KR20230011042A - 태양광을 이용하는 해수 증발 시스템 및 해수 증발기 - Google Patents

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KR20230011042A
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강지훈
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울산과학기술원
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Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 태양광을 이용한 해수 증발 시스템은 내부에 해수가 담겨있고, 상면이 소정의 경사를 가지고 기울어진 컨테이너; 및 상기 컨테이너 내부에 위치하는 해수 증발기를 포함할 수 있고, 상기 해수 증발기는, 상기 해수 위에서 부유하고, 내부에 수직하게 연장된 해수 이동로를 포함하고, 상부의 종단면이 V자 형상인 서포터; 상기 서포터의 상부에 위치하고, 소수성(hydrophobic)을 가지는 제1 태양광 흡수층; 및 상기 제1 태양광 흡수층과 상기 서포터 사이에 위치하고, 친수성(hydrophilic)을 가지는 제2 태양광 흡수층을 포함할 수 있다.

Description

태양광을 이용하는 해수 증발 시스템 및 해수 증발기{SOLAR EVAPORATOR SYSTEM AND EVAPORATOR}
본 발명은 태양광을 이용하는 해수 증발 시스템 및 해수 증발기에 관한 것이다.
엄청난 전세계의 인구 수와 담수 공급원의 부족으로 인해 담수 부족은 전세계가 직면한 큰 위협들 중 하나가 되었다. 이러한 맥락에서, 태양 에너지를 이용한 담수화는 담수 부족을 해결하기 위한 친환경적이고 저렴하게 담수를 얻을 수 있는 방법이다. 특히 경제적, 그리고 환경적 문제로 분투하는 개발 도상국에서 이용될 수 있다. 하지만, 이 방법의 가장 큰 문제점은 낮은 태양광 흡수율, 낮은 열 국부화, 그리고 열손실이다.
탄화 목재 및 버섯과 같은 자연적으로 발생한 다양한 다공성 물질과 탄화 면화, 종이, 및 유기 발포체 등을 포함하는 풍부한 물질이 효과적인 광열 변환 및 해수 증발을 위해 이용되어왔다. 이러한 재료는 환경 친화적이고 지속 가능하지만 태양광 수확 능력이 제한되고 염분 침착으로 인해 적용 가능성이 낮다. 또한, 자발적 부유 (self-floating) 이슈 역시 효율적인 해수 증발을 방해하는 요소이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 전술한 문제를 해결하기 위하여, 태양광을 이용하는 해수 증발 시스템 및 해수 증발기는 해수면 위에 부유하고, 오목한 서포터를 포함하고, 각각의 성질이 반대인 두 개의 태양광 흡수층을 포함할 수 있다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 해결하고자 하는 과제는 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 태양광을 이용한 해수 증발 시스템은 내부에 해수가 담겨있고, 상면이 소정의 경사를 가지고 기울어진 컨테이너; 및 상기 컨테이너 내부에 위치하는 해수 증발기를 포함할 수 있고, 상기 해수 증발기는, 상기 해수 위에서 부유하고, 내부에 수직하게 연장된 해수 이동로를 포함하고, 상부의 단면이 V자 형상인 서포터; 상기 서포터의 상부에 위치하고, 소수성(hydrophobic)을 가지는 제1 태양광 흡수층; 및 상기 제1 태양광 흡수층과 상기 서포터 사이에 위치하고, 친수성(hydrophilic)을 가지는 제2 태양광 흡수층을 포함할 수 있다.
상기 v자 형상인 종단면의 꼭지각은 부력에 기초하여 결정되는 것일 수 있다.
상기 꼭지각은 165도 이상 170도 이하인 것일 수 있다.
상기 제1 태양광 흡수층은 PVA/PVP hydrogel-based carbon (HBC)이고, 상기 제2 태양광 흡수층은 polydopamine (PDA) 코팅된 glass fiber 필터 (GF/C)인 것일 수 있다.
상기 제1 태양광 흡수층은 진공 필터 방식을 통해 상기 제2 태양광 흡수층에 적층되는 것일 수 있다.
상기 제2 태양광 흡수층의 PDA는 상기 제1 태양광 흡수층 및 상기 제2 태양광 흡수층을 상호 부착시키는 것일 수 있다.
상기 HBC는 섭씨 990도 이상 섭씨 1010도 이하에서 탄화되어 생성되는 것일 수 있다.
상기 GF/C는 PDA 용액에 24시간 이상 담겨 코팅되는 것일 수 있다.
