유엔에 따르면, 22억 명의 사람들이 여전히 안전하게 관리되는 식수에 접근하지 못하고 있습니다. 이는 많은 사람들이 물 한 모금을 위해 수 킬로미터를 걷거나 코가 빠지게 비싼 생수를 사야 한다는 뜻입니다. 수요를 충족시키기 위해 캘리포니아에서 중동 일부 지역에 이르기까지 해수를 담수로 바꾸는 담수화 플랜트에 의존해 왔지만, 이 과정은 비용이 많이 들고 에너지 소모가 크며, 염분이 농축된 대량의 염수를 발생시킵니다. 이 염수를 바다에 다시 버리면 염도를 높이고 산소를 빨아들여 해양 생태계에 큰 피해를 줍니다. 마치 한 문제를 해결하면서 다른 문제를 만들어내는 꼴인데, 더 짜기까지 합니다.
로체스터 대학의 연구진이 이끄는 광학 및 물리학 교수 Chunlei Guo는 대부분의 골칫거리를 피해가는 태양열 담수화 시스템을 공개했습니다. 이 접근법은 저널 Light: Science & Applications에 설명되어 있으며, 효율적으로 담수를 생산하고, 화학적 전처리가 필요 없으며, 결정적으로 염수 폐기물을 발생시키지 않습니다. 대신, 용해된 염분을 거의 모두 고체 형태로 회수하는데, 이는 과학이 해수를 마시는 것에 가깝게 접근한 것입니다.
이 시스템은 펨토초 레이저로 텍스처링된 검은 금속으로 만든 태양 전지판에 의존합니다. 이 처리는 표면에 두 가지 초능력을 부여합니다: 들어오는 햇빛을 거의 모두 흡수하고 초친수성이 되어 물을 거의 탈수된 마라톤 선수만큼 좋아합니다. 레이저 패턴이 있는 활성 영역은 얇은 해수 층을 패널 위로 끌어당깁니다. 햇빛이 물을 증발시키고, 증류되어 담수가 되는 반면, 용해된 염분과 미네랄은 처리되지 않은 수동 영역으로 유도되어 일반적으로 덜 발