전지는 구조적 특성이 우수하고, 사이클 과정에서 발생하는 부피 변화에 의한 응력을 완충시켜 사이클 안정성을 향상시킬 수 있다. 또한, 표면증강 라만 분광법(SERS)에 기반한 화학 센서에서 3D 구조화에 의해 비표면적과 광분산성을 높일 수 있어서, 광조사에 따른 상호작용을 증대시킬 수 있다. 또한 종래의 태양광 담수화 장치도 3D 구조화에 의해 태양광-증기 전환 효율을 향상시킬 수 있다.Meanwhile, 3D structuring technology is being used as an approach to significantly improve the desired performance in various fields such as photoelectrochemical water splitting systems, batteries, supercapacitors and surface-enhanced Raman spectroscopy. Indeed, by expanding the surface of the active material from 2D to 3D, the surface area can be increased to operate devices in various fields more efficiently. For example, a 3D cell used in an energy storage device has excellent structural characteristics, and can improve cycle stability by buffering stress caused by a volume change occurring in a cycle process. In addition, in a chemical sensor based on surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS), it is possible to increase specific surface area and light scattering property by 3D structuring, thereby increasing interaction due to light irradiation. In addition, a conventional solar desalination device can also improve solar-steam conversion efficiency by 3D structuring.

Jiang, Q. et al., Journal of Materials Chemistry A 2017, 5, 18397-18402Jiang, Q. et al., Journal of Materials Chemistry A 2017, 5, 18397-18402

종래의 태양광 담수화 장치는 흡광체의 표면에서만 증발이 이루어져 태양광-증기 전환 효율이 그리 높지 않았고 해수로의 열 손실을 더욱 줄일 필요가 있었다.In the conventional solar desalination device, since the evaporation is performed only on the surface of the absorber, the efficiency of solar-steam conversion was not so high, and it was necessary to further reduce heat loss to the seawater.

이에 본 발명자들은, 최근 많은 연구에서 태양광 담수화 장치를 해수에 부양시키려는 시도와 달리, 새로운 3D 구조 설계에 의해 얕은 해수에 서 있을 수 있는 기둥 형태로 디자인함으로써, 증발 효율을 현저히 향상시킬 수 있을 뿐 아니라 단열성을 높일 수 있음을 발견하였다.Accordingly, the present inventors, unlike attempts to support the solar desalination device in seawater in many recent studies, by designing in a columnar shape that can stand in shallow seawater by a new 3D structure design, the evaporation efficiency can be significantly improved. In addition, it was found that the heat insulation properties can be increased.

따라서, 본 발명의 목적은 증발 효율 및 단열성이 향상되어 태양광에 의한 해수 담수화에 적합한 구조체, 이를 포함하는 담수화 장치, 및 이를 이용한 담수화 방법을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a structure suitable for desalination of seawater by sunlight due to improved evaporation efficiency and heat insulation, a desalination device including the same, and a desalination method using the same.

본 발명은 표면 및 내부에 서로 연결된 다수의 기공을 갖는 기둥 형상의 지지체; 및 상기 지지체의 하나의 밑면 상에 형성된 흡광체층을 포함하는 복합 구조체를 제공한다.The present invention is a columnar support having a plurality of pores connected to each other on the surface and the inside; And a light absorber layer formed on one bottom surface of the support.

또한 본 발명은, 상기 복합 구조체를 포함하는 담수화 장치를 제공한다.In addition, the present invention provides a desalination device comprising the composite structure.

또한 본 발명은, 상기 복합 구조체를, 흡광체층이 형성된 밑면이 위로 향하면서 수면 위로 1 cm 이상 노출되도록, 해수에 세워 놓는 것을 포함하는 담수화 방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method of desalination, comprising placing the composite structure in the seawater so that the bottom surface on which the light absorber layer is formed faces upwards and is exposed at least 1 cm above the water surface.

본 발명에 따르면, 하나의 밑면 상에 흡광체층이 형성된 지지체의 측면을 노출시키는 간단한 구조 설계에 의해, 태양광 담수화를 위한 해수의 증발 영역을 2차원에서 3차원으로 확장할 수 있어서, 상단의 흡광체층에 의한 광열 증발 뿐만 아니라 측면의 비광열 증발 영역으로 인해 야간에도 추가적인 증기 발생이 가능하다.According to the present invention, the evaporation region of seawater for solar desalination can be extended from 2D to 3D by simple structure design exposing the side surface of the support on which the light absorber layer is formed on one bottom surface, so that the absorption at the top In addition to photothermal evaporation by the body layer, additional steam generation is possible at night due to the non-photothermal evaporation region on the side.

이에 따라 본 발명의 담수화 장치는 전일 작동(all-day-working) 성능을 나타낼 뿐만 아니라, 저렴하고 친환경적인 태양광 조명 하에 높은 증기발생 효율을 나타낼 수 있다. 또한 지지체의 수면 위로의 공기 중 노출로 인하여 흡광체층과 해수 간의 물리적 거리로 인한 단열이 효과적으로 이루어져 열 손실을 최소화할 수 있다. 따라서 본 발명의 담수화 장치는 가까운 미래에 전세계적으로 깨끗한 물을 공급할 수 있을 것으로 기대된다.Accordingly, the desalination device of the present invention can exhibit not only full-day-working performance, but also high steam generation efficiency under inexpensive and eco-friendly solar lighting. In addition, due to exposure to the air above the water surface of the support, thermal insulation due to physical distance between the light absorber layer and seawater can be effectively performed to minimize heat loss. Therefore, the desalination device of the present invention is expected to be able to supply clean water worldwide in the near future.

이하 첨부된 아래의 도면을 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
이하의 도면의 간단한 설명에 기재된 약어들의 의미는 구체적인 실시예에서 정의된 바와 같다.
도 1은 (a) 종래의 부유형 PF(1.5 cm 높이) 및 스탠딩형 LCPF(5 cm 높이)의 태양광 해수 담수화 장치의 개념도(삽입도는 LCPF 상부 영역 근방을 확대한 SEM 이미지), (b) 강력한 모세관 힘에 의해 5 cm 두께의 LCPF의 상단으로 물이 빠르게 수송되는 것을 보여주는 사진, (c) 부유형 PF(1.5 cm 높이) 및 스탠딩형 LCPF(5 cm 높이)를 1시간 태양광 조사한 뒤의 열분산 이미지를 나타낸 것이다.
도 2는 (a) PF의 높은 다공성 내부 구조이고, (b) SEM에 의해 확인된 PF 상의 rGO, (c) rGO 및 PF의 XPS 광역 스캔 결과, (d) PF의 C1s 스펙트럼의 피팅 곡선, (e) rGO의 C1s 스펙트럼의 피팅 곡선을 나타낸 것이다.
도 3은 (a) rGO 및 PF의 태양광 흡수 스펙트럼, (b) 및 (c) 태양광 조도에 1시간 노출 시의 상부 표면의 온도 변화 및 열화상 이미지, (d) 태양광 조도에 1시간 노출하며 증기를 발생시키는 조건에서 rGO 유/무에 따른 부유형 PF(1.5 cm) 및 스탠딩형 LCPF(5 cm)의 질량 변화, (e) 암 조건에서 증기를 발생시키는 조건에서 다양한 높이의 rGO/PF의 질량 변화, (f) 태양광 조도에 1시간 노출 시에 다양한 높이의 rGO/LCPF의 측면의 열화상 이미지를 나타낸 것이다.
도 4는 (a) 다양한 높이의 LCPF 상에 rGO를 형성하여 제조한 장치를 태양광 조도에 1시간 노출하며 증기를 발생 시에 질량 변화, (b) 및 (c) rGO/LCPF(5 cm)의 장시간 내구성 평가 및 사이클 특성, (d) rGO/LCPF(5 cm) 장치를 이용하여 담수화하기 전과 후의 염도를 비교하여 나타낸 것이다.
도 5의 (a) 내지 (c)는 각각 PF, 목재, 종이를 부유시킨 사진으로서, 검은 화살표는 흡광체의 위치를 나타내고, 파란 화살표는 수면을 나타낸다.
도 6은 (a) rGO의 표면적 및 (b) 기공 크기 분포를 측정한 결과이다.
도 7은 (a) 광역 스캔 XPS 스펙트럼 및 물방울의 접촉각 이미지, 및 (b) GO의 C1s 스펙트럼의 피팅 곡선을 나타낸 것이다.
도 8의 (a) 및 (b)는 각각 태양광 조도 및 암 조건에서 다양한 높이의 LCPF에 대해 질량 변화를 비교한 것이고, (c) 및 (d)는 태양광 조도 하에서 다양한 높이의 LCPF 또는 PF 기반의 구조체에 대해 질량 변화를 비교한 것이다.
도 9의 (a)는 다양한 높이(1.5 cm, 3 cm, 4 cm, 5 cm)의 LCPF를 수심 3 cm 해수에 넣었을 때의 사진이고, (b)는 태양광 조도 하에서 rGO/LCPF의 증기 발생을 측정하기 위해 설계된 장치의 사진이고, (c) 및 (d)는 각각 rGO 및 rGO/PF를 SEM으로 관찰한 이미지이다.
도 10은 rGO 및 PF의 FT-IR 스펙트럼이다.
도 11의 (a) 및 (b)는 각각 암 조건 및 태양광 조건에서 밀폐된 용기에 rGO/LCPF5를 1시간 노출했을 때 증기 발생을 볼 수 있는 사진이다.
도 12는 습도를 18%로 고정하고 태양광 조도 하에서 1시간 노출했을 때의 주변 환경의 다양한 온도 조건에 따른 질량 변화를 나타낸다.
도 13의 (a) 및 (b)는 각각 rGO/PF 및 rGO/LCPF3를 태양광 조도에 노출했을 때의 장시간 안정성을 평가한 결과이다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
The meanings of the abbreviations described in the brief description of the drawings are as defined in the specific examples.
FIG. 1 is a conceptual view of (a) a conventional floating PF (1.5 cm height) and a standing LCPF (5 cm height) solar seawater desalination device (insertion is a SEM image of an enlarged area near the upper region of the LCPF), (b ) Photo showing rapid transport of water to the top of the 5 cm thick LCPF by strong capillary force, (c) Irradiated with floating PF (1.5 cm height) and standing LCPF (5 cm height) for 1 hour after solar irradiation It shows the image of heat dissipation.
FIG. 2 shows (a) high porosity internal structure of PF, (b) rGO on PF confirmed by SEM, (c) XPS wide area scan results of rGO and PF, (d) fitting curve of C1s spectrum of PF, ( e) It shows the fitting curve of the C1s spectrum of rGO.
3 is (a) rGO and PF solar absorption spectrum, (b) and (c) temperature change and thermal image of the upper surface upon exposure to sunlight for 1 hour, (d) sunlight for 1 hour Mass change of floating PF (1.5 cm) and standing LCPF (5 cm) with or without rGO under exposed and steam generating conditions, (e) rGO of various heights under conditions of generating steam in dark conditions It shows the thermal image of the side of rGO/LCPF of various heights when the mass change of PF and (f) exposure to sunlight for 1 hour.
FIG. 4 shows (a) a device manufactured by forming rGO on LCPFs of various heights, exposed to sunlight for 1 hour, and changes in mass when generating steam, (b) and (c) rGO/LCPF (5 cm). The long-term durability evaluation and cycle characteristics of (d) are shown by comparing the salinity before and after desalination using an rGO/LCPF (5 cm) device.
5(a) to 5(c) are pictures in which PF, wood, and paper are suspended, and black arrows indicate the positions of the absorbers, and blue arrows indicate the water surface.
6 is a result of measuring the surface area of (a) rGO and (b) pore size distribution.
FIG. 7 shows a fitting curve of (a) wide scan XPS spectrum and contact angle image of water droplets, and (b) C1s spectrum of GO.
8(a) and 8(b) compare mass changes for LCPFs of various heights under sunlight and dark conditions, respectively, and (c) and (d) show LCPFs or PFs of various heights under sunlight. This is a comparison of mass changes for the base structure.
FIG. 9(a) is a photograph of LCPFs of various heights (1.5 cm, 3 cm, 4 cm, and 5 cm) when placed in 3 cm of sea water, and (b) generates rGO/LCPF vapors under sunlight. Is a photograph of a device designed to measure, and (c) and (d) are images of rGO and rGO/PF observed by SEM, respectively.
10 is an FT-IR spectrum of rGO and PF.
11(a) and 11(b) are photographs showing steam generation when rGO/LCPF5 is exposed to a sealed container under dark conditions and sunlight conditions for 1 hour, respectively.
12 shows the mass change according to various temperature conditions of the surrounding environment when the humidity is fixed at 18% and exposed for 1 hour under sunlight.
13(a) and 13(b) show the results of evaluating long-term stability when rGO/PF and rGO/LCPF3 are exposed to sunlight, respectively.