상기 제1 태양광 흡수층 및 상기 제2 태양광 흡수층은 다공성 구조를 가질 수 있다.
상기 제1 태양광 흡수층 및 상기 제2 태양광 흡수층은 다양한 구멍 크기를 포함하는 다공성 구조를 가질 수 있다.
상기 제1 태양광 흡수층 및/또는 상기 제2 태양광 흡수층은 anti-fouling 효과를 가질 수 있다.
상기 서포터는 단열재 역할을 수행하는 것일 수 있다.
상기 해수 이동로는 태양광의 이동로로 더 이용되는 것일 수 있다.
상기 제2 태양광 흡수층은 유연성을 띄는 것일 수 있다.
상기 해수 증발기의 적어도 일부는 3D 프린터로 제조된 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양광을 이용하는 해수 증발기는 해수 위에서 부유하고, 내부에 수직하게 연장된 해수 이동로를 포함하고, 상부의 종단면이 V자 형상인 서포터; 상기 서포터의 상부에 위치하고, 소수성(hydrophobic)을 가지는 제1 태양광 흡수층; 및 상기 제1 태양광 흡수층과 상기 서포터 사이에 위치하고, 친수성(hydrophilic)을 가지는 제2 태양광 흡수층을 포함할 수 있다.
상기 v자 형상인 종단면의 꼭지각은 165도 이상 170도 이하인 것일 수 있다.
상기 제1 태양광 흡수층은 PVA/PVP hydrogel-based carbon (HBC)이고, 상기 제2 태양광 흡수층은 polydopamine (PDA) 코팅된 glass fiber 필터 (GF/C)인 것일 수 있다.
상기 제1 태양광 흡수층 및 상기 제2 태양광 흡수층은 다공성 구조를 가지는 것일 수 있다.
상기 서포터, 상기 제1 태양광 흡수층, 및 상기 제2 태양광 흡수층 중 적어도 일부는 3D 프린터로 제조된 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 태양광을 이용한 해수 증발 시스템 및 해수 증발기는 V자 형상의 서포터를 포함하는 바, 서포터 표면에서의 태양광 다중 반사를 통해 태양광 수확율을 높일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 태양광을 이용한 해수 증발 시스템 및 해수 증발기는 자발적 부유가 가능한 서포터를 포함하는 바, 서포터의 상부가 해수에 잠기는 경우에 태양광 흡수가 불가능해져 태양광 수확이 저해되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 태양광을 이용한 해수 증발 시스템 및 해수 증발기는 상부가 오목한 서포터를 포함하는 바, 태양광의 반복적인 반사를 유도하여 태양광 흡수율을 높이고, 이로 인한 온도 상승으로 효과적으로 해수를 증발시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 태양광을 이용한 해수 증발 시스템 및 해수 증발기는 소수성인 제1 태양광 흡수층과 친수성인 제2 태양광 흡수층을 포함하는 바, 염 침적(salt deposition)을 방지하고, anti-fouling 효과를 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 태양광을 이용한 해수 증발 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 해수 증발기의 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 서포터의 종단면, 서포터의 오목한 상부, 및 서포터의 해수 이동로를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 서포터의 형태에 따른 성능을 비교한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 서포터의 꼭지각에 따른 상기 서포터와 해수면의 높이와의 관계를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른, 서포터의 꼭지각에 따른 태양광 흡수율 및 해수 높이를 고려한 증발 성능을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른, HBC가 탄화되는 온도에 따른 특성을 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른, HBC가 탄화되는 온도에 따른 특성을 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른, HBC의 무게에 따른 특성을 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른, PDA 용액에 GF/C가 담겨 코팅된 시간에 따른 투과율 특성을 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른, PDA 유무 각각의 경우에 해수 증발률을 나타낸 그래프, 염 침적(salt deposition) 및 접착 안정성을 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 열 손실을 설명하는 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른, 서포터의 상부가 오목한지 여부, 및 PDA의 유무 각각의 경우별로 해수 증발기의 성능을 나타낸 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른, 태양광을 이용한 해수 증발 시스템(10)을 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 해수 증발기(200)의 구조를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 해수 증발 시스템(10)은 컨테이너(100) 및 해수 증발기(200)를 포함할 수 있다.
컨테이너(100)는 판(105)을 기준으로 제1 영역(110) 및 제2 영역(120)으로 구분될 수 있다. 제1 영역(110)에는 해수가 담겨있고, 제2 영역(120)에는 상기 해수로부터 담수화된 담수가 모일 수 있다.
