WO2023286945A1 - 태양광을 이용하는 해수 증발 시스템 및 해수 증발기 - Google Patents

태양광을 이용하는 해수 증발 시스템 및 해수 증발기 Download PDF

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WO2023286945A1
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장지현
샬레소우롭
강지훈
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울산과학기술원
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Definitions

  • a seawater evaporation system and a seawater evaporator using sunlight float on the sea level include a concave supporter, and have two solar absorption layers with opposite properties, respectively.
  • a seawater evaporation system using sunlight includes a container containing seawater and having an upper surface inclined with a predetermined inclination; and a seawater evaporator positioned inside the container, wherein the seawater evaporator floats in the seawater, includes a seawater movement path extending vertically therein, and includes a supporter having a V-shaped cross section at an upper portion; a first solar light absorbing layer located on top of the supporter and having hydrophobic properties; and a second solar light absorbing layer positioned between the first solar light absorbing layer and the supporter and having hydrophilic properties.
  • the vertex angle may be greater than or equal to 165 degrees and less than or equal to 170 degrees.
  • the first solar light absorbing layer may be polyvinyl alcohol/polyvinylpyrrolidone hydrogel-based carbon
  • the second solar light absorbing layer may be a glass fiber filter coated with polydopamine.
  • the first solar light absorbing layer may be laminated on the second solar light absorbing layer through a vacuum filter method.
  • the first solar light absorbing layer and the second solar light absorbing layer may have a porous structure.
  • the first solar light absorbing layer and the second solar light absorbing layer may have a porous structure including various pore sizes.
  • the first solar light absorbing layer and/or the second solar light absorbing layer may have an anti-fouling effect.
  • the supporter may serve as an insulator.
  • the seawater movement path may be used as a movement path of sunlight.
  • the second solar light absorbing layer may be formed of a flexible material.
  • At least a part of the seawater evaporator may be manufactured with a 3D printer.
  • a seawater evaporator using sunlight floats in seawater, includes a seawater movement path extending vertically therein, and has a V-shaped vertical cross-section of the upper supporter; a first solar light absorbing layer located on top of the supporter and having hydrophobic properties; and a second solar light absorbing layer positioned between the first solar light absorbing layer and the supporter and having hydrophilic properties.
  • the first solar light absorbing layer may be polyvinyl alcohol/polyvinylpyrrolidone hydrogel-based carbon
  • the second solar light absorbing layer may be a glass fiber filter coated with polydopamine.
  • the first solar light absorbing layer and the second solar light absorbing layer may have a porous structure.
  • At least a part of the supporter, the first solar light absorbing layer, and the second solar light absorbing layer may be manufactured by a 3D printer.
  • the solar harvest rate can be increased through multiple reflection of sunlight on the surface of the supporter.
  • the seawater evaporation system and the seawater evaporator using sunlight include a supporter capable of spontaneous floating, and when the upper part of the supporter is submerged in seawater, sunlight absorption is impossible, thereby preventing sunlight harvesting. can prevent it from happening.
  • the seawater evaporation system and seawater evaporator using sunlight include a supporter with a concave top, which induces repetitive reflection of sunlight to increase the absorption rate of sunlight, thereby effectively increasing the temperature of the seawater. can evaporate.
  • the seawater evaporation system and seawater evaporator using sunlight include a first hydrophobic solar absorbing layer and a hydrophilic second solar absorbing layer, thereby preventing salt deposition, It may have an anti-fouling effect.
  • FIG. 1 is a diagram showing a seawater evaporation system using sunlight according to an embodiment of the present invention.
  • 4A to 4C are views comparing performance according to the shape of a supporter according to an embodiment of the present invention.
  • 5A to 5C are views illustrating a relationship between the supporter and the height of the sea level according to the apex angle of the supporter according to an embodiment of the present invention.
  • 6A and 6B are diagrams showing evaporation performance in consideration of solar absorptivity and seawater height according to the vertex angle of the supporter according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a graph showing characteristics according to the temperature at which HBC is carbonized according to an embodiment of the present invention.
  • 8A to 8C are graphs showing characteristics according to the temperature at which HBC is carbonized according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a diagram showing characteristics according to the weight of HBC according to an embodiment of the present invention.
  • 11a to 11c are graphs showing seawater evaporation rates, salt deposition, and adhesion stability in each case with and without PDA, according to an embodiment of the present invention.
  • 12a and 12b are diagrams illustrating heat loss according to an embodiment of the present invention.