이하 본 발명을 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

복합 구조체Complex structure

본 발명의 하나의 양태에 따르면, 표면 및 내부에 서로 연결된 다수의 기공을 갖는 기둥 형상의 지지체; 및 상기 지지체의 하나의 밑면 상에 형성된 흡광체층을 포함하는, 복합 구조체가 제공된다.According to an aspect of the present invention, a pillar-shaped support having a plurality of pores connected to each other on a surface and an interior; And a light absorber layer formed on one underside of the support.

지지체Support

상기 지지체는 물의 수송체이면서 단열재로서 작용한다.The support acts as a transport material for water and as a heat insulating material.

상기 지지체는 표면 및 내부에 서로 연결된 다수의 기공을 갖는다. 이에 따라 지지체의 하부의 표면에서 흡수된 물이, 내부에 연결된 기공 통로를 거쳐, 상부의 측면 및 상면의 기공을 통해 증발될 수 있다. 상기 기공의 개별 크기는 1 ㎛ 내지 20 ㎛ 범위, 또는 100 ㎛ 내지 500 ㎛ 범위일 수 있다.The support has a number of pores connected to each other on the surface and inside. Accordingly, water absorbed from the lower surface of the support may be evaporated through the pores connected to the inside and through the pores of the upper side and upper surface. The individual sizes of the pores may range from 1 μm to 20 μm, or from 100 μm to 500 μm.

예를 들어 상기 지지체는 고분자 재료로 형성된 다공성 폼(foam)일 수 있다. 이때 상기 고분자 재료는 페놀, 우레탄, 에틸렌글리콜, 또는 이들의 복합물질일 수 있다. For example, the support may be a porous foam formed of a polymer material. At this time, the polymer material may be phenol, urethane, ethylene glycol, or a composite material thereof.

구체적으로 상기 지지체는 다공성 페놀 폼(phenolic foam)을 포함할 수 있다. 다공성 페놀 폼은 대면적 및 친수성이면서 강한 모세관 힘을 가지고, 열전도율이 약 0.04 W/m·K로 단열성이 우수하여 지지체로서 적합하다. Specifically, the support may include a porous phenolic foam. The porous phenolic foam is suitable as a support because of its large area and hydrophilicity, strong capillary force, and excellent thermal insulation with a thermal conductivity of about 0.04 W/m·K.

또는 상기 지지체는 부직포와 같은 종이로 형성된 다공성 재질일 수 있다.Alternatively, the support may be a porous material formed of paper such as a non-woven fabric.

상기 지지체는 기둥 형상을 갖는다. 예를 들어, 상기 지지체는, 밑면이 원 또는 다각형인 기둥 형상을 가질 수 있다. The support has a column shape. For example, the support may have a column shape having a circular or polygonal bottom surface.

또한 상기 지지체는 밑면의 직경보다 높이가 더 긴 기둥 형상을 가질 수 있다. 이때 밑면이 다각형인 경우, 상기 밑면의 직경은 가장 긴 직경과 가장 짧은 직경의 평균 값으로 할 수 있다.In addition, the support may have a column shape having a height higher than the diameter of the bottom surface. At this time, when the bottom surface is a polygon, the diameter of the bottom surface may be an average value of the longest diameter and the shortest diameter.

일례로서, 상기 지지체는 밑면의 직경보다 높이가 더 긴 원기둥 형상을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 지지체의 밑면의 직경(d)에 대한 높이(h)의 비율(h/d)은 1.1 내지 10 범위, 또는 1.5 내지 3 범위일 수 있다. 상기와 같은 구조를 가질 때, 외부에 노출되어 증발이 일어나는 측면의 면적을 보다 넓힐 수 있다.As an example, the support may have a cylindrical shape having a height higher than the diameter of the bottom surface. Specifically, the ratio (h/d) of the height (h) to the diameter (d) of the underside of the support may be in the range of 1.1 to 10, or in the range of 1.5 to 3. When having the structure as described above, it is possible to widen the area of the side surface exposed to the outside and evaporation occurs.

상기 지지체의 높이는 상기 복합 구조체가 적용될 해수의 수심에 비해 높을 필요가 있다. 예를 들어, 상기 지지체 및 복합 구조체의 높이는 해수의 수심에 비해 0.5 cm 이상, 1 cm 이상 또는 2 cm 이상 높을 수 있다. 구체적으로, 상기 지지체의 높이와 해수의 수심의 차이는 0.2~2.5 cm 또는 0.5~2 cm 범위일 수 있다. 상기 범위 내일 때, 상기 복합 구조체가 해수에 세워져서 수면 밖으로 노출된 지지체의 측면에서의 증발 효과가 증대될 수 있다.The height of the support needs to be higher than the depth of the seawater to which the composite structure will be applied. For example, the height of the support and the composite structure may be 0.5 cm or more, 1 cm or more, or 2 cm or more higher than the depth of the seawater. Specifically, the difference between the height of the support and the water depth of the seawater may range from 0.2 to 2.5 cm or 0.5 to 2 cm. When within the above range, the composite structure is erected in sea water, and an evaporation effect on the side surface of the support exposed outside the water surface may be increased.

상기 복합 구조체는 수심이 얕은 해수에서 사용될 수 있으며, 이에 따라 얕은 수심에 비해 상기 지지체의 높이가 높을 수 있다. 예를 들어 상기 지지체의 높이는 3.5 cm 이상, 4 cm 이상, 4.5 cm 이상 또는 5 cm 이상일 수 있다. 구체적으로, 상기 지지체의 높이는 3.5~10 cm 범위 또는 3.5~5.5 cm 범위일 수 있다.The composite structure may be used in seawater having a shallow water depth, and accordingly, the height of the support may be higher than that of a shallow water depth. For example, the height of the support may be 3.5 cm or more, 4 cm or more, 4.5 cm or more, or 5 cm or more. Specifically, the height of the support may be in the range of 3.5-10 cm or 3.5-5.5 cm.

상기 지지체는 친수성이 높은 것이 물의 증발 효율 면에서 유리하다. 예를 들어, 상기 지지체의 물에 대한 접촉각은 30°이하, 20°이하, 10°이하, 또는 5°이하일 수 있다.It is advantageous in terms of evaporation efficiency of water that the support has high hydrophilicity. For example, the contact angle of the support with water may be 30° or less, 20° or less, 10° or less, or 5° or less.

또한, 상기 지지체는 열전도율이 낮은 것이 단열성 측면에서 유리하다. 예를 들어, 상기 지지체의 열전도율은 1 W/m·K 이하, 0.5 W/m·K 이하, 0.1 W/m·K 이하, 또는 0.05 W/m·K 이하일 수 있다.In addition, it is advantageous in terms of thermal insulation that the support has low thermal conductivity. For example, the thermal conductivity of the support may be 1 W/m·K or less, 0.5 W/m·K or less, 0.1 W/m·K or less, or 0.05 W/m·K or less.

일례로서, 상기 지지체가 물에 대한 10°이하의 접촉각 및 0.1 W/m·K 이하의 열전도율을 가질 수 있다. 다른 예로서, 상기 지지체가 물에 대한 5°이하의 접촉각 및 0.05 W/m·K 이하의 열전도율을 가질 수 있다.As an example, the support may have a contact angle of 10° or less with respect to water and a thermal conductivity of 0.1 W/m·K or less. As another example, the support may have a contact angle of 5° or less with respect to water and a thermal conductivity of 0.05 W/m·K or less.