해수 증발기(200)는 제1 영역(110)에 담긴 해수 위에 부유할 수 있다. 제1 영역(110)에 담긴 해수는 모세관 현상에 의해 해수 증발기(200)에 포함된 해수 이동로(도 3의 214) 를 통해 해수 증발기(200) 내부로 이동할 수 있고, 이후 태양광에 의하여 증발될 수 있다. 상기 해수는 증발시에 불순물이 제거된 담수가 될 수 있다. 상기 증발된 담수는 컨테이너(100)의 상면에서 응결된 후, 컨테이너(100) 상면의 경사를 따라 반대편으로 이동 후 컨테이너(100)의 벽면을 따라 흘러 제2 영역(120)에 모일 수 있다.
도 2를 참조하면, 해수 증발기(200)는 서포터(210), 제1 태양광 흡수층(220), 및 제2 태양광 흡수층(230)을 포함할 수 있다.
서포터(210)의 상부(212)는 상부(212)의 중심을 향해 경사진 오목한 형태로서, 상부(212)의 종단면은 V자 형상을 취하고 있다. 도 2에 도시된 제1 태양광 흡수층(220) 및 제2 태양광 흡수층(230)은 오목한 형상이 아니고 평평한 것처럼 도시되어 있으나, 제1 태양광 흡수층(220) 및 제2 태양광 흡수층(230)은 서포터(210) 위에 적층되는 바, 각각은 오목한 형상을 가질 수 있다. 상기 오목한 형상은 태양광을 다수회 반사할 수 있도록 마련되어 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 해수 증발기(200)의 적어도 일부는 3D 프린터를 통해 제작될 수 있다. 예를 들어, 서포터(210)은 3D 프린터를 통해 반복적으로 용이하게 제작될 수 있다.
서포터(210)의 구조 및 효과는 이하 도 3에서 자세히 설명하겠다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른, 서포터(210)의 종단면, 서포터(210)의 오목한 상부(212), 및 서포터(210)의 해수 이동로(214)를 나타낸 도면이다.
도 3(a)를 참조하면, 서포터(210)는 오목한 형상의 상부(212), 해수 이동로(214), 및 단열부(216)를 포함할 수 있다.
도 3(b)를 참조하면, 꼭지각이 180도를 이루는 서포터, 즉, 오목한 형상이 아닌 평면 서포터와 오목한 형상의 서포터(210)가 비교되어 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 서포터(210)의 상부(212)의 오목한 형상은 태양광을 다수회 반사할 수 있도록 마련될 수 있다. 태양광이 반사되는 과정에서 태양광은 열 에너지로 변환될 수 있고, 태양광이 여러 번 반사될 때 더 많은 열 에너지가 생성될 수 있다.
상기 평면 서포터는 태양광을 한 번 반사할 수 있음을 알 수 있다. 반면, 상기 오목한 형상의 서포터(210)는 태양광을 여러 번 반사함을 알 수 있다. 예를 들어, 상기 태양광은 서포터(210)에 맞고 반사된 후 다시 서포터(210)의 다른 부분에 맞을 수 있고, 이 경우 태양광의 2차적인 흡수가 이루어질 수 있다. 따라서 오목한 형상의 서포터(210)는 상기 평면 서포터에 비하여 더 많은 열 에너지를 가질 수 있다.
상기 V자 형상의 꼭지각은 서포터(210)의 부력에 기초하여 결정될 수 있다. 이는 도 5에서 자세히 설명하겠다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 꼭지각은 165도 이상 170도 이하일 수 있다. 다만, 상기 꼭지각의 크기는 이에 한정되지 않는다.
도 3(c)를 참조하면, 서포터(210)는 내부를 관통하는 해수 이동로(214)를 포함할 수 있다. 해수 이동로(214)는 컨테이너(100)의 제1 영역(110)에 담긴 해수가 이동할 수 있는 통로다. 구체적으로, 상기 해수는 모세관 현상을 통해 서포터(210)의 하부로 유입되어 상부(212) 방향으로 이동할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 해수 이동로(214)는 태양광이 이동하는 통로 역할을 할 수 있다. 즉, 해수 이동로(214)는 해수를 펌핑하는 역할을 할 뿐만 아니라, 태양광을 가두는 효과를 가질 수 있다. 이 때, 태양광이 해수 이동로(214)의 벽면에 반사를 거듭하며 열 에너지를 더 발생시킬 수 있다.
