KR20210079595A - 대기 중의 수증기로부터 물을 제조하는 방법 및 제조장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 가스투과성의 제1 튜브; 상기 제1 튜브의 외면을 둘러싸며, 내부에 흡착제가 충진되는 제2 튜브; 상기 제1 튜브의 내부로 수증기를 포함하는 공기를 공급하는 제1 펌프; 및 상기 제1 튜브 내부로 압력을 인가하는 제2 펌프를 포함하는 대기 중의 수증기로부터 물 제조장치 및 이를 이용한 물 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 간단한 구성으로 이루어진 장치를 이용하여, 흡착 시 12시간, 탈착 시 12시간이라는 24시간 주기의 기존 방식을 뛰어넘어 2시간 이내로 물을 생성해 낼 수 있는 효과가 있다. 또한, 본 발명에 따른 물 제조장치는 구성이 간단하고 가격이 저렴하며, 장치운용이 어렵지 않으므로, 물 부족국가에 쉽게 공급할 수 있다. 또한, 장치의 개수를 늘리는 것으로 간단하게, 생성되는 물의 양을 높일 수 있으므로 식수부족이라는 전 세계적 난제를 풀 수 있는 기초가 될 수 있을 것으로 예상된다.
Description
본 발명은 대기 중의 수증기로부터 물을 제조하는 방법 및 제조장치에 관한 것이다.
양질의 식수 공급이 세계적으로 턱없이 부족한 실정이다. 특히 사막과 같이 건조한 지역이나 물 부족 국가에서는 사람이 마실 수 있는 식수의 원활한 공급이 필요하다.
아무리 건조한 사막이라고 하여도 공기 중에는 상당량의 수분이 기체 형태로 존재하고 있다. 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 대습도(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 있어 왔다. 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.
다공성 고체를 이용하여 대기 중의 수분을 흡착시키고 시간이 지난 후 기공에 찬 물을 선택적으로 탈착하여, 식수를 만들어내는 연구는 예전부터 진행이 되었지만, 양이 너무 적거나 선택적 흡착 및/또는 탈착이 어려워 실생활에 적용하기는 불가능 하다. 예를 들면 제올라이트의 경우 상대습도(Relative humidity, RH)가 5% 이하의 건조한 환경에서도 물을 빠르게 흡착하는 성질을 가지고 있지만, 제올라이트의 표면 기능기와 수분이 화학결합을 이루게 되므로 탈착하는데 높은 열을 필요로 하는 등 많은 에너지가 필요하다는 단점이 있다. 또 다른 다공성 고체인 실리카의 경우 완만한 흡착 및 탈착이 가능하지만 물과의 친화성이 떨어지므로 흡착되는 수증기의 양과 탈착되는 물의 양이 상대적으로 적다는 단점을 가지고 있다. 즉, 수분을 식수로 전환하려면 일반적인 기후의 상대 습도에서 흡착이 가능하여야 하고, 적당한 에너지에 의한 탈착과, 높은 절대 흡착량이 요구된다.
최근 Massachusetts Institute of Technology (MIT)의 Wang교수가 발표한 논문(Water harvesting from air with metal-organic frameworks powered by natural sunlight, Science, 2017, 356, 430)에 의하면 MOFs를 이용하여 사막에서 식수를 만드는 연구가 진행이 되었다. 원리는 밤 온도(25℃)에 물을 흡착하고 낮 온도 (45℃) 에 물을 탈착 하는 기능을 가진 MOFs를 이용하여 밤새 물을 흡착 시킨 후 낮에 물을 탈착 시킨다. 이 연구는 사막이나 물 부족국가에서 필요한 식수를 적은 에너지만을 이용하여 공급할 수 있다는 선도적 연구결과를 보여주고 있지만, 흡착에 12시간, 이후에 탈착에 12시간이라는 24시간 주기가 필요하다는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 간단한 구성을 가지며, 빠른 시간 내에 대기 중의 수증기로부터 물을 생성하는 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 가스투과성의 제1 튜브; 상기 제1 튜브의 외면을 피복하며, 내부에 흡착제가 충진되는 제2 튜브; 상기 제1 튜브의 내부로 수증기를 포함하는 공기를 공급하는 제1 펌프; 및 상기 제1 튜브 내부로 압력을 인가하는 제2 펌프를 포함하는 대기 중의 수증기로부터 물 제조장치가 제공된다.