흡광체층Absorber layer

상기 흡광체층은 태양광에 노출되어 광-열 에너지 전환을 발생시킴으로써, 광 조건에서의 물 증발을 일으킨다.The absorber layer is exposed to sunlight to generate photo-thermal energy conversion, thereby causing water evaporation under light conditions.

상기 흡광체층은 상기 지지체의 하나의 밑면 상에 형성된다.The absorber layer is formed on one bottom surface of the support.

상기 흡광체층은 넓은 대역의 파장에서 높은 흡광율을 갖는 소재를 포함하는 것이 좋다. 이와 같은 소재로는 탄소계 물질, 예를 들어 그래핀계 또는 그라파이트계 물질을 들 수 있다.The absorber layer preferably includes a material having a high absorbance at a wide band wavelength. Examples of such materials include carbon-based materials, for example, graphene-based or graphite-based materials.

구체적으로 상기 흡광체층은 그래핀 산화물계 물질을 포함할 수 있고, 보다 구체적으로 환원된 그래핀 산화물(reduced graphene oxide, rGO)을 포함할 수 있다. 환원된 그래핀 산화물(rGO)은, 넓은 대역 파장의 광에 대해 높은 흡수율을 가지고 가공성이 우수하여, 효과적인 증기 발생을 위한 흡광제로서 유용하다.Specifically, the absorber layer may include a graphene oxide-based material, and more specifically, may include reduced graphene oxide (rGO). The reduced graphene oxide (rGO) is useful as a light absorber for effective steam generation because it has a high absorption rate for light of a wide band wavelength and excellent workability.

예를 들어, 상기 흡광체층은 250~2500 nm의 모든 대역에서 75% 이상, 80% 이상, 또는 85% 이상의 흡광율을 가질 수 있다.For example, the absorber layer may have an absorbance of 75% or more, 80% or more, or 85% or more in all bands of 250 to 2500 nm.

상기 흡광체층의 두께는 10 ㎛ 내지 50 ㎛ 범위 또는 10 ㎛ 내지 100 ㎛ 범위일 수 있다. 상기 범위 내일 때, 투과하는 빛 없이 충분한 빛 흡수로 인해 높은 흡광율을 확보할 수 있으면서도, 구조체 내부에서 생성된 증기가 공기 중으로 쉽게 탈출할 수 있도록 다공성을 유지하여 높은 광열 변환 효율과 효과적인 증기생성율의 측면에서 유리할 수 있다.The thickness of the light absorber layer may range from 10 μm to 50 μm or from 10 μm to 100 μm. When within the above range, it is possible to secure a high light absorption rate due to sufficient light absorption without transmitting light, while maintaining the porosity so that the steam generated inside the structure can easily escape into the air, thereby achieving high photothermal conversion efficiency and effective steam generation rate. It can be advantageous in terms.

복합 구조체의 특성Characteristics of composite structures

상기 복합 구조체는 광 조건에서의 증발률이 종래에 비해 동등 이상이다. 예를 들어, 상기 복합 구조체는 1 kW/㎡ 세기의 광 조건에서의 물 증발률이 1.5 kg/㎡·h 이상, 2.0 kg/㎡·h 이상, 2.3 kg/㎡·h 이상, 또는 2.5 kg/㎡·h 이상일 수 있다.The composite structure has an evaporation rate under light conditions equal to or higher than that of the prior art. For example, the composite structure has a water evaporation rate of 1.5 kg/m 2 ·h or more, 2.0 kg/m 2 ·h or more, 2.3 kg/m 2 ·h or more, or 2.5 kg/h under light conditions of 1 kW/m 2 intensity. It may be ㎡·h or more.

또한, 상기 복합 구조체는 암 조건에서도 비교적 높은 물 증발률을 갖는다. 예를 들어, 상기 복합 구조체는 암 조건에서의 물 증발률이 0.3 kg/㎡·h 이상, 0.5 kg/㎡·h 이상, 또는 1.0 kg/㎡·h 이상일 수 있다.In addition, the composite structure has a relatively high water evaporation rate even in dark conditions. For example, the composite structure may have a water evaporation rate in the dark condition of 0.3 kg/m 2 ·h or more, 0.5 kg/m 2 ·h or more, or 1.0 kg/m 2 ·h or more.

일례로서, 상기 복합 구조체는 1 kW/㎡ 세기의 광 조건에서 2.0 kg/㎡·h 이상의 물 증발률을 나타내고, 암 조건에서 0.5 kg/㎡·h 이상의 물 증발률을 나타낼 수 있다. 다른 예로서, 상기 복합 구조체는 1 kW/㎡ 세기의 광 조건에서 2.3 kg/㎡·h 이상의 물 증발률을 나타내고, 암 조건에서 1.0 kg/㎡·h 이상의 물 증발률을 나타낼 수 있다.As an example, the composite structure may exhibit a water evaporation rate of at least 2.0 kg/m 2 ·h in a light condition of 1 kW/m 2 intensity, and a water evaporation rate of at least 0.5 kg/m 2 ·h in a dark condition. As another example, the composite structure may exhibit a water evaporation rate of at least 2.3 kg/m 2 ·h in a light condition of 1 kW/m 2 intensity, and a water evaporation rate of at least 1.0 kg/m 2 ·h in a dark condition.

또한 상기 복합 구조체는 높은 광-증기 전환 효율을 갖는다. 예를 들어, 상기 복합 구조체는 하기 수학식 1로 계산되는 광-증기 전환 효율(η)에서 80% 이상을 나타낼 수 있다:In addition, the composite structure has a high light-vapor conversion efficiency. For example, the composite structure may exhibit 80% or more in the light-steam conversion efficiency (η) calculated by Equation 1 below:

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112018081404639-pat00001
Figure 112018081404639-pat00001

상기 수학식 1에서, A는 조명의 단면적(㎡)이고, Copt는 광학 농도이며, Qs는 광조사 강도(1 kW/㎡)이고, Qe는 하기 수학식 2로 계산되며,In Equation 1, A is the cross-sectional area (m 2) of illumination, C opt is the optical density, Q s is the light irradiation intensity (1 kW/m 2 ), Q e is calculated by Equation 2 below,

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112018081404639-pat00002
Figure 112018081404639-pat00002

상기 수학식 2에서, m은 광열 변환 에너지에 의한 물의 증발률(kg/㎡·h)이고, λ는 물의 증기로의 상변화 시의 잠열(2255.2 J/g)이며, C는 물의 비열용량(4.2 J/g·K)이고, △T는 생성된 증기의 온도 증가분(K)이다.In Equation 2, m is the evaporation rate (kg/m 2 ·h) of water by photothermal conversion energy, λ is latent heat (2255.2 J/g) when the phase changes to water vapor, C is the specific heat capacity of water ( 4.2 J/g·K), and ΔT is the temperature increment (K) of the vapor produced.

또한, 상기 복합 구조체의 광-증기 전환 효율(η)은 90% 이상, 100% 이상, 120% 이상, 또는 150% 이상일 수 있으며, 구체적으로, 80~200%, 80~150%, 80~100%, 또는 150~200%일 수 있다.In addition, the light-steam conversion efficiency (η) of the composite structure may be 90% or more, 100% or more, 120% or more, or 150% or more, specifically, 80 to 200%, 80 to 150%, 80 to 100 %, or 150-200%.

복합 구조체의 활용Use of complex structures

상기 복합 구조체는 염수의 탈염 또는 담수화(desalination)가 필요한 분야에 유용하게 활용될 수 있다. 예를 들어 상기 복합 구조체는 태양광을 이용한 해수 담수화에 사용될 수 있다. 구체적으로, 상기 복합 구조체는, 복합 구조체의 높이보다 낮은 수심의 해수에 상기 흡광체층이 형성된 밑면이 위로 향하도록 세워져, 태양광을 이용한 해수의 담수화에 사용될 수 있다.The composite structure may be useful in fields where desalination or desalination of brine is required. For example, the composite structure may be used for seawater desalination using sunlight. Specifically, the composite structure is built so that the bottom of the absorber layer is formed in the seawater at a depth lower than the height of the composite structure, and can be used for desalination of seawater using sunlight.

본 발명의 구체적인 일례에 따르면, 상기 지지체가 다공성 페놀 폼이고, 상기 흡광체층이 환원된 그래핀 산화물을 포함하며, 상기 복합 구조체가, 상기 흡광체층이 형성된 밑면이 위를 향하면서 수면 위로 1 cm 이상 노출되도록 해수에 세워져, 태양광을 이용한 해수의 담수화에 사용될 수 있다.According to a specific example of the present invention, the support is a porous phenolic foam, the absorber layer includes a reduced graphene oxide, and the composite structure, the base on which the absorber layer is formed faces upward, at least 1 cm above the water surface It is built in seawater to be exposed and can be used for desalination of seawater using sunlight.

담수화 장치Desalination device

본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 복합 구조체를 포함하는 담수화 장치를 제공한다.According to another aspect of the invention, there is provided a desalination device comprising the composite structure.

상기 담수화 장치에 포함되는 복합 구조체는 앞서 설명한 복합 구조체와 실질적으로 동일한 구성 및 특성을 갖는다.The composite structure included in the desalination device has substantially the same configuration and properties as the composite structure described above.

상기 담수화 장치는 해수에 세워서 담수화를 수행하는데 사용될 수 있다.The desalination device can be used to perform desalination by standing on seawater.

이를 위해 상기 담수화 장치를 바다에 직접 세워서 담수화를 수행할 수도 있지만, 파도의 영향으로 담수화 장치가 쉽게 넘어질 우려가 있다. 따라서 상기 담수화 장치를 바다에서 직접 활용할 경우, 상기 복합 구조체가 세워질 수 있게 하는 고정 수단을 추가적으로 구비하는게 좋다. To this end, desalination may be performed by standing the desalination device directly on the sea, but there is a fear that the desalination device may easily fall under the influence of the waves. Therefore, when the desalination device is utilized directly in the sea, it is preferable to additionally include a fixing means that allows the composite structure to be erected.