단열부(216)는 태양광으로부터 전환된 열 에너지가 외부로 유출되어 열 손실이 일어나는 것을 방지할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 서포터(210)의 형태에 따라 성능을 비교한 도면이다. 도 4(a)는 파장에 따른 산란 반사율/태양광 흡수율을 나타낸 그래프이고, 도 4(b)는 시간에 따른 각 형태의 서포터의 온도를 나타낸 그래프이고, 도 4(c)는 시간에 따른 증발률을 나타낸 그래프이다. 각각의 그래프에서 P-S는 상부가 평평한 서포터이고 V-85는 꼭지각이 165도 이상 170도 이하인 오목한 서포터를 의미한다.
도 4(a)를 참조하면, 500-2000nm의 파장 범위에서 오목한 서포터가 평평한 서포터에 비해 더 높은 태양광 흡수율을 나타내고 있다. 다시 말해, 오목한 서포터는 더 많은 열 에너지를 얻을 수 있고, 이는 직접적으로 서포터의 온도를 높일 수 있는 바, 도 4(b)와 같은 그래프를 얻을 수 있다.
도 4(b)를 참조하면, 오목한 서포터가 평평한 서포터보다 더 높은 온도를 가짐을 알 수 있다. 도 4(b)의 오른쪽에는 실험 시작 시점 및 실험 시작 후 60분이 지난 시점의 서포터의 열화상 이미지이다. 도 4(b)의 그래프와 마찬가지로 오목한 서포터의 표면 온도가 더 높음을 알 수 있다. 또한, 앞서 설명한 바와 같이 서포터(210)는 단열부(216)를 포함하는 바, 도 4(b)에 도시된 각각의 서포터는 단열 효과로 인해 해수와 온도 차이가 나는 것을 확인할 수 있다.
도 4(c)를 참조하면, 최종적으로 각각의 서포터의 시간에 따른 증발률을 알 수 있다. 오목한 서포터의 온도가 더 높은 사실로부터 유추 가능한 것과 같이, 오목한 서포터의 증발률은 0.89 kg m-2 h-1로서 평평한 서포터의 증발률인 0.79 kg m-2 h-1 보다 높음을 알 수 있다. 참고로, 서포터를 이용하지 않은 경우, 해수의 증발률은 태양광이 없는 경우에 0.08 kg m-2 h-1이고, 태양광이 있는 경우에 0.33 kg m-2 h-1임을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 서포터(210)의 꼭지각에 따른 상기 서포터와 해수면의 높이와의 관계를 나타낸 도면이다.
도 5(a)는 꼭지각이 180도인 제1 서포터의 경우를 나타내고, 도 5(b)는 꼭지각이 165도 이상 170도 이하인 제2 서포터를 나타내고, 도 5(c)는 꼭지각이 130도인 제3 서포터를 나타낸 도면이다.
각각의 서포터의 반경은 3.01 cm이고, 높이는 1.5 cm이다. 제2 서포터 및 제3 서포터의 경우, v자의 꼭지점으로부터 서포터의 상부까지의 길이 P는 삼각함수를 이용하여 구할 수 있다. 각각의 P값은 0.33 cm 및 1.41 cm이다. 또한, 제2 서포터 및 제3 서포터의 하부에서 상기 꼭지점까지의 길이 h1은 상기 높이에서 P값을 빼서 구할 수 있다. 각각의 h1 값은 1.17 cm 및 0.09 cm임을 알 수 있다.
이 때, 각각의 서포터에 대한 해수면의 높이 h는 아래 수학식 1 내지 4를 이용하여 구할 수 있다.
Figure pat00001
Figure pat00002
Figure pat00003
Figure pat00004
상기 수학식 1은 아르키메데스의 원리를 나타낸 것으로, 좌변은 서포터에 가해진 부력을 나타내고, 우변은 서포터에 의해 대체된 해수의 무게를 나타낸다. 이 때, ρ는 밀도를 나타내고, V는 부피를, 그리고 g는 중력 상수를 나타낸다. 밀도와 부피의 곱은 질량과 같으므로 상기 수학식 1은 수학식 2로 바꾸어 쓸 수 있다. 또한, 우변에 있는 Vliquid는 대체된 서포터의 부피와 같으므로 상기 수학식 2는 수학식 3으로 바꾸어 쓸 수 있다. 이 때, A는 서포터의 밑면 단면적을 나타내고, h는 서포터의 높이를 나타낸다. 상기 수학식 3을 h에 대해 정리하면, 수학식 4와 같다. 이 때, 상기 서포터의 밑면 단면적 A는 0.0028 m2이고 해수의 밀도 ρliquid는 1000 kg m-3 이다.