상기 흡착제가 금속-유기 구조체(MOF, metal-organic framework), 탄소체, 그라파이트, 그래핀, 탄소나노튜브, 클레이 및 다공성 티타니아 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
상기 흡착제가 UiO-66계 금속-유기 구조체일 수 있다.
상기 제1 튜브가 실리콘 수지 및 테플론 수지 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 제2 튜브가 불소 수지일 수 있다.
상기 제1 펌프는 순환펌프이고, 제2 펌프는 진공펌프일 수 있다.
본 발명에 다른 측면에 따르면, 상기 장치를 이용하여, 대기 중의 수증기로부터 물을 제조하는 방법으로서, 5 내지 50℃의 온도에서, 상기 제1 튜브의 내부로 수증기를 포함하는 공기를 공급하여 흡착제에 수분을 흡착시키는 단계; 및 상기 수분을 흡착시키는 단계 이후, 60 내지 80℃의 온도에서, 압력을 인가하여, 흡착제로부터 수분을 탈착하는 단계를 포함하는 대기 중의 수증기로부터 물을 제조하는 방법이 제공된다.
상기 수분을 흡착시키는 단계가 10 내지 60분 동안 수행될 수 있다.
상기 수분을 탈착하는 단계가 5 내지 30분 동안 수행될 수 있다.
상기 인가되는 압력이 7 내지 14 psi일 수 있다.
상기 방법은 상대습도 20% 이하에서 사용될 수 있다.
본 발명에 따르면, 간단한 구성으로 이루어진 장치를 이용하여, 흡착 시 12시간, 탈착 시 12시간이라는 24시간 주기의 기존 방식을 뛰어넘어 2시간 이내로 물을 생성해 낼 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 물 제조장치는 구성이 간단하고 가격이 저렴하며, 장치운용이 어렵지 않으므로, 물 부족국가에 쉽게 공급할 수 있다.
또한, 장치의 개수를 늘리는 것으로 간단하게, 생성되는 물의 양을 높일 수 있으므로 식수부족이라는 전 세계적 난제를 풀 수 있는 기초가 될 수 있을 것으로 예상된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 물 제조장치를 이용하여 대기 중의 수증기로부터 물을 제조하는 방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
이하, 다양한 실시예를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 대기 중의 수증기로부터 물을 제조하는 방법 및 제조장치에 관한 것에 관한 것으로, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 물 제조장치를 이용하여 대기 중의 수증기로부터 물을 제조하는 방법을 개략적으로 나타낸 것이다. 이하에서는 도 1을 참조하여, 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 가스투과성의 제1 튜브; 상기 제1 튜브의 외면을 피복하며, 내부에 흡착제가 충진되는 제2 튜브; 상기 제1 튜브의 내부로 수증기를 포함하는 공기를 공급하는 제1 펌프; 및 상기 제1 튜브 내부로 압력을 인가하는 제2 펌프를 포함하는 대기 중의 수증기로부터 물 제조장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 물 제조장치는 이중 튜브 구조로 이루어져 있다. 이중 튜브 구조로 인해 외기와 흡착제간의 접촉면적을 최대화하여 기존 장비에 비해 빠른 흡착 및 탈착을 유도할 수 있다. 한편, 내부에 위치하는 제1 튜브는 고체, 액체 및 기체 중 기체만 통과할 수 있는 가스 투과성 재질로 이루어져 있는 것이 바람직하다. 환언하면, 표면에 미세한 기공들을 포함하고, 초소수성의 재질로 이루어져, 액상 물질의 접근은 불가하나, 기체상 물질들은 미세한 기공들에 의해 통과가 잘되는 재질로 이루어져 있는 것일 수 있다.
상기 가스 투과성의 제1 튜브의 재질은 예를 들어, 실리콘 수지 및 테플론(Teflon) 수지 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 실리콘 수지를 포함할 수 있으며, 예를 들어, Teflon사의 AF-2400을 포함할 수 있다.
상기 제1 튜브의 외면은 제2 튜브에 의해 피복된다. 제2 튜브는 바람직하게는 PTFE 및 PFA 등의 불소 수지를 포함할 수 있다. 불소수지는 산이나, 유기용매에 대하여 강한 저항력을 가지며, 가격 또한 저렴하므로, 바람직하다.