  • the seawater evaporation system 10 may include a container 100 and a seawater evaporator 200 .
  • the container 100 may be divided into a first area 110 and a second area 120 based on the plate 105 .
  • Seawater may be contained in the first region 110 , and freshwater desalinated from the seawater may be collected in the second region 120 .
  • the seawater evaporator 200 may float on the seawater contained in the first region 110 .
  • the seawater contained in the first region 110 moves through the seawater included in the seawater evaporator 200 by capillarity (214 in FIG. 3) It can move into the seawater evaporator 200 through, and then it can be evaporated by sunlight.
  • the seawater may become fresh water from which impurities are removed during evaporation.
  • the evaporated fresh water is condensed on the upper surface of the container 100, moves to the opposite side along the slope of the upper surface of the container 100, flows along the wall surface of the container 100, and may be collected in the second region 120.
  • the seawater evaporator 200 may include a supporter 210, a first solar light absorbing layer 220, and a second solar light absorbing layer 230.
  • the upper part 212 of the supporter 210 has a concave shape inclined toward the center of the seawater evaporator 200, and the vertical section of the upper part 212 has a V-shape.
  • the first solar light absorbing layer 220 and the second solar light absorbing layer 230 shown in FIG. 2 are shown as flat rather than concave, but the first solar light absorbing layer 220 and the second solar light absorbing layer 230 Silver bars are stacked on the supporters 210, and each may have a concave shape.
  • the concave shape is provided to reflect sunlight multiple times.
  • the supporter 210 may include a concave upper part 212 , a sea water passage 214 , and an insulation part 216 .
  • a supporter having a vertex angle of 180 degrees that is, a flat supporter having a non-concave shape and a supporter 210 having a concave shape are compared.
  • the concave shape of the upper part 212 of the supporter 210 may reflect sunlight multiple times. In the process of sunlight being reflected, sunlight may be converted into thermal energy, and more heat energy may be generated when sunlight is reflected several times.
  • the flat supporter can reflect sunlight once.
  • the concave supporter 210 reflects sunlight several times. For example, the sunlight may be incident on the supporter 210, reflected, and then incident again on another part of the supporter 210. In this case, secondary absorption of the sunlight may occur. Accordingly, the concave supporter 210 may have more thermal energy than the flat supporter.
  • the vertical angle of the V-shape may be determined based on the buoyancy of the supporter 210 . This will be explained in detail in FIG. 5 .
  • the apex angle may be greater than or equal to 165 degrees and less than or equal to 170 degrees.
  • the size of the vertex angle is not limited thereto.
  • the supporter 210 may include a sea water passage 214 penetrating the inside.
  • the seawater movement route 214 is a passage through which the seawater contained in the first area 110 of the container 100 can move. Specifically, the seawater may flow into the lower portion of the supporter 210 through capillary action and move toward the upper portion 212 .
  • the insulator 216 may prevent thermal energy converted from sunlight from leaking out and causing heat loss.
  • FIG. 4A to 4C are views comparing performance according to the shape of the supporter 210 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4a is a graph showing scattering reflectance/sunlight absorptivity according to wavelength
  • FIG. 4b is a graph showing temperature of each type of supporter over time
  • FIG. 4c is a graph showing evaporation rate over time.
  • P-S means a supporter with a flat top
  • V-85 means a concave supporter with an apex angle of 165 degrees or more and 170 degrees or less.
  • the concave supporter exhibits a higher solar absorption rate than the flat supporter in the wavelength range of 500 nm to 2000 nm.
  • the concave supporter can obtain more heat energy, which can directly increase the temperature of the supporter, and a graph as shown in FIG. 4B can be obtained.
  • the concave supporter has a higher temperature than the flat supporter.
  • the right side of FIG. 4B shows a thermal image of the supporter at the start of the experiment and 60 minutes after the start of the experiment.
  • the surface temperature of the concave supporter is higher.
  • the supporter 210 includes the heat insulating portion 216, and it can be seen that each supporter shown in FIG. 4B has a temperature difference from seawater due to the heat insulating effect.
  • the evaporation rate over time of each supporter can finally be known.
  • the evaporation rate of the concave supporter is 0.89 kg m -2 h -1 , which is higher than the evaporation rate of 0.79 kg m -2 h -1 of the flat supporter.
  • the evaporation rate of seawater is 0.08 kg m -2 h -1 in the absence of sunlight and 0.33 kg m -2 h -1 in the presence of sunlight.