상기 제1 서포터의 질량은 43 g, 상기 제2 서포터의 질량은 36 g, 상기 제3 서포터의 질량은 33 g이므로, 각각의 높이를 계산하면 1.53 cm, 1.2 cm, 및 1.18 cm가 된다.
상기 제1 내지 제3 서포터의 h와 h1을 비교하면 제3 서포터의 경우 큰 차이가 남을 알 수 있다. 그 결과, 도 5(c)를 참조하면, 제3 서포터의 상부의 오목한 영역이 해수에 잠겨 있음을 확인할 수 있다. 이 경우, 태양광이 해수에 의해 제대로 흡수되지 못하여 해당 해수 증발기는 효율이 낮아진다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른, 서포터(210)의 꼭지각에 따른 태양광 흡수율 및 해수 높이를 고려한 증발 성능을 나타낸 도면이다.
도 6(a)를 참조하면, 상기 제3 서포터는 상기 제2 서포터에 비해 더 높은 태양광 흡수율을 가질 수 있다. 상기 제3 서포터는 130도의 꼭지각을 가지고 있는 바, 165도 이상 170도 이하의 꼭지각을 가지고 있는 상기 제2 서포터에 비해, 오목한 정도가 첨예하므로, 서포터 내에서 더 많은 태양광 반사가 일어날 수 있기 때문이다.
하지만, 앞서 설명한 바와 같이 상기 제3 서포터의 경우 해수에 의해 잠기기 때문에 자발적 부유(self-floating) 특성에 문제가 생긴다. 도 6(b)의 각 서포터의 두번째 막대는 이러한 특성을 나타내는 바, 상기 제3 서포터의 경우는 상기 제1 서포터 및 제2 서포터에 비해 낮은 성능을 보이고 있다.
따라서, 상기 제3 서포터는 뛰어난 흡수율을 가짐에도 불구하고, 종합적인 성능을 고려했을 때, 상기 제2 서포터보다 효율성이 떨어진다. 따라서 본 발명의 일 실시 예에 따른 서포터(210)는 꼭지각이 165도 이상 170도 이하인 것으로 상기 제2 서포터일 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 해수 증발기(200)는 태양광을 흡수하는 제1 태양광 흡수층(220) 및 제2 태양광 흡수층(230)은 포함할 수 있다.
제1 태양광 흡수층(220) 및 제2 태양광 흡수층(230)은 적층 구조를 가진다. 이 경우, 제1 태양광 흡수층(220)은 진공 필터 방식을 통해 제2 태양광 흡수층(230)에 적층될 수 있다.
제1 태양광 흡수층(220) 및 제2 태양광 흡수층(230)은 다공성 구조를 가질 수 있다. 상기 다공성 구조는 해수 이동에 이용될 수 있고, 효율적인 증발을 촉진할 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 다공성 구조에 있어서, 각 구멍은 서로 다른 크기를 가질 수 있다. 이는 넓은 스펙트럼을 가진 태양광의 흡수에 도움을 줄 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 제1 태양광 흡수층(220)은 PVA/PVP hydrogel-based carbon (HBC)이고, 제2 태양광 흡수층(230)은 polydopamine (PDA) 코팅된 glass fiber 필터 (GF/C)일 수 있다.
상기 GF/C는 유연한 소재로서 제2 태양광 흡수층(220)이 깨져서 태양광 흡수에 실패하는 것을 방지할 수 있다.
상기 PDA는 상기 HBC와 상기 GF/C를 상호 부착시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 PDA는 수소 결합을 통해 상기 HBC와 강하게 적층될 수 있다. 이 경우, 상기 PDA는 상기 GF/C의 특성에 영향을 주지 않는다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 제1 태양광 흡수층(220)은 소수성(hydrophobic)이고, 제2 태양광 흡수층(230)은 친수성(hydrophilic)일 수 있다. 따라서, 서포터(210)를 통해 올라온 해수 또는 증기는 친수성인 제2 태양광 흡수층(230)에서 방해를 받지 않고, 제2 태양광 흡수층(230)을 거쳐 제1 태양광 흡수층(220)에 이를 수 있다. 다만, 제1 태양광 흡수층(220)은 소수성을 띄는 바, 상기 해수 또는 증기는 제1 태양광 흡수층(220)을 통과하지 못하고, 제1 태양광 흡수층(220)과 제2 태양광 흡수층(230) 사이의 계면까지 올라간 후 증발될 수 있다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른, 상기 HBC가 탄화되는 온도에 따른 특성을 나타내는 그래프이다. 도 7을 참조하면, 상기 그래프는 라만(RAMAN) 스펙트럼으로서 산란광의 강도는 1000도일 때 각각 1350 cm-1 및 1580 cm-1에서 뚜렷한 피크값을 가진다. 따라서 상기 HBC는 900도 이상 1100도 이하, 바람직하게는 990도 이상 1010도이하에서 성공적으로 탄화될 수 있고, 이는 태양광 흡수 능력과 anti-fouling 효과를 위한 소수성(hydrophobic) 특성에 있어서 최적일 수 있다.