바람직하게는, 상기 담수화 장치는, 해수를 담기 위한 수조를 더 포함할 수 있다. 이에 따라 상기 수조에 해수를 넣은 뒤 상기 담수화 장치를 세워 놓고 담수화를 수행할 수 있다. 이와 같이 수조를 활용할 경우 보다 제어된 작업 환경을 마련할 수 있다.Preferably, the desalination device may further include a water tank for containing sea water. Accordingly, after adding seawater to the water tank, the desalination device may be placed and desalination may be performed. In this way, a more controlled working environment can be provided when using the water tank.

또한, 상기 담수화 장치는 상기 복합 구조체에서 증발된 물을 응결시키는 수단을 추가로 구비할 수 있다. 또한, 상기 담수화 장치는 상기 응결된 물을 수집하는 수단을 추가로 구비할 수 있다. In addition, the desalination device may further include a means for condensing water evaporated from the composite structure. In addition, the desalination device may further include a means for collecting the condensed water.

일례로서, 상기 담수화 장치는 상기 복합 구조체, 해수 및 상기 복합 구조체가 도입되는 제 1 수조, 상기 제 1 수조보다 큰 밑면을 갖고 내부에 상기 제 1 수조가 배치되는 제 2 수조, 및 상기 제 1 수조 및 상기 제 2 수조를 전체적으로 덮고 투명성을 갖는 커버를 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 제 1 수조에 담긴 해수가 상기 복합 구조체에 의해 증발하고, 상기 커버의 벽면에 응결되어 상기 제 2 수조에 수집될 수 있다. As an example, the desalination device includes the complex structure, the first water tank in which the seawater and the complex structure are introduced, a second water tank having a bottom surface larger than the first water tank, and the first water tank disposed therein, and the first water tank And it may include a cover having a transparency covering the second tank as a whole. Accordingly, seawater contained in the first water tank is evaporated by the composite structure, and condensed on the wall surface of the cover to be collected in the second water tank.

상기 담수화 장치는 광 조건뿐만 아니라 암 조건에서도 담수화를 수행할 수 있다. 즉 상기 담수화 장치는, 광 조건에서 상기 복합 구조체 상단의 흡광체층의 광-열 에너지 변환 작용에 의해 활발한 증발을 일으키며, 암 조건에서도 상기 지지체에서 수면 위로 노출된 측면의 기공을 통해 증발을 일으킬 수 있다. 이에 따라 상기 담수화 장치는 전일 작동(all-day-working) 성능을 발휘할 수 있다.The desalination device can perform desalination in dark conditions as well as light conditions. That is, the desalination device, under light conditions, causes active evaporation by the photo-thermal energy conversion action of the light absorber layer on the top of the composite structure, and can evaporate through the pores on the side exposed above the water surface in the support even in dark conditions. . Accordingly, the desalination device can exhibit all-day-working performance.

담수화 방법Desalination method

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상기 복합 구조체를, 흡광체층이 형성된 밑면이 위로 향하면서 수면 위로 1 cm 이상 노출되도록 해수에 세워 놓는 것을 포함하는, 담수화 방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of desalination, comprising placing the composite structure in seawater so that the bottom surface on which the light absorber layer is formed faces upward and is exposed at least 1 cm above the water surface.

예를 들어, 상기 복합 구조체를 해수의 수면 위로 1 cm 이상, 2 cm 이상, 3 cm 이상, 5 cm, 또는 10 cm 이상 노출되도록 세워 놓을 수 있다.For example, the composite structure may be placed so as to be exposed to 1 cm or more, 2 cm or more, 3 cm or more, 5 cm, or 10 cm or more above the water surface.

상기 담수화 방법의 구체적인 일례로서, (1) 상기 복합 구조체를 수면 위로 1 cm 이상 노출되도록 해수에 세워 놓는 단계; (2) 상기 복합 구조체를 이용하여 해수로부터 증기를 발생시키는 단계; 및 (3) 상기 증기를 응결하고 수집하는 단계를 포함할 수 있다.As a specific example of the desalination method, (1) placing the composite structure in sea water so as to be exposed at least 1 cm above the water surface; (2) generating steam from seawater using the composite structure; And (3) condensing and collecting the steam.

이때 상기 증기를 발생시키는 단계는 광 조건 및/또는 암 조건에서 수행될 수 있다. 구체적인 예로서, 상기 증기를 발생시키는 단계는 전일 동안(즉, 밤낮으로) 수행될 수 있다.At this time, the step of generating the steam may be performed under light conditions and/or dark conditions. As a specific example, the step of generating the steam may be performed for the entire day (ie day and night).

[실시예][Example]

이하 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 단 이들 실시예로 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.The present invention will be described in more detail through the following examples. However, the scope of the present invention is not limited to these examples.

이하의 실시예에서 사용된 약어들의 의미는 아래와 같다.The meanings of the abbreviations used in the examples below are as follows.

- GO: 그래핀 산화물(graphene oxide)-GO: graphene oxide

- rGO: 환원된 그래핀 산화물(reduced graphene oxide)-rGO: reduced graphene oxide

- PF: 페놀 폼(phenolic foam)-PF: phenolic foam

- LCPF: 긴 원기둥형 페놀 폼(long cylindrical phenolic foam)-LCPF: long cylindrical phenolic foam

- PFn: 높이가 n(cm)인 PF - LCPFn: 높이가 n(cm)인 LCPF-PFn: PF with height n(cm)-LCPFn: LCPF with height n(cm)

- rGO/PF: PF의 상부 표면에 rGO 시트가 형성된 복합 구조체(부유형)-rGO/PF: Composite structure with rGO sheet formed on the upper surface of PF (floating type)

- rGO/LCPF: LCPF의 상부 표면에 rGO 시트가 형성된 복합 구조체(스탠딩형)-rGO/LCPF: Composite structure with rGO sheet formed on the top surface of LCPF (standing type)

이하의 실시예에서 사용한 재료는 다음과 같다:The materials used in the following examples are as follows:

- PF 및 LCPF의 제조를 위한 페놀 폼을 Oasis Economy에서 구매하였다.-Phenol foam for the production of PF and LCPF was purchased from Oasis Economy.

- 흑연 분말 및 염화나트륨(NaCl)을 Bay Carbon Inc. 및 삼전화학사에서 각각 구매하였다.-Graphite powder and sodium chloride (NaCl) are used for Bay Carbon Inc. And Samjeon Chemical Company, respectively.

- 모든 화학물질을 추가 정제없이 사용하였다.-All chemicals were used without further purification.

이하의 실시예에서 사용한 측정기기는 다음과 같다:The measuring devices used in the following examples are as follows:

- 주사전자현미경(scanning electron microscopy, SEM): Hitach High-Technologies사의 S-4800-Scanning electron microscopy (SEM): Hitach High-Technologies S-4800

- 투과전자현미경(transmission electron microscopy, TEM): JEOL사의 JEM-2100-Transmission electron microscopy (TEM): JEM-2100 from JEOL

- 라만 분광법(Raman spectroscopy): WITec사의 alpha300R-Raman spectroscopy: alpha300R from WITec

- X선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS): Thermo Fisher사의 Kalpha-X-ray photoelectron spectroscopy (XPS): Kalpha from Thermo Fisher

- 자외선-가시광선 분광법(UV-Vis spectroscopy): Agilent사의 Cary 5000-UV-Vis spectroscopy: Agilent's Cary 5000

- 이온 크로마토그래피: 양이온-ICP 1600, 음이온-ICP 2100-Ion chromatography: cation-ICP 1600, anion-ICP 2100

이하의 실시예에서, 물의 증발에 따른 온도 및 질량 변화는 1 kW/㎡의 전력 밀도의 모의 태양 조명(Sol2A class ABA 94062A, 1000W 제논 램프, Newport사) 하에서 측정되었다. In the examples below, the temperature and mass changes due to evaporation of water were measured under simulated solar lighting (Sol2A class ABA 94062A, 1000W Xenon lamp, Newport, Inc.) with a power density of 1 kW/m 2.

또한, 열화상 카메라를 이용하여 상부 표면의 온도를 측정하고, 0.1 mg의 오차를 갖는 전자 미세 저울을 이용하여 매 1분 간격으로 증발에 의한 질량 변화를 측정하였다. 실험 제어를 위해, 1 cm 두께의 폴리스티렌을 외부 단열층으로 활용하였다(도 9의 (b) 참조).In addition, the temperature of the upper surface was measured using a thermal imaging camera, and the mass change due to evaporation was measured every 1 minute using an electronic fine balance having an error of 0.1 mg. For the experiment control, 1 cm thick polystyrene was used as the outer heat insulating layer (see Fig. 9 (b)).

실시예 1: 복합 구조체(rGO/LCPF)의 제조Example 1: Preparation of a composite structure (rGO/LCPF)

펀치를 이용하여 페놀 폼을 다양한 높이(3 cm, 4 cm 및 5 cm)를 갖는 직경 2 cm의 원기둥 형태로 재단하여 긴 원기둥형 페놀 폼(LCPF)을 제작하였다. A long cylindrical phenolic foam (LCPF) was produced by cutting a phenolic foam into a cylindrical shape with a diameter of 2 cm having various heights (3 cm, 4 cm and 5 cm) using a punch.

휴머(Hummer)법에 의해 흑연 분말로부터 그래핀 산화물(GO)을 제조하였다. 그래핀 산화물을 1 중량% HCl로 세척하고 충분한 증류수로 여과하였다. 이후 그래핀 산화물을 용액의 pH가 중성이 될 때가지 증류수로 수 회 원심분리하고 동결 건조하였다. Graphene oxide (GO) was prepared from the graphite powder by a Humer method. The graphene oxide was washed with 1% by weight HCl and filtered with sufficient distilled water. Then, the graphene oxide was centrifuged several times with distilled water until the pH of the solution became neutral and freeze-dried.

200W 전력의 초음파 처리 후에, 히드라진 수화물 용액 및 암모니아 용액을 이용하여 95℃에서 3시간 동안 격렬히 교반하면서 화학적 환원반응을 수행하였다. After the ultrasonic treatment at 200 W power, a chemical reduction reaction was performed while stirring vigorously at 95° C. for 3 hours using a hydrazine hydrate solution and an ammonia solution.