  • 5A to 5C are diagrams illustrating a relationship between the supporter 210 and the height of the sea level according to the apex angle of the supporter 210 according to an embodiment of the present invention.
  • the height h of the sea level for each supporter can be obtained using Equations 1 to 4 below.
  • Equation 1 shows Archimedes' principle, the left side represents the buoyancy force applied to the supporter, and the right side represents the weight of seawater displaced by the supporter.
  • ⁇ represents the density
  • V represents the volume
  • g represents the gravitational constant. Since the product of density and volume is equal to mass, Equation 1 can be rewritten as Equation 2.
  • Vliquid on the right side is equal to the volume of the replaced supporter, Equation 2 above can be rewritten as Equation 3.
  • A represents the cross-sectional area of the bottom of the supporter, and h represents the height of the supporter.
  • Equation 4 is obtained.
  • the cross-sectional area A of the bottom of the supporter is 0.0028 m 2 and the density ⁇ liquid of seawater is 1000 kg m -3 .
  • the mass of the first supporter is 43 g
  • the mass of the second supporter is 36 g
  • the mass of the third supporter is 33 g
  • the respective heights are calculated to be 1.53 cm, 1.2 cm, and 1.18 cm.
  • 6A and 6B are diagrams illustrating evaporation performance in consideration of solar absorptance and seawater height according to the vertical angle of the supporter 210 according to an embodiment of the present invention.
  • the third supporter has lower efficiency than the second supporter when overall performance is considered, despite having an excellent absorption rate. Therefore, the supporter 210 according to an embodiment of the present invention preferably has an apex angle of 165 degrees or more and 170 degrees or less, and may be the second supporter.
  • the seawater evaporator 200 may include a first solar light absorbing layer 220 and a second solar light absorbing layer 230 that absorb sunlight.
  • the first solar light absorbing layer 220 and the second solar light absorbing layer 230 have a stacked structure.
  • the first solar light absorbing layer 220 may be laminated on the second solar light absorbing layer 230 through a vacuum filter method.
  • the first solar light absorbing layer 220 and the second solar light absorbing layer 230 may have a porous structure.
  • the porous structure can be used for seawater movement and promote efficient evaporation.
  • each hole in the porous structure, each hole may have a different size. This can help absorb sunlight with a broad spectrum.
  • the first solar absorption layer 220 is polyvinylalcohol/polyvinylpyrrolidone hydrogel-based carbon (PVA/PVP hydrogel-based carbon, HBC), 2
  • the solar light absorbing layer 230 may be a glass fiber filter (GF/C) coated with polydopamine (PDA).
  • the GF/C is a flexible material and can prevent the second solar light absorbing layer 220 from being broken and failing to absorb sunlight.
  • the PDA may attach the HBC and the GF/C to each other.
  • the PDA may be strongly stacked with the HBC through hydrogen bonding. In this case, the PDA does not affect the characteristics of the GF/C.
  • the graph is a Raman (RAMAN) spectrum, and when the intensity of scattered light is 1000 degrees, it has distinct peak values at 1350 cm -1 and 1580 cm -1 , respectively. Therefore, the HBC can be successfully carbonized at 900 degrees or more and 1100 degrees or less, preferably 990 degrees or more and 1010 degrees or less, which is optimal in terms of solar absorption ability and hydrophobic properties for anti-fouling effect. .
  • RAMAN Raman
  • the HBC carbonized at 1000 degrees and 700 degrees have higher absorption rates at long wavelengths than HBC carbonized at 400 degrees, respectively.
  • the contact angle of seawater is shown for each HBC carbonized at 400 degrees, 700 degrees, and 1000 degrees, respectively.
  • seawater on HBC carbonized at 1000 degrees has a contact angle of 122 degrees, which is higher than HBC carbonized at 400 degrees and 700 degrees. Therefore, HBC carbonized at 1000 degrees has the strongest hydrophobicity.
  • HBC carbonized at 1000 degrees has the highest seawater evaporation rate (1.56 kg m -2 h -1 ).
  • the contact angle is 122 degrees when the HBC is 50 mg, and the contact angle is 125 degrees when the HBC is 70 mg. Comparing only the size of the contact angle, when the HBC is 70 mg, it has a stronger hydrophobicity, but when the HBC is 50 mg, the first solar absorption layer 220 is 33 ⁇ m, whereas when the HBC is 70 mg The first solar light absorbing layer 220 of is 58 ⁇ m. The thicker the first solar light absorbing layer 220 is, the greater the distance to which solar heat must be transferred to the interface between the first solar light absorbing layer 220 and the second solar light absorbing layer 230 where seawater or steam can rise. Therefore, a higher seawater evaporation rate can be obtained when the weight of the HBC is 50 mg.