도 8(a)를 참조하면 상기 HBC는 1000도에서 탄화된 경우와 700도에서 탄화된 경우 각각에 400도에서 탄화된 HBC보다 장파장에서의 흡수율이 높음을 알 수 있다.
이어서 도 8(b)를 참조하면, 각각 400도, 700도, 및 1000도에서 탄화된 HBC 별로 해수의 접촉각이 도시되어 있다. 이 경우 1000도에서 탄화된 HBC 위에서 해수는 122도의 접촉각을 가지는 바, 400도 및 700도에서 탄화된 HBC보다 높은 접촉각을 가지고 있음을 알 수 있다. 따라서 1000도에서 탄화된 HBC가 가장 강한 소수성을 가지고 있다.
따라서, 도 8(c)에 도시된 바와 같이, 1000도에서 탄화된 HBC가 가장 높은 해수 증발률(1.56 kg m-2 h-1)을 가짐을 확인할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른, HBC의 무게에 따른 특성을 나타내는 도면이다. 도 9를 참조하면, 상기 HBC가 각각 30 mg, 50 mg, 및 70 mg일 때의 해수 증발률이 도시되어 있다. 상기 HBC가 50 mg일 때 가장 높은 해수 증발률을 얻을 수 있으므로, 상기 HBC의 무게는 50 mg일 수 있다.
다만, 상기 HBC가 50 mg 일 때의 접촉각은 122도이고, 상기 HBC가 70 mg일 때의 접촉각은 125도이다. 접촉각의 크기만 비교하면, 상기 HBC가 70 mg일 때 더 강한 소수성을 가지지만, 상기 HBC가 50 mg일 때의 제1 태양광 흡수층(220)은 33 μm인 반면, 상기 HBC가 70 mg일 때의 제1 태양광 흡수층(220)은 58 μm이다. 제1 태양광 흡수층(220)이 두꺼울 수록, 해수 또는 증기가 올라올 수 있는 제1 태양광 흡수층(220)과 제2 태양광 흡수층(230) 사이의 계면까지 태양열이 전달되어야할 거리가 멀어진다. 따라서, 상기 HBC의 무게는 50 mg일 때 더 높은 해수 증발률을 얻을 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른, PDA 용액에 GF/C가 담겨 코팅된 시간에 따른 투과율 특성을 나타내는 도면이다. 태양광 흡수율은 1-반사율-투과율로 구할 수 있는 바, 도 10을 참조하면, 상기 GF/C는 상기 PDA 용액에 24시간이상동안 담겨 코팅되는 것일 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른, PDA 유무 각각의 경우에 해수 증발률을 나타낸 그래프, 염 침적(salt deposition) 및 접착 안정성을 나타낸 도면이다. 도 11(a)를 참조하면, 상기 PDA 및 HBC를 포함하는 태양광 흡수층은 반복 싸이클에 따른 해수 증발률의 저하가 보이지 않는다. 하지만, 상기 HBC만 포함하는 태양광 흡수층의 경우, 4번째 싸이클부터 해수 증발률이 점점 낮아짐을 알 수 있다. 이는 상기 HBC만 있는 경우에 염 침적이 발생하기 때문일 수 있다. 상기 염 침적은 해수 이동로(214)를 막아 해수의 증발을 저해하고, 태양광 흡수를 방해할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 PDA는 친수성을 띄는 바, 염 침적을 방지하는 효과가 있음을 알 수 있다. 구체적으로, 염(Na+, Cl- 이온)은 친수성인 제2 태양광 흡수층(230)의 상면까지 올라가지만, 소수성인 제1 태양광 흡수층(220)을 통과하지는 못한다. 결국 제1 태양광 흡수층(220)과 제2 태양광 흡수층(230) 사이의 계면에서 해수 증발이 진행되고, 계면에서 생성되는 염은 제2 태양광 흡수층(230)을 통과하여 올라온 해수와 만나게 된다. 따라서 염은 해수에 다시 녹게 되고, 다공성 네트워크를 통해 흘러 다시 bulk 해수로 합쳐진다. 제2 태양광 흡수층(230)은 상기 PDA로 코팅된 GF/C일 수 있는 바, 해수 증발률의 저하 없이 해당 해수 증발기(200)를 반복적으로 이용할 수 있다.