상기 제2 튜브 내부에는 대기 중의 수증기를 흡착 및 탈착하기 위한, 흡착제가 충진된다. 상기 흡착제는 예를 들어, 금속-유기 구조체(MOF, metal-organic framework), 탄소체, 그라파이트, 그래핀, 탄소나노튜브, 클레이 및 다공성 티타니아 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
바람직하게는, 상기 흡착제는 UiO-66계 금속-유기 구조체일 수 있다. UiO-66계 금속-유기 구조체는 지르코늄(Zr)을 중심 금속으로 하여 유기 리간드가 결합됨으로써 내부의 빈 공간을 가진 3차원 구조를 형성하는 물질로, 기본구조에 중심금속으로 지르코늄, 리간드로 테레프탈산을 포함하는 물질이다. 또한, 상기 기본구조에 하나 이상의 아민기, 히드록시기 또는 니트로기가 도입된 유도체를 총칭할 수 있다. 예컨대, UiO-66(Zr), UiO-66(Zr)-2COOH, UiO-66(Zr)-BTEC, UiO-66(Zr)-COOH, UiO-66(Zr)-BTC, UiO-66(Zr)-NH2, UiO-66-OH, UiO-66-NO2, UiO-66-(NH2)2 및 UiO-66-(OH)2를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 금속-유기 구조체는 표면적과 기공 부피가 크고, 적절한 구성의 조합, 선택 및 합성 후 처리를 통해서 금속-유기 구조체의 화학적 특성을 세밀하게 조절이 가능하다는 장점이 있다. 예를 들어, 본 발명의 흡착제는 UiO-66, ZrCl4와 테레프탈산을 디메틸포름알데히드(DMF)에 완전 용해시킨 후, 압력 반응기에 넣고 120℃의 온도에서, 18시간 반응하여 합성함으로써, 제조될 수 있다.
본 발명의 물 제조장치는 상기 제1 튜브의 내부, 즉, 원통형으로 형성된 동공으로 수증기를 포함하는 공기를 공급하는 제1 펌프를 포함한다. 상기 제1 펌프는 순환펌프일 수 있다. 또한, 후술하는 바에 따라, 상기 제1 튜브 내부로 압력을 인가하여, 흡착제로부터 흡착제에 흡착된 수분을 탈착하는 제2 펌프를 포함하며, 상기 제2 펌프는 진공펌프일 수 있다.
이하에서는, 상술한 물 제조장치를 이용하여, 대기 중의 수증기로부터 물을 제조하는 방법을 설명한다.
먼저, 순환펌프를 이용하여, 상기 제1 튜브의 내부로 수증기를 포함하는 공기를 공급하여 흡착제에 수분을 흡착시킨다. 이 때, 온도는 5 내지 50℃의 온도일 수 있고, 바람직하게는 15 내지 30℃일 수 있다. 5℃ 미만인 경우, 응결이 발생하여 수증기가 미리 수분으로 전환될 수 있고, 반면, 50℃ 초과인 경우, 흡착과 탈착이 동시에 일어날 수 있어, 흡착률이 매우 저하될 수 있다.
한편, 상기 수분을 흡착시키는 단계는 10 내지 60분 동안 수행되는 것이 바람직하다. 10분 미만인 경우, 흡착할 수 있는 시간이 충분하지 못하여 흡착률이 떨어질 수도 있다. 한편, 본 발명에 따른 물 제조장치는 빠른 시간 내에 대기 중의 수증기로부터 물을 생성할 수 있는 장점이 있으므로, 60분 이내에 대기 중으로부터 충분한 수증기를 흡착할 수 있다.
다음으로, 상기 수분을 흡착시키는 단계 이후, 압력을 인가하여, 흡착제로부터 수분을 탈착시킨다. 이 때, 압력은 진공 펌프를 이용하여 인가할 수 있고, 인가되는 압력은 7 내지 14 psi일 수 있다. 과한 압력은 추가적인 전력 낭비 및 튜브를 포함하는 물 제조장치의 붕괴를 일으킬 수도 있어, 안전성 측면에서 바람직하지 않다.