  • FIG. 10 is a diagram showing transmittance characteristics according to time when GF/C is immersed and coated in a PDA solution according to an embodiment of the present invention.
  • the solar absorptivity can be obtained as 1-reflectance-transmittance.
  • the GF/C may be soaked in the PDA solution for 24 hours or more and coated.
  • FIG. 11A to 11c are graphs showing seawater evaporation rates, salt deposition, and adhesion stability in each case with and without PDA, according to an embodiment of the present invention.
  • the solar absorbing layer including the PDA and the HBC does not show a decrease in seawater evaporation rate due to repeated cycles.
  • the seawater evaporation rate gradually decreases from the fourth cycle. This may be because salt deposition occurs when only the HBC is present.
  • the salt deposition may block the seawater movement path 214, inhibit evaporation of seawater, and prevent sunlight absorption.
  • the PDA has an effect of preventing salt deposition since it exhibits hydrophilicity.
  • salts Na + , Cl - ions
  • the PDA has an effect of preventing salt deposition since it exhibits hydrophilicity.
  • salts Na + , Cl - ions
  • ascend to the upper surface of the hydrophilic second solar light absorbing layer 230 but do not pass through the hydrophobic first solar light absorbing layer 220 .
  • seawater evaporation proceeds at the interface between the first solar light absorbing layer 220 and the second solar light absorbing layer 230, and the salt generated at the interface meets seawater that has passed through the second solar light absorbing layer 230 and rises.
  • the salt thus dissolves back into the seawater, flows through the porous network, and recombines into the bulk seawater.
  • the second solar absorbing layer 230 may be GF/C coated with the PDA, and thus the seawater evaporator 200 may be repeatedly used without lowering the seawater evaporation rate.
  • FIG. 11B it can be seen that salt is deposited on the HBC when only the HBC is present, unlike the solar absorption layer further including the PDA.
  • FIG. 11c it can be seen that when each solar absorbing layer of FIG. 11b is washed, a part of the HBC is separated from the solar absorbing layer having only the HBC without the PDA. From this, it can be seen that the adhesive ability of the PDA is excellent, and it can be seen that it helps the durability of the seawater evaporator.
  • 12a and 12b are diagrams illustrating heat loss according to an embodiment of the present invention.
  • 12A is a heat loss model from a macroscopic point of view. Solar heat obtained through sunlight can move in the form of radiation, convection, and conduction.
  • a vapor film is formed on the first solar light absorbing layer 220, and since the temperature difference between the surface of the PDA and the HBC and the generated water film is not large, radiation and convection flow Heat losses due to radiation and convection are negligible.
  • the supporter 210 since the supporter 210 includes the heat insulating part 216 on the outside, heat loss due to conduction can also be prevented. Therefore, one embodiment of the present invention can reduce waste heat due to heat loss and efficiently evaporate seawater.
  • the seawater evaporation system 10 uses a closed container 100.
  • the time the evaporated water vapor stays inside the container 100 while being trapped is an open container Since it is longer than the case of using it, the water film effect may be greater.
  • Equation 5 the heat loss can be obtained using Equation 5 below.
  • the seawater evaporation rate of the seawater evaporator 200 having the supporter 210 having a concave top is higher than that of the supporter having a flat top.
  • the seawater evaporation rate of the seawater evaporator having a supporter with a flat top is 1.37 kg m -2 h -1
  • the seawater evaporation rate of the seawater evaporator 200 having a supporter 210 with a concave top 212 is 1.37 kg m -2 h -1
  • the seawater evaporator 200 having a supporter 210 having a concave top 212 has a higher solar absorption rate and a lower scattering reflectance than a supporter with a flat top 212, and 250 In the wavelength range from nm to 2500 nm, overall values are uniform. Due to this, the surface temperature (40.3 degrees) of the seawater evaporator 200 having the supporter 210 with a concave top 212 is higher than that of the supporter with a flat top (38.5 degrees), and the seawater evaporation efficiency (89.6%) is higher can be found.

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Abstract

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
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 해수에서 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 결정될 수 있다.
상기 꼭지각은 165도 이상 170도 이하일 수 있다.
상기 제1 태양광 흡수층은 폴리비닐알코올/폴리비닐피롤리돈 하이드로겔계 탄소이고, 상기 제2 태양광 흡수층은 폴리도파민이 코팅된 유리 섬유 필터일 수 있다.