도 11(b)를 참조하면 상기 HBC만 있는 경우에는 상기 PDA를 더 포함하는 태양광 흡수층과는 달리, 상기 HBC 위에 염이 침적되어있음을 알 수 있다. 도 11(c)는 도 11(b)의 각각의 태양광 흡수층을 행군 경우, 상기 PDA 없이 HBC만 있는 태양광 흡수층에서 상기 HBC의 일부가 떨어져 나오는 것을 확인할 수 있다. 이로부터 상기 PDA의 접착 능력이 뛰어남을 알 수 있고, 이는 해수 증발기의 지속성에도 도움을 줌을 알 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 열 손실을 설명하는 도면이다. 도 12(a)는 거시적인 관점에서의 열 손실 모델이다. 태양광을 통해 얻어진 태양열은 복사(radiation), 대류(convection), 및 전도(conduction)의 형태로 이동할 수 있다.
하지만, 미시적인 관점에서 본 도 12(b)를 참조하면, 제1 태양광 흡수층(220) 위로 수막(vapor film)이 생기고, PDA 및 HBC의 표면과 생성된 수막의 온도 차이가 크지 않기 때문에, 복사 및 대류로 인한 열 손실이 크지 않아 복사 및 대류로 인한 열 손실을 무시할 수 있다. 이 경우, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 서포터(210)는 외곽에 단열부(216)를 포함하는 바, 전도로 인한 열 손실 역시 방지할 수 있다. 따라서 본 발명의 일 실시 예는 열 손실로 낭비되는 열을 줄이고, 효율적으로 해수를 증발시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 해수 증발 시스템(10)은 닫힌(closed) 컨테이너(100)를 이용하는 바, 이 경우 증발된 수증기가 갇힌 채로 컨테이너(100) 내부에 머물러 있는 시간이 개방된 컨테이너를 이용하는 경우보다 길기 때문에, 상기 수막 효과가 더 클 수 있다.
참고로, 상기 열 손실은 아래 수학식 5를 이용하여 획득할 수 있다.
Figure pat00005
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른, 서포터(210)의 상부(212)가 오목한지 여부, 및 PDA의 유무 각각의 경우별로 해수 증발기(200)의 성능을 나타낸 도면이다.
도 13(a)를 참조하면, 상부가 평평한 서포터보다 상부가 오목한 서포터(210)를 가진 해수 증발기(200)의 해수 증발률이 더 높음을 알 수 있다. 예를 들어, 상부가 평평한 서포터를 포함하는 해수 증발기의 해수 증발률은 1.37 kg m-2 h-1인 반면, 상부(212)가 오목한 서포터(210)를 가진 해수 증발기(200)의 해수 증발률은 1.60 kg m-2 h-1이다. 앞서 설명한 바와 유사하게, 상부(212)가 오목한 형태의 서포터(210)는 뛰어난 열 국소화 (heat localization) 효과가 있기 때문이다. 또한, HBC만 포함하는 태양광 흡수층보다 상기 HBC 및 PDA를 모두 포함하는 태양광 흡수층(220 및 230)을 가진 해수 증발기(200)의 해수 증발률이 더 높음을 알 수 있다.