이후, 환원된 그래핀 산화물(rGO)이 분산된 수용액을 LCPF 상에 드롭 캐스팅(drop casting)하여 석출시킴으로써 환원된 그래핀 산화물(rGO) 시트(20 mg, 약 20 ㎛) 를 적층시켰다.Then, a reduced graphene oxide (rGO) sheet is deposited by drop casting on an LCPF by precipitation of an aqueous solution in which the reduced graphene oxide (rGO) is dispersed (20 mg, about 20 μm). Stacked.

비교예 1: 복합 구조체(rGO/PF)의 제조Comparative Example 1: Preparation of a composite structure (rGO/PF)

다양한 높이(1.5 cm, 2 cm 및 2.5 cm)를 갖는 직경 2 cm의 원기둥 형태로 페놀 폼(PF)을 제작하였다. 상기 PF 상에 상기 실시예 1과 동일한 방식으로 환원된 그래핀 산화물(rGO) 시트를 적층시켰다.Phenol foam (PF) was produced in a cylindrical shape with a diameter of 2 cm having various heights (1.5 cm, 2 cm and 2.5 cm). The reduced graphene oxide (rGO) sheet was deposited on the PF in the same manner as in Example 1.

실험예 1: 부유형과 스탠딩형의 비교Experimental Example 1: Comparison of floating type and standing type

도 1의 (a)에서, 실시예 1의 방식에 따라 LCPF(높이 5 cm)에 rGO가 증착된 스탠딩형의 복합 구조체를, 비교예 1의 방식에 따라 PF(높이 1.5 cm)에 rGO가 증착된 부유형의 복합 구조체와 비교하였다. In (a) of FIG. 1, a standing composite structure in which rGO is deposited on LCPF (5 cm in height) according to the method of Example 1, and rGO is deposited on PF (1.5 cm in height) according to the method of Comparative Example 1 Compared with the floating floating composite structure.

3 cm 깊이로 물이 담긴 비커에 1.5 cm 높이의 PF를 부유시킬 경우, 물에 담그자마자 수면 위로 약간 노출(약 2 mm가 외부에 노출)된 반면에, 3 cm 깊이의 물이 담긴 비커에 5 cm 높이의 LCPF를 세울 경우, 수면 위로 원기둥 상단 2 cm가 외부에 노출되었다.When a 1.5 cm high PF is suspended in a 3 cm deep water beaker, it is slightly exposed above the water surface (approximately 2 mm is exposed to the outside) as soon as it is immersed, while a 5 cm deep beaker contains 5 When the LCPF was raised with a height of 2 cm, the top 2 cm of the cylinder was exposed outside the water surface.

이때 상기 부유형 페놀 폼은 상단 표면에 증착된 rGO(영역 I)만을 갖는 증기 발생기에 해당하고, 상기 스탠딩형 페놀 폼(LCPF)은 상단에 증착된 rGO(영역 I: 광열 증발 영역) 및 추가적으로 외부에 노출된 원기둥형 다공성 측면(영역 II: 조명 하에서도 비광열 증발 영역)의 2종의 노출 영역을 갖는 증기 발생기에 해당한다.At this time, the floating phenolic foam corresponds to a steam generator having only rGO (region I) deposited on the top surface, and the standing phenolic foam (LCPF) is rGO (region I: photothermal evaporation region) deposited on the top and additionally external Corresponds to a steam generator having two exposed regions of a cylindrical porous side exposed to (region II: non-thermal evaporation region even under illumination).

실제로, LCPF의 측면은 현저한 증기 발생 영역(2πrh, 여기서 h는 노출된 영역의 높이, r은 LCPF의 반경)을 제공하므로, 조명의 유무와 관계없이 많은 양의 물을 증발시킬 수 있다.Indeed, the side of the LCPF provides a significant vapor generating region (2πrh, where h is the height of the exposed region, r is the radius of the LCPF), so that a large amount of water can be evaporated with or without illumination.

LCPF의 다공성 구조 및 친수성 표면에 의한 강한 모세관 힘은 증산 작용과 유사한 과정에 의해 손쉽게 물을 수송할 수 있게 한다.The porous structure of the LCPF and the strong capillary force due to the hydrophilic surface make it easy to transport water by a process similar to distillation.

도 1의 (b)에서 보듯이, 5 cm 높이의 LCPF를 3 cm 높이의 물이 담긴 비커에 가만히 세워둘 경우, LCPF의 상단 및 측면의 모든 표면으로 단 1분 만에 물이 수송되어 전체적으로 빠르게 적실 수 있었고, 해수가 LCPF에 완전히 흡수된 후에는 3 cm 깊이의 물이 1 cm 깊이가 되었다. As shown in FIG. 1(b), when the 5 cm-high LCPF is standing still in a beaker containing 3 cm-high water, water is transported to all surfaces of the top and sides of the LCPF in just 1 minute, thereby quickly overall. It could be wetted, and after the seawater was completely absorbed by the LCPF, 3 cm deep water became 1 cm deep.

또한, 도 1의 (c)에서 보듯이, 상단에서 해수로의 열 수송이 완전히 차단되어, 스탠딩형 LCPF가 높은 단열재로 작용함을 확인할 수 있었다.In addition, as shown in Figure 1 (c), it was confirmed that the heat transport from the top to the seawater is completely blocked, the standing LCPF acts as a high heat insulating material.

흡광체에서 해수로의 열 손실은, 흡광체와 해수 사이에 목재, 셀룰로오스 막, 폴리우레탄 폼 등의 단열재를 배치하여 감소시킬 수 있다. 그러나, 부유형 단열재는 해수에 상당 부분 침지되므로, 흡광체와 해수 간에 거의 근접하여 열 손실을 효과적으로 줄일 수 없다.The heat loss from the absorber to the seawater can be reduced by placing an insulating material such as wood, cellulose membrane, polyurethane foam, etc. between the absorber and the seawater. However, since the floating insulating material is immersed in a large part of sea water, it is almost close between the absorber and the sea water, and heat loss cannot be effectively reduced.

도 5은 부유형 재료(PF, 목재, 종이)를 물에 놓았을 때의 사진이다. 검은 화살표는 흡광체의 위치를 나타내고, 파란 화살표는 수면을 나타낸다. 부유된 재료들은 흡광체의 위치와 수면 위치 사이의 간격만큼 단열성을 발휘하나, 이 간격이 대략 2 mm로 매우 가까우므로 열 손실이 발생할 수 있다.5 is a photograph of floating materials (PF, wood, paper) when placed in water. The black arrow indicates the position of the absorber, and the blue arrow indicates the water surface. The suspended materials exhibit thermal insulation as much as the distance between the position of the light absorber and the surface of the water absorber, but heat loss may occur because the distance is very close to approximately 2 mm.

도 1의 (c)의 좌측 열화상 이미지에서 부유형 PF의 물에 잠긴 영역이 오렌지색으로 나타났으므로, 낮은 단열성을 명확히 확인할 수 있었다.In the left thermal image of FIG. 1(c), the water-immersed area of the floating PF appeared orange, so it was possible to clearly confirm the low thermal insulation properties.

또한, 도 1의 (c)의 우측 열화상 이미지에서 스탠딩형 LCPF의 외부 노출 영역이 진한 파란색으로 나타났으므로, 흡광체와 해수 간의 이격으로 인한 단열 효과를 확인할 수 있었고, 이 영역에서 물이 흡열 증발됨을 알 수 있었다.In addition, in the right thermal image of FIG. 1 (c), since the external exposure area of the standing LCPF was dark blue, it was possible to confirm the thermal insulation effect due to the separation between the light absorber and the seawater, and the water absorbed heat in this area. It was found that it evaporated.

즉 증발 영역이 2D 평면에서 3D 원기둥으로 확장됨에 따라, 흡광체와 해수 간의 단열을 확보하고, LCPF의 측면에서 추가적인 증기 발생을 구현할 수 있었다. That is, as the evaporation region expanded from the 2D plane to the 3D cylinder, it was possible to secure the insulation between the absorber and the seawater, and to generate additional steam in terms of LCPF.

실험예 2: 구조 분석Experimental Example 2: Structural Analysis

도 2의 (a)는 PF의 다공성 구조 이미지로서, 수백 미크론 크기의 기공 프레임 내에 수십 미크론 미만의 많은 기공들이 관찰되며, 이와 같은 3D 네트워크 통로를 통해 물이 쉽게 수송될 수 있다. 이러한 미크론 크기의 기공을 갖는 PF는 표면적이 매우 크므로, 수송된 해수가 증발하여 증기의 형태로 공기 중으로 방출될 수 있는 영역이 넓다.2(a) is an image of the porous structure of the PF, and many pores less than tens of microns are observed in a pore frame having a size of several hundred microns, and water can be easily transported through the 3D network passage. Since the PF having pores having a micron size has a very large surface area, the transported seawater evaporates, and thus a wide area in which vapor can be released into the air in the form of steam.

도 2의 (b)는 다공성 PF 상의 rGO의 형상 이미지이다. rGO는 PF의 프레임 구조를 따라 잘 증착되었고, PF의 기공 구조를 유지하고 있었다. Figure 2 (b) is a shape image of the rGO on the porous PF. The rGO was well deposited along the frame structure of the PF and maintained the pore structure of the PF.

도 6은 (a) rGO의 표면적 및 (b) 기공 크기 분포를 측정한 결과이다. 상기 rGO의 표면적 및 기공 크기 분포는 각각 BET(Brunauer-Emmett-Teller) 및 BJH(Barrett-Joyner-Hallender)법에 의해 측정되었다. 도 6을 통해 rGO가 많은 미세 기공으로 인해 약 90.6 ㎠/g의 표면적을 갖는 것을 알 수 있으며, 이들 기공은 공기-물 계면에서 증발을 활성화하여 증기를 생성해 외부로 배출하는 역할을 할 수 있다. 6 is a result of measuring the surface area of (a) rGO and (b) pore size distribution. The surface area and pore size distribution of the rGO were measured by BET (Brunauer-Emmett-Teller) and BJH (Barrett-Joyner-Hallender) methods, respectively. It can be seen from FIG. 6 that the rGO has a surface area of about 90.6 cm 2 /g due to many fine pores, and these pores activate evaporation at the air-water interface to generate steam and discharge it to the outside. .