상기 제1 태양광 흡수층은 진공 필터 방식을 통해 상기 제2 태양광 흡수층에 적층될 수 있다.
상기 제2 태양광 흡수층의 폴리도파민은 상기 제1 태양광 흡수층을 부착시킬 수 있다.
상기 하이드로겔계 탄소는 섭씨 990도 이상 섭씨 1010도 이하에서 탄화되어 생성될 수 있다.
상기 유리 섬유 필터는 폴리도파민 용액에 24시간 이상 담겨 코팅될 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 방오 효과(anti-fouling effect)를 가질 수 있다.
상기 서포터는 단열재 역할을 수행할 수 있다.
상기 해수 이동로는 태양광의 이동로로 이용될 수 있다.
상기 제2 태양광 흡수층은 유연한 재질로 형성될 수 있다.
상기 해수 증발기의 적어도 일부는 3D 프린터로 제조될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 태양광을 이용하는 해수 증발기는 해수에서 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 이하일 수 있다.
상기 제1 태양광 흡수층은 폴리비닐알코올/폴리비닐피롤리돈 하이드로겔계 탄소이고, 상기 제2 태양광 흡수층은 폴리도파민이 코팅된 유리 섬유 필터일 수 있다.
상기 제1 태양광 흡수층 및 상기 제2 태양광 흡수층은 다공성 구조를 가질 수 있다.
상기 서포터, 상기 제1 태양광 흡수층, 및 상기 제2 태양광 흡수층 중 적어도 일부는 3D 프린터로 제조될 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, 방오(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 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른, 서포터의 종단면, 서포터의 오목한 상부, 및 서포터의 해수 이동로를 나타낸 도면이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 서포터의 형태에 따른 성능을 비교한 도면이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 서포터의 꼭지각에 따른 상기 서포터와 해수면의 높이와의 관계를 나타낸 도면이다.
도 6a 및 도 6b은 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 8a 내지 도 8c는 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 11a 내지 도 11c는 본 발명의 일 실시 예에 따른, PDA 유무 각각의 경우에 해수 증발률을 나타낸 그래프, 염 침적(salt deposition) 및 접착 안정성을 나타낸 도면이다.
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 열 손실을 설명하는 도면이다.
도 13a 내지 도 13e는 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 해수 증발기(200)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 3a를 참조하면, 서포터(210)는 오목한 형상의 상부(212), 해수 이동로(214), 및 단열부(216)를 포함할 수 있다.
도 3b를 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 입사되어 반사된 후 다시 서포터(210)의 다른 부분에 입사될 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 3c를 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 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 서포터(210)의 형태에 따라 성능을 비교한 도면이다. 도 4a는 파장에 따른 산란 반사율/태양광 흡수율을 나타낸 그래프이고, 도 4b는 시간에 따른 각 형태의 서포터의 온도를 나타낸 그래프이고, 도 4c는 시간에 따른 증발률을 나타낸 그래프이다. 각각의 그래프에서 P-S는 상부가 평평한 서포터이고 V-85는 꼭지각이 165도 이상 170도 이하인 오목한 서포터를 의미한다.
도 4a를 참조하면, 500 nm 내지 2000 nm의 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 4b와 같은 그래프를 얻을 수 있다.
도 4b를 참조하면, 오목한 서포터가 평평한 서포터보다 더 높은 온도를 가짐을 알 수 있다. 도 4b의 오른쪽에는 실험 시작 시점 및 실험 시작 후 60분이 지난 시점의 서포터의 열화상 이미지이다. 도 4b의 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 4b에 도시된 각각의 서포터는 단열 효과로 인해 해수와 온도 차이가 나는 것을 확인할 수 있다.
도 4c를 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 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 서포터(210)의 꼭지각에 따른 상기 서포터와 해수면의 높이와의 관계를 나타낸 도면이다.
도 5a는 꼭지각이 180도인 제1 서포터의 경우를 나타내고, 도 5b는 꼭지각이 165도 이상 170도 이하인 제2 서포터를 나타내고, 도 5c는 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.
(수학식 1)
ρobject × Vobject × g = ρliquid × Vliguid × g
(수학식 2)
mobject = ρliquid × Vliquid
(수학식 3)
mobject = (A × h) ×ρliquid
(수학식 4)
h = mobject / (A × ρliquid)
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 5c를 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 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 서포터(210)의 꼭지각에 따른 태양광 흡수율 및 해수 높이를 고려한 증발 성능을 나타낸 도면이다.