흡착제로부터 수분을 탈착하는 단계는 60 내지 80℃의 온도에서 수행될 수 있고, 바람직하게는 60 내지 70℃에서 수행될 수 있다. 60℃ 미만인 경우, 탈탈 효율이 저하되며, 80℃ 초과인 경우, 흡착된 물 분자가 증발되어 버릴 수 있다.
상기 수분을 탈착시키는 단계가 5 내지 30분 동안 수행되는 것이 바람직하다. 5분 미만인 경우, 탈착률이 떨어질 수 있고, 본 발명에 따른 물 제조장치는 빠른 시간 내에 대기 중의 수증기로부터 물을 생성할 수 있는 장점이 있으므로, 30분 이내에 흡착한 수증기를 탈착할 수 있다.
상기 제2 펌프에 반대측에는 탈착된 물을 보관할 수 있는 물 보관장치가 구비될 수 있다. 상기 물 보관장치로 탈착된 물을 보내, 수분의 손실없이 생성된 물을 보관할 수 있다.
한편, 상술한 본 발명의 방법은 상대습도 20% 이하, 즉, 일반적인 날씨 조건에서의 대기를 이용하여 사용될 수 있으므로, 어느 곳에서도 물을 생성할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
Claims (11)
- 가스투과성의 제1 튜브;
상기 제1 튜브의 외면을 피복하며, 내부에 흡착제가 충진되는 제2 튜브;
상기 제1 튜브의 내부로 수증기를 포함하는 공기를 공급하는 제1 펌프; 및
상기 제1 튜브 내부로 압력을 인가하는 제2 펌프를 포함하는 대기 중의 수증기로부터 물 제조장치.
- 제1항에 있어서,
상기 흡착제가 금속-유기 구조체(MOF, metal-organic framework), 탄소체, 그라파이트, 그래핀, 탄소나노튜브, 클레이 및 다공성 티타니아 중에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 대기 중의 수증기로부터 물 제조장치.
- 제1항에 있어서,
상기 흡착제가 UiO-66계 금속-유기 구조체인 것을 특징으로 하는 대기 중의 수증기로부터 물 제조장치.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 튜브가 실리콘 수지 및 테플론 수지 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 대기 중의 수증기로부터 물 제조장치.
- 제1항에 있어서,
상기 제2 튜브가 불소 수지인 것을 특징으로 하는 대기 중의 수증기로부터 물 제조장치.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 펌프는 순환펌프이고, 제2 펌프는 진공펌프인 것을 특징으로 하는 대기 중의 수증기로부터 물 제조장치.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 물 제조장치를 이용하여 대기 중의 수증기로부터 물을 제조하는 방법으로서,
5 내지 50℃의 온도에서, 상기 제1 튜브의 내부로 수증기를 포함하는 공기를 공급하여 흡착제에 수분을 흡착시키는 단계; 및
상기 수분을 흡착시키는 단계 이후, 60 내지 80℃의 온도에서, 압력을 인가하여, 흡착제로부터 수분을 탈착하는 단계를 포함하는 대기 중의 수증기로부터 물을 제조하는 방법.
- 제7항에 있어서,
상기 수분을 흡착시키는 단계가 10 내지 60분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 대기 중의 수증기로부터 물을 제조하는 방법.
- 제7항에 있어서,
상기 수분을 탈착하는 단계가 5 내지 30분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 대기 중의 수증기로부터 물을 제조하는 방법.
- 제7항에 있어서,
상기 인가되는 압력이 7 내지 14 psi인 것을 특징으로 하는 대기 중의 수증기로부터 물을 제조하는 방법.
- 제7항에 있어서,
상기 방법은 상대습도 20% 이하에서 사용되는 것을 특징으로 하는 대기 중의 수증기로부터 물을 제조하는 방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020190171554A KR20210079595A (ko) | 2019-12-20 | 2019-12-20 | 대기 중의 수증기로부터 물을 제조하는 방법 및 제조장치 |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
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| KR20210079595A true KR20210079595A (ko) | 2021-06-30 |
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ID=76602012
Family Applications (1)
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| KR1020190171554A KR20210079595A (ko) | 2019-12-20 | 2019-12-20 | 대기 중의 수증기로부터 물을 제조하는 방법 및 제조장치 |
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| KR (1) | KR20210079595A (ko) |
-
2019
- 2019-12-20 KR KR1020190171554A patent/KR20210079595A/ko not_active Application Discontinuation
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