물 수송 재료 및 흡광체의 친수성은 효율적인 증기 발생에 중요하다. PF 및 rGO의 X-선 광전자 분광법(XPS)에 따른 광역 스펙트럼은 약 532 eV 및 약 285 eV에서 두 개의 다른 피크(뾰족한 O1s 및 C1s 피크)를 나타내며(도 2의 (c) 참조), 이로부터 재료의 관능기에 의한 친수성을 확인할 수 있다.The hydrophilicity of water transport materials and absorbers is important for efficient steam generation. The broad spectrum according to the X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) of PF and rGO shows two different peaks (peak O1s and C1s peaks) at about 532 eV and about 285 eV (see Fig. 2(c)), from which The hydrophilicity by the functional group of the material can be confirmed.

도 2의 (d) 및 (e)는 C1s의 피팅 곡선을 나타내고, 이는 4개의 카본 피크로 역필터링(deconvolution)된 것이며, 구체적으로 약 284.2 eV에서의 C-C(방향족) 피크, 약 285.7 eV에서의 C-O(하이드록실 및 에폭시), 및 약 288.5 eV에서의 O-C=O(카복실)을 나타낸다.2(d) and (e) show the fitting curve of C1s, which is deconvolution with 4 carbon peaks, specifically the CC (aromatic) peak at about 284.2 eV, at about 285.7 eV CO (hydroxyl and epoxy), and OC=O (carboxyl) at about 288.5 eV.

산소 함유기가 많은 비율을 차지하는 것은 친수성의 rGO 및 PF의 표면 특성이다. rGO 및 PF 상에 물방울을 떨어뜨릴 경우 즉시 사라져서 거의 0°의 접촉각을 나타내었고(도 2의 (d) 및 (e)의 삽입 이미지 참조), 이는 이들 표면의 친수성이 매우 높음을 의미하며 앞서의 XPS 결과와도 일치한다.It is the surface properties of the hydrophilic rGO and PF that occupy a large proportion of the oxygen-containing groups. When water droplets were dropped on the rGO and PF, they disappeared immediately and exhibited a contact angle of almost 0° (refer to the insert images in Figs. 2(d) and (e)), which means that the hydrophilicity of these surfaces is very high, It is also consistent with XPS results.

실험예 3: 증기 발생 평가Experimental Example 3: Steam generation evaluation

광열 증발을 통해 해수로부터 효과적으로 증기를 발생시키기 위해서는, 태양광 담수화 장치의 흡광체 소재의 태양광에 대한 흡광률과 광-열 에너지 전환율이 높아야 한다.In order to effectively generate steam from seawater through photothermal evaporation, the absorbance and photo-thermal energy conversion of the absorber material of the solar desalination device must be high.

흡광 재료의 광학적 특성을 알아보기 위해, 광대역 태양광 스펙트럼(파장 300~2500 nm)에 대한 rGO 및 PF의 흡수 스펙트럼을 분광기로 측정하여 도 3의 (a)에 나타내었다.In order to find out the optical properties of the absorbing material, the absorption spectra of rGO and PF for the broadband solar spectrum (wavelength 300 to 2500 nm) were measured with a spectrometer and shown in FIG. 3(a).

PF가 가시광선과 근적외선 대역에서 69%의 평균 흡수율을 나타낸 반면, rGO 시트는 스펙트럼의 모든 파장 대역에서 약 90%에 달하는 높은 흡수율을 나타내었다. While PF showed an average absorption of 69% in the visible and near-infrared bands, the rGO sheet exhibited a high absorption of about 90% in all wavelength bands of the spectrum.

태양광 담수화 성능을 평가하기 위해, 먼저 앞서 제조된 담수화 장치를 약 22℃ 및 20% 미만 습도 조건에 배치하여 증발에 의해 상부의 흡광체가 충분히 젖게 한 뒤, 이를 태양광 시뮬레이터(AM 1.5, 1000 W 제논 램프, Newport사)에 배치하였다. 해수의 수심은 3 cm로 조절하였다.In order to evaluate the solar desalination performance, first, the previously prepared desalination device is placed at a humidity condition of less than about 20C and less than 20%, so that the absorber at the top is sufficiently wet by evaporation, and then this is a solar simulator (AM 1.5, 1000 W). Xenon lamp, Newport). The water depth was adjusted to 3 cm.

태양광 조도 하에 1시간 노출한 뒤, 담수화 장치를 상단 온도를 측정하여 도 3의 (b)에 나타내었다. rGO/PF 샘플에서 가장 높은 온도(22℃에서 41.9℃까지)가 측정되었으며, 이는 rGO의 높은 흡광률과 부유형 PF 상단에 열이 모이는 특성이 복합된 것으로 추측된다. rGO/LCPF의 경우 rGO/PF에 비해서는 약간 낮은 열 상승(22℃에서 37.6℃까지)을 나타내었다.After exposure to 1 hour under sunlight, the desalination device was measured at the top temperature and shown in FIG. 3(b). The highest temperature (22°C to 41.9°C) was measured in the rGO/PF sample, which is presumed to be a combination of the high absorbance of rGO and the heat collecting properties on the top of the floating PF. The rGO/LCPF showed a slightly lower heat rise (22°C to 37.6°C) compared to rGO/PF.

rGO/LCPF의 낮은 열 상승은 LCPF의 측면에서 발생하는 흡열성 증발에 의한 것으로 풀이된다. 다만, LCPF 기반의 구조체(rGO/LCPF 및 LCPF)가 PF 기반 구조체(rGO/PF 및 PF)에 비해 최초 5분 동안은 높은 열 상승을 나타내었고, 이 시간 동안에는 LCPF 측면의 흡열성 증발에 의한 냉각 효과에 비해 상단의 열 응집 효과가 더욱 컸던 것으로 보인다. 그러나, 5분 이후에는, 계속적인 측면 증발로 인한 냉각 효과로, LCPF의 상단의 온도가 점차 감소하였다.The low heat rise of rGO/LCPF is attributed to the endothermic evaporation occurring on the side of the LCPF. However, the LCPF-based structures (rGO/LCPF and LCPF) showed a high heat rise for the first 5 minutes compared to the PF-based structures (rGO/PF and PF), during which time cooling by endothermic evaporation of the LCPF side It seems that the heat coagulation effect at the top was greater than the effect. However, after 5 minutes, due to the cooling effect due to the continuous side evaporation, the temperature at the top of the LCPF gradually decreased.

rGO가 형성되지 않은 PF 및 LCPF의 상단의 온도는 34.5℃ 및 30.7℃까지 증가하였고, 이와 같은 경향은 rGO가 형성된 PF 및 LCPF의 경우와 동일하였으며, 이는 PF의 흡광률이 도 3의 (a)에서 보듯이 약 69%로 비교적 높기 때문이다. 반면 단순히 물만 존재할 경우에 광열 전환이 개입되지 않으므로 온도가 26.8℃로 계속 유지되었다.The temperature of the top of the PF and LCPF without rGO was increased to 34.5°C and 30.7°C, and this trend was the same as that of the RF-formed PF and LCPF, and the absorbance of PF was shown in FIG. 3(a). As you can see, it is relatively high at about 69%. On the other hand, when only water was present, the photothermal conversion was not involved, so the temperature was maintained at 26.8°C.

도 3의 (c)는 부유형 PF(1.5 cm 두께) 및 스탠딩형 LCPF(5 cm 두께)에 rGO를 형성하거나 형성하지 않은 채로 태양광 조도에 1시간 노출한 뒤 표면의 온도를 비교한 열화상 이미지이다. rGO/PF 복합 구조체가 가장 높은 온도를 나타내었으며, 광흡수체를 형성하지 않은 LCPF 구조체가 가장 낮은 온도를 나타내었다.FIG. 3(c) is a thermal image comparing the surface temperature after exposure to sunlight for 1 hour with or without rGO formed on floating PF (1.5 cm thick) and standing LCPF (5 cm thick). It is an image. The rGO/PF composite structure showed the highest temperature, and the LCPF structure without forming the light absorber showed the lowest temperature.

도 3의 (d)는 PF 또는 LCPF 상에 20 mg의 rGO를 증착하고 태양광 조도 하에 놓았을 때 증기 발생에 따른 질량 변화를 나타낸 것이다. rGO 표면에 입사하는 광의 강도는 1 kW/㎡로 조절되었다.FIG. 3(d) shows a change in mass according to steam generation when 20 mg of rGO is deposited on PF or LCPF and placed under sunlight. The intensity of light incident on the rGO surface was adjusted to 1 kW/m 2.

rGO/LCPF를 이용했을 경우 약 2.38 kg/㎡·h의 질량 변화율을 나타내었으며, 이는 염수의 자연 증발에 따른 질량 변화율(약 0.37 kg/㎡·h)에 비해 6.43배에 달하는 것이다. 또한 이는 이론적인 최대 질량 변화율의 약 1.53배에 해당하기도 하며, 이와 같은 향상은 태양광이 열에너지로 전환됨으로써 달성된 것이다. rGO/LCPF의 증기 발생 성능은 rGO/PF에 비해 훨씬 우수하였는데, 이는 LCPF의 측면의 넓은 증발 영역에 기인한 것이다.When using rGO/LCPF, it showed a mass change rate of about 2.38 kg/m 2 ·h, which is 6.43 times higher than the mass change rate due to natural evaporation of brine (about 0.37 kg/m 2 ·h). It is also about 1.53 times the theoretical maximum mass change rate, and this improvement was achieved by converting sunlight into thermal energy. The steam generation performance of rGO/LCPF was much better than that of rGO/PF, due to the large evaporation area on the side of the LCPF.

일반적으로, 온도가 높아질수록 광열 증발 효과가 증대될 수 있다. 그러나, rGO/PF 및 rGO/LCPF에 대한 도 3의 (b)에서의 온도 변화(단 최초 5분 제외)와 도 3의 (d)에서의 광열 증기 발생률을 보면, 이와 같은 일반적인 경향이 나타나지 않았다. In general, as the temperature increases, the photothermal evaporation effect may increase. However, when the temperature change in FIG. 3(b) for rGO/PF and rGO/LCPF (except for the first 5 minutes) and the photothermal vapor generation rate in FIG. 3(d) were not observed, this general trend was not observed. .