도 6a를 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 6b의 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 것이 바람직하며, 상기 제2 서포터일 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 해수 증발기(200)는 태양광을 흡수하는 제1 태양광 흡수층(220) 및 제2 태양광 흡수층(230)을 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 폴리비닐알코올(polyvinylalcohol)/폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone) 하이드로겔계 탄소(PVA/PVP hydrogel-based carbon, HBC)이고, 제2 태양광 흡수층(230)은 폴리도파민(polydopamine, PDA)이 코팅된 유림 섬유 필터(glass fiber filter, 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 8a를 참조하면 상기 HBC는 1000도에서 탄화된 경우와 700도에서 탄화된 경우 각각에 400도에서 탄화된 HBC보다 장파장에서의 흡수율이 높음을 알 수 있다.
이어서 도 8b를 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 8c에 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 11a 내지 도 11c는 본 발명의 일 실시 예에 따른, PDA 유무 각각의 경우에 해수 증발률을 나타낸 그래프, 염 침적(salt deposition) 및 접착 안정성을 나타낸 도면이다. 도 11a를 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 벌크(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 11b를 참조하면 상기 HBC만 있는 경우에는 상기 PDA를 더 포함하는 태양광 흡수층과는 달리, 상기 HBC 위에 염이 침적되어있음을 알 수 있다. 도 11c는 도 11b의 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 12a 및 도 12b는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 열 손실을 설명하는 도면이다. 도 12a는 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 12b를 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.
(수학식 5)
conduction loss: qcond = (mCΔTe)/(A × t)
convection loss: qconvec = hΔT
radiation loss: qrad = εσ((Tsurface)＾4 - (Tenvironment)＾4)
도 13a 내지 도 13e는 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 13a를 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 13b 내지 도 13e를 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.

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 해수에서 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,
    해수 증발 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 V자 형상인 종단면의 꼭지각은 상기 서포터의 부력에 기초하여 결정되는,
    해수 증발 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 꼭지각은 165도 이상 170도 이하인,
    해수 증발 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 태양광 흡수층은 폴리비닐알코올/폴리비닐피롤리돈 하이드로겔계 탄소이고, 상기 제2 태양광 흡수층은 폴리도파민이 코팅된 유리 섬유 필터인
    해수 증발 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 태양광 흡수층은 진공 필터 방식을 통해 상기 제2 태양광 흡수층에 적층되는,
    해수 증발 시스템.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제2 태양광 흡수층의 폴리도파민은 상기 제1 태양광 흡수층을 부착시키는,
    해수 증발 시스템.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 하이드로겔계 탄소는 섭씨 990도 이상 섭씨 1010도 이하에서 탄화되어 생성되는,
    해수 증발 시스템.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 유리 섬유 필터는 폴리도파민 용액에 24시간 이상 담겨 코팅되는
    해수 증발 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 태양광 흡수층 및 상기 제2 태양광 흡수층은 다공성 구조를 가지는,
    해수 증발 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 태양광 흡수층 및 상기 제2 태양광 흡수층은 다양한 구멍 크기를 포함하는 다공성 구조를 가지는,
    해수 증발 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 태양광 흡수층 및/또는 상기 제2 태양광 흡수층은 방오 효과(anti-fouling effect)를 가지는,
    해수 증발 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 서포터는 단열재 역할을 수행하는,
    해수 증발 시스템.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 해수 이동로는 태양광의 이동로로 이용되는,
    해수 증발 시스템.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 태양광 흡수층은 유연한 재질로 형성되는,
    해수 증발 시스템.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 해수 증발기의 적어도 일부는 3D 프린터로 제조된
    해수 증발 시스템.
  16. 태양광을 이용하는 해수 증발기는,
    해수에서 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
    해수 증발기.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 V자 형상인 종단면의 꼭지각은 165도 이상 170도 이하인,
    해수 증발기.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 제1 태양광 흡수층은 폴리비닐알코올/폴리비닐피롤리돈 하이드로겔계 탄소이고, 상기 제2 태양광 흡수층은 폴리도파민이 코팅된 유리 섬유 필터인
    해수 증발기.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 제1 태양광 흡수층 및 상기 제2 태양광 흡수층은 다공성 구조를 가지는
    해수 증발기.
  20. 제 16 항에 있어서,
    상기 서포터, 상기 제1 태양광 흡수층, 및 상기 제2 태양광 흡수층 중 적어도 일부는 3D 프린터로 제조된
    해수 증발기.
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