구체적으로, 도 13(b) 내지 (e)를 참조하면, 상부가 평평한 서포터보다 상부(212)가 오목한 서포터(210)를 가진 해수 증발기(200)의 태양광 흡수율이 더 높고, 산란 반사율이 더 낮으며, 250 nm 내지 2500 nm의 파장 범위에서 전반적으로 고른 수치를 보인다. 이로 인해, 상부(212)가 오목한 서포터(210)를 가진 해수 증발기(200)의 표면 온도(40.3도)가 상부가 평평한 서포터의 경우(38.5도)보다 더 높고, 해수 증발 효율(89.6%)이 더 높음을 확인할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 해수 증발기(200)를 이용해 얻은 담수는 World Health Organization (WHO)에서 규정한 Na+, K+, Mg2+, Ca2+, 및 Cl- 수치보다 더 낮은 값을 가진다. 또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 해수 증발기(200)는 해수의 염분이 3.5wt% 일 때 뿐만 아니라 3.5wt% 이상, 15wt% 내지 20wt% 등의 경우까지도 효율적으로 이용할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 품질에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 해수 증발 시스템
100: 컨테이너
200: 해수 증발기
210: 서포터
220: 제1 태양광 흡수층
230: 제2 태양광 흡수층

Claims (20)

  1. 태양광을 이용하는 해수 증발 시스템에 있어서,
    내부에 해수가 담겨있고, 상면이 소정의 경사를 가지고 기울어진 컨테이너; 및
    상기 컨테이너 내부에 위치하는 해수 증발기를 포함하고,
    상기 해수 증발기는,
    상기 해수 위에서 부유하고, 내부에 수직하게 연장된 해수 이동로를 포함하고, 상부의 종단면이 V자 형상인 서포터;
    상기 서포터의 상부에 위치하고, 소수성(hydrophobic)을 가지는 제1 태양광 흡수층; 및
    상기 제1 태양광 흡수층과 상기 서포터 사이에 위치하고, 친수성(hydrophilic)을 가지는 제2 태양광 흡수층을 포함하는 것인
    해수 증발 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 v자 형상인 종단면의 꼭지각은 상기 서포터의 부력에 기초하여 결정되는 것인
    해수 증발 시스템.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 꼭지각은 165도 이상 170도 이하인 것인
    해수 증발 시스템.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 태양광 흡수층은 PVA/PVP hydrogel-based carbon (HBC)이고, 상기 제2 태양광 흡수층은 polydopamine (PDA) 코팅된 glass fiber 필터 (GF/C)인 것인
    해수 증발 시스템.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 태양광 흡수층은 진공 필터 방식을 통해 상기 제2 태양광 흡수층에 적층되는 것인
    해수 증발 시스템.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 제2 태양광 흡수층의 PDA는 상기 제1 태양광 흡수층 및 상기 제2 태양광 흡수층을 상호 부착시키는 것인
    해수 증발 시스템.
  7. 제4 항에 있어서,
    상기 HBC는 섭씨 990도 이상 섭씨 1010도 이하에서 탄화되어 생성되는 것인
    해수 증발 시스템.
  8. 제4 항에 있어서,
    상기 GF/C는 PDA 용액에 24시간 이상 담겨 코팅되는 것인
    해수 증발 시스템.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 태양광 흡수층 및 상기 제2 태양광 흡수층은 다공성 구조를 가지는 것인
    해수 증발 시스템.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 제1 태양광 흡수층 및 상기 제2 태양광 흡수층은 다양한 구멍 크기를 포함하는 다공성 구조를 가지는 것인
    해수 증발 시스템.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 태양광 흡수층 및/또는 상기 제2 태양광 흡수층은 anti-fouling 효과를 가지는 것인
    해수 증발 시스템.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 서포터는 단열재 역할을 수행하는 것인
    해수 증발 시스템.
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 해수 이동로는 태양광의 이동로로 더 이용되는 것인
    해수 증발 시스템.
  14. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 태양광 흡수층은 유연성을 띄는 것인
    해수 증발 시스템.
  15. 제1 항에 있어서,
    상기 해수 증발기의 적어도 일부는 3D 프린터로 제조된 것인
    해수 증발 시스템.
  16. 태양광을 이용하는 해수 증발기는,
    해수 위에서 부유하고, 내부에 수직하게 연장된 해수 이동로를 포함하고, 상부의 종단면이 V자 형상인 서포터;
    상기 서포터의 상부에 위치하고, 소수성(hydrophobic)을 가지는 제1 태양광 흡수층; 및
    상기 제1 태양광 흡수층과 상기 서포터 사이에 위치하고, 친수성(hydrophilic)을 가지는 제2 태양광 흡수층을 포함하는 것인
    해수 증발기.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 v자 형상인 종단면의 꼭지각은 165도 이상 170도 이하인 것인
    해수 증발기.
  18. 제16 항에 있어서,
    상기 제1 태양광 흡수층은 PVA/PVP hydrogel-based carbon (HBC)이고, 상기 제2 태양광 흡수층은 polydopamine (PDA) 코팅된 glass fiber 필터 (GF/C)인 것인
    해수 증발기.
  19. 제16 항에 있어서,
    상기 제1 태양광 흡수층 및 상기 제2 태양광 흡수층은 다공성 구조를 가지는 것인
    해수 증발기.
  20. 제16 항에 있어서,
    상기 서포터, 상기 제1 태양광 흡수층, 및 상기 제2 태양광 흡수층 중 적어도 일부는 3D 프린터로 제조된 것인
    해수 증발기.
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