이는 상부 표면에서 전환된 열이 해수로 버려지는 대신, LCPF의 다공성 측면을 통한 흡열 증발에 활용되었기 때문이다. 이에 따라, 측면에서 비광열 증발이 일어나는 과정에서 상부 표면의 온도가 약간 감소하더라도, 전체적인 물 증발량은 증가할 수 있다.This is because the heat converted from the upper surface is not discarded as seawater, but is used for endothermic evaporation through the porous side of the LCPF. Accordingly, although the temperature of the upper surface is slightly decreased in the process of non-thermal heat evaporation from the side, the total amount of water evaporation can be increased.

또한, rGO/LCPF는 상단과 해수면 사이의 간격(2 cm)가 rGO/PF 경우의 간격(2 mm)에 비해 훨씬 커서, 보다 높은 단열성을 발휘할 수 있었다.In addition, the distance between the top and the sea level of the rGO/LCPF (2 cm) was much larger than the distance (2 mm) in the case of the rGO/PF, and thus higher thermal insulation properties could be exhibited.

또한 앞서 알아본 바와 같이, LCPF 기반의 구조체는 주위에 잔류하는 열을 활용함으로써, 밤 시간이나 흐린 날과 같이 조명이 거의 없는 조건에서도 증기를 발생시킬 수 있다(도 11의 (a) 참조).In addition, as noted above, the LCPF-based structure can generate steam even in a condition where there is little lighting, such as a night time or a cloudy day, by utilizing the heat remaining in the surroundings (see FIG. 11(a) ).

태양광이 없는 조건에서 LCPF의 측면을 통한 증발률을 알아보기 위해, 서로 다른 높이의 LCPF에 rGO를 형성한 뒤 암 조건에서 질량 변화를 측정하여, 도 3의 (e)에 나타내었다.In order to determine the evaporation rate through the side surface of the LCPF in the absence of sunlight, rGO was formed in LCPFs of different heights, and mass change was measured in dark conditions, and the results are shown in FIG. 3(e).

모세관 힘에 의한 증발을 고려할 때, 수심 3 cm의 해수에서 PF의 최대 높이가 5.8cm로 예상되므로, 본 실시예에서는 rGO/LCPF의 높이를 약 5 cm까지 설계하였다.Considering evaporation by capillary force, the maximum height of PF is expected to be 5.8 cm in seawater at a depth of 3 cm, so the height of rGO/LCPF was designed to about 5 cm in this example.

도 9의 (a)는 다양한 높이의 LCPF를 수심 3 cm 해수에 넣었을 때의 사진이다. 도 9의 (a)에서 보듯이, 수심 3 cm 해수에 1.5 cm 높이의 PF를 부유시킨 결과, 측면이 2 mm 노출되고 나머지 1.3 cm는 수면 아래 가라앉았다. 또한 3 cm 해수에 3 cm, 4 cm, 5 cm 높이의 rGO/LCPF(각각 rGO/LCPF3, rGO/LCPF4, rGO/LCPF5로 표기)를 세운 결과, 해수 위로 각각 측면이 0 cm, 1 cm, 2 cm 노출되었다.FIG. 9(a) is a photograph when LCPFs of various heights are placed in 3 cm depth of seawater. As shown in FIG. 9(a), as a result of floating 1.5 cm high PF in 3 cm deep sea water, the side was exposed 2 mm and the remaining 1.3 cm sank below the water surface. In addition, 3 cm, 3 cm, 4 cm, and 5 cm tall rGO/LCPF (referred to as rGO/LCPF3, rGO/LCPF4, rGO/LCPF5, respectively) resulted in 0 cm, 1 cm, 2 sides respectively cm was exposed.

LCPF의 높이가 증가함에 따라, 측면의 면적이 증가하여 비광열 증기 발생 성능도 향상되었으며, rGO/LCPF의 경우 0.57 kg/㎡·h, rGO/LCPF5의 경우 1.02 kg/㎡·h에 달하였다. 이로부터 측면의 증발 영역을 확장하는 간단한 방식에 의해, 비광열 증발 성능을 현저히 향상시킬 수 있음을 알 수 있다. As the height of the LCPF increased, the area of the side surface increased to improve the performance of generating non-thermal heat, and reached 0.57 kg/m 2 ·h for rGO/LCPF and 1.02 kg/m 2 ·h for rGO/LCPF5. From this, it can be seen that the non-photothermal evaporation performance can be remarkably improved by a simple method of expanding the evaporation region on the side surface.

태양광 조도 하에서의 질량 변화율이 2.38 kg/㎡·h임을 고려할 때, rGO/LCPF5이 밤 시간에 발생하는 증기량이 낮 시간의 약 43%임을 알 수 있다.Considering that the rate of mass change under sunlight is 2.38 kg/m 2 ·h, it can be seen that the amount of steam generated by rGO/LCPF5 at night is about 43% of the daytime.

도 3의 (f)는 다양한 높이의 rGO/PF에 대해 태양광 조도에 1시간 노출시킨 뒤, 이의 측면을 관찰한 열화상 이미지이다. 3(f) is a thermal image obtained by exposing the rGO/PF of various heights to sunlight for 1 hour and observing the side surface thereof.

이를 볼 때, 수면 위로 노출된 측면의 면적이 증가할수록 조명 하에서 높은 단열성을 나타냄을 확인할 수 있다. 구체적으로, 측면의 온도는 rGO/LCPF5 < rGO/LCPF4 < rGO/PF < rGO/LCPF3 순으로 측정되었다.In view of this, it can be seen that as the area of the side exposed above the water surface increases, it exhibits high thermal insulation properties under illumination. Specifically, the side temperature was measured in the order of rGO/LCPF5 <rGO/LCPF4 <rGO/PF <rGO/LCPF3.

이와 같은 결과는 암 조건에서의 질량 변화와도 일치하며, 즉 비광열 증발이 실제로 단열성을 향상시킬 뿐만 아니라 광 조건 하에서의 물 증발에 의한 질량 변화도 증가시킴을 의미한다.This result is consistent with the mass change in dark conditions, which means that non-thermal heat evaporation actually improves the adiabatic properties as well as increases the mass change by evaporation of water under light conditions.

실험예 4: 담수화 성능 평가Experimental Example 4: Desalination performance evaluation

높은 흡광률을 갖는 rGO 시트와 낮은 열전도도로 인해 열 손실이 최소화된 LCPF가 복합된 구조체(rGO/LCPF)는, 태양광 증기 발생에 유용하게 활용될 수 있다.A structure (rGO/LCPF) in which an LCGO compound having a high absorbance and an LCPF with minimal heat loss due to low thermal conductivity (rGO/LCPF) can be usefully used for solar steam generation.

태양광 조도(1 kW/㎡) 하에서의 LCPF의 증기 발생 성능을 평가하기 위해, 3.5% 염수의 질량 변화, 장시간 내구성, 사이클 안정성, 담수화 이후의 염도 변화를 측정하여, 그 결과를 도 4에 나타내었다. LCPF 기반의 구조체들은 외부 노출 면적이 증가할수록 질량 변화가 커졌으며, rGO/LCPF5의 경우에 최대 2.38 kg/㎡·h에 달하였다.In order to evaluate the steam generation performance of LCPF under solar irradiance (1 kW/m 2 ), the mass change of 3.5% brine, long-term durability, cycle stability, and salinity change after desalination were measured, and the results are shown in FIG. 4. . LCPF-based structures had a larger mass change as the external exposure area increased, and reached up to 2.38 kg/m 2 ·h for rGO/LCPF5.

rGO/PF의 질량 변화는 rGO/LCPF3에 비해서는 더 컸는데, 이는 rGO/PF의 경우 비광열 증발이 가능한 측면이 2 mm 노출된 반면에, rGO/LCPF3는 수심 3 cm의 염수에 세워져 모든 측면이 수면 아래로 잠겼기 때문이다.The mass change of rGO/PF was larger than that of rGO/LCPF3, which was 2 mm exposed for non-thermal evaporation in the case of rGO/PF, while rGO/LCPF3 was built in 3 cm of salt water and all sides This is because it is submerged below the surface.

광-증기 전환 효율(η)은 아래 식으로 계산되었다.The light-steam conversion efficiency (η) was calculated by the following equation.

Figure 112018081404639-pat00003
(
Figure 112018081404639-pat00004
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Figure 112018081404639-pat00003
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Figure 112018081404639-pat00004
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상기 식에서, A는 조명의 단면적(㎡)이고, Copt는 광학 농도이며, Qs는 광조사 강도(1 kW/㎡)이고, m은 광열 변환 에너지에 의한 물의 증발률(kg/㎡·h)이고, λ는 물의 증기로의 상변화 시의 잠열(2255.2 J/g)이며, C는 물의 비열용량(4.2 J/g·K)이고, △T는 생성된 증기의 온도 증가분(K)이다.In the above formula, A is the cross-sectional area (m 2) of illumination, C opt is the optical density, Q s is the light irradiation intensity (1 kW/m 2 ), and m is the evaporation rate of water (kg/m 2 ·h) by photothermal conversion energy ), λ is the latent heat at the phase change of water to steam (2255.2 J/g), C is the specific heat capacity of water (4.2 J/g·K), and △T is the temperature increment (K) of the generated steam. .

상기 식에 따라 계산한 결과, 1 kW/㎡의 광 조건에서 염수와 rGO/LCPF5의 광-증기 전환 효율(η)은 각각 8.85% 및 86.2%로 현저한 차이를 나타내었다. 또한 LCPF의 측면의 증기량은 LCPF의 측면에 노출된 높이에 비례하는 것으로 확인되었다.As a result of calculation according to the above formula, the light-steam conversion efficiency (η) of brine and rGO/LCPF5 under light conditions of 1 kW/m 2 showed a significant difference of 8.85% and 86.2%, respectively. In addition, it was confirmed that the amount of vapor on the side of the LCPF is proportional to the height exposed on the side of the LCPF.

LCPF를 이용하여 실제로 담수화를 수행할 때 내구성이 매우 중요하다. 기존의 담수화 장치들은 흡광체의 부식, 폐색 등의 많은 문제가 있었다. 그러나 상기 실시예에 따른 LCPF는 해수와 흡광체 간에 일정 간격 떨어져 있어서 부식을 방지할 수 있다. Durability is very important when actually performing desalination using LCPF. Existing desalination devices have had many problems such as corrosion of the absorber and occlusion. However, the LCPF according to the above embodiment can prevent corrosion because it is separated by a certain distance between seawater and the absorber.

또한 페놀 폼의 기공이 수 미크론 이상이기 때문에 태양광 조도에서 6시간 작동시켜도 유로가 막히지 않고, 도 4의 (b)에서 보듯이 높은 증기 발생률을 유지할 수 있다. In addition, since the pores of the phenolic foam are more than a few microns, the flow path is not blocked even when operating in sunlight for 6 hours, and as shown in FIG. 4(b), a high steam generation rate can be maintained.

도 4의 (c)는 태양광 조도 하에서 rGO/LCPF5의 사이클 특성(1시간씩 20 사이클)을 평가한 결과이다. 증발률이 약 2.24 kg/㎡·h로 높게 유지되었으며, 이는 rGO/LCPF가 높은 성능으로 재활용될 수 있음을 의미한다.FIG. 4(c) shows the results of evaluating the cycle characteristics of rGO/LCPF5 under sunlight (20 cycles per hour). The evaporation rate was kept high at about 2.24 kg/m 2 ·h, which means that rGO/LCPF can be recycled with high performance.

담수화 성능을 좀 더 구체적으로 확인하기 위해, rGO/LCPF에 의해 발생한 증기와 해수 간에 염도 변화를, ICP-MS(inductively coupled plasma mass-spectroscopy) 장비에 의해 측정하여 도 4의 (d)에 나타내었다. rGO/LCPF에 의해 발생한 증기 내의 나트륨 및 염소 이온의 농도는, 해수 내의 농도와 비교하여 현저히 감소하였다. In order to more specifically check the desalination performance, the salinity change between steam generated by rGO/LCPF and seawater was measured by an inductively coupled plasma mass-spectroscopy (ICP-MS) device and shown in FIG. 4(d). . The concentrations of sodium and chlorine ions in the vapor generated by rGO/LCPF were significantly reduced compared to those in seawater.

담수화를 통해 얻은 증기의 염도는, WHO(World Health Organization) 및 EPA(US Environmental Protection Agency) 표준에 따른 먹는 물의 안전 기준이 되는 염도보다도 낮았다.The salinity of steam obtained through desalination was lower than the salinity, which is a safety standard for drinking water according to WHO (World Health Organization) and EPA (US Environmental Protection Agency) standards.

이상 실험예를 통해, 본 발명의 실시예에 따른 LCPF는 3D 다공성 표면에 의해 기존의 태양광 증기 발생의 최대량을 초과(153%)하는 약 2.38 kg/㎡·h의 높은 증기 발생율을 달성하였음을 알 수 있었다. 이는, 태양 아래에서 일차적으로 발생하는 LCPF 상부의 광열 증발(1.36 kg/㎡·h)에 더하여, LCPF의 측면에서도 밤낮으로 비광열 작용에 의한 증기 발생율이 1.02 kg/㎡·h에 달하였기 때문이다.Through the above experimental examples, the LCPF according to the embodiment of the present invention achieved a high steam generation rate of about 2.38 kg/m 2 ·h that exceeds (153%) the maximum amount of conventional solar steam generation by the 3D porous surface. Could know. This is because, in addition to photothermal evaporation (1.36 kg/m 2 ·h) at the top of the LCPF, which occurs primarily under the sun, the rate of steam generated by non-thermal heat action reaches 1.02 kg/m 2 ·h day and night in terms of LCPF. .

또한, LCPF 폼의 측면이 노출됨으로써 흡광체와 해수면 사이에 큰 간극을 제공하고, 흡열성인 비광열 증발 영역을 제공하며, 해수로의 열 손실이 최소화될 수 있었다. 또한 상기 실시예에 따른 LCPF에 좀 더 효과적인 흡광재료를 적용할 경우, 광열 증발 성능을 보다 향상시킬 수 있을 것으로 예상된다. 따라서, 상기 실시예에 따른 3D 증기 발생 장치는 전세계적으로 심각한 물 부족 문제를 해결할 수 있을 것으로 기대된다.In addition, by exposing the side surfaces of the LCPF foam, a large gap was provided between the absorber and the sea level, a non-thermal heat evaporation area that was endothermic, and heat loss to the sea water could be minimized. In addition, when a more effective absorbing material is applied to the LCPF according to the embodiment, it is expected that the photothermal evaporation performance can be further improved. Therefore, it is expected that the 3D steam generating device according to the above embodiment can solve the serious water shortage problem worldwide.

Claims (14)

표면 및 내부에 서로 연결된 다수의 기공을 갖고 밑면의 직경보다 높이가 더 긴 기둥 형상의 지지체; 및
상기 지지체의 하나의 밑면 상에 형성된 흡광체층을 포함하는 복합 구조체로서,
상기 복합 구조체가, 상기 흡광체층이 형성된 밑면이 위를 향하면서 수면 위로 측면이 1 cm 이상 노출되도록 복합 구조체의 높이보다 낮은 수심의 해수에 세워져 태양광을 이용한 해수의 담수화에 사용되고, 1 kW/㎡ 세기의 광 조건에서 2.0 kg/㎡·h 이상의 물 증발률을 나타내고, 암 조건에서 0.5 kg/㎡·h 이상의 물 증발률을 나타내는, 복합 구조체.
A pillar-shaped support having a plurality of pores connected to the surface and the inside and having a height higher than the diameter of the bottom surface; And
A composite structure comprising a light absorber layer formed on one bottom surface of the support,
The composite structure is used for desalination of seawater using sunlight by being built in seawater at a depth lower than the height of the composite structure so that the side surface on which the absorber layer is formed faces upward and the side surface is exposed at least 1 cm above the water surface, 1 kW/㎡ A composite structure exhibiting a water evaporation rate of at least 2.0 kg/m 2 ·h in light conditions of an intensity and a water evaporation rate of at least 0.5 kg/m 2 ·h in dark conditions.
삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 복합 구조체가 상기 해수의 수심보다 1 cm 이상 높은 높이를 갖는, 복합 구조체.
According to claim 1,
The composite structure has a height of 1 cm or more higher than the depth of the sea water, the composite structure.
제 1 항에 있어서,
상기 지지체가 물에 대한 10°이하의 접촉각 및 0.1 W/m·K 이하의 열전도율을 갖는, 복합 구조체.
According to claim 1,
A composite structure in which the support has a contact angle of 10° or less with respect to water and a thermal conductivity of 0.1 W/m·K or less.
제 1 항에 있어서,
상기 지지체가 다공성 페놀 폼을 포함하는, 복합 구조체.
According to claim 1,
A composite structure, wherein the support comprises a porous phenolic foam.
제 1 항에 있어서,
상기 흡광체층이 파장 250~2500 nm의 모든 대역에서 85% 이상의 흡광율을 갖는, 복합 구조체.
According to claim 1,
A composite structure in which the absorber layer has an absorbance of 85% or more in all bands having a wavelength of 250 to 2500 nm.
제 1 항에 있어서,
상기 흡광체층이 환원된 그래핀 산화물을 포함하는, 복합 구조체.
According to claim 1,
A composite structure in which the light absorber layer contains reduced graphene oxide.
제 1 항에 있어서,
상기 흡광체층이 10 ㎛ 내지 100 ㎛ 범위의 두께를 갖는, 복합 구조체.
According to claim 1,
The composite structure, wherein the light absorber layer has a thickness in the range of 10 μm to 100 μm.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 지지체가 다공성 페놀 폼이고,
상기 흡광체층이 환원된 그래핀 산화물을 포함하는, 복합 구조체.
According to claim 1,
The support is a porous phenolic foam,
A composite structure in which the light absorber layer contains reduced graphene oxide.
제 1 항에 있어서,
상기 복합 구조체가 하기 수학식 1로 계산되는 광-증기 전환 효율(η)에서 80% 이상을 나타내는, 복합 구조체:
[수학식 1]
Figure 112018081404639-pat00005

상기 수학식 1에서, A는 조명의 단면적(㎡)이고, Copt는 광학 농도이며, Qs는 광조사 강도(1 kW/㎡)이고, Qe는 하기 수학식 2로 계산되며,
[수학식 2]
Figure 112018081404639-pat00006

상기 수학식 2에서, m은 광열 변환 에너지에 의한 물의 증발률(kg/㎡·h)이고, λ는 물의 증기로의 상변화 시의 잠열(2255.2 J/g)이며, C는 물의 비열용량(4.2 J/g·K)이고, △T는 생성된 증기의 온도 증가분(K)이다.
According to claim 1,
The composite structure shows 80% or more in the light-steam conversion efficiency (η) calculated by the following equation (1):
[Equation 1]
Figure 112018081404639-pat00005

In Equation 1, A is the cross-sectional area (m 2) of illumination, C opt is the optical density, Q s is the light irradiation intensity (1 kW/m 2 ), Q e is calculated by Equation 2 below,
[Equation 2]
Figure 112018081404639-pat00006

In Equation 2, m is the evaporation rate of water (kg/m 2 ·h) by photothermal conversion energy, λ is the latent heat (2255.2 J/g) when the phase changes to water vapor, and C is the specific heat capacity of water ( 4.2 J/g·K), and ΔT is the temperature increment (K) of the vapor produced.
제 1 항의 복합 구조체를 포함하는 담수화 장치.
A desalination device comprising the composite structure of claim 1.
제 1 항의 복합 구조체를, 흡광체층이 형성된 밑면이 위를 향하면서 수면 위로 측면이 1 cm 이상 노출되도록, 해수에 세워 놓는 것을 포함하는, 담수화 방법.A method of desalination comprising the step of placing the composite structure of claim 1 in sea water so that the side surface on which the light absorber layer is formed faces upward and the side surface is exposed at least 1 cm above the water surface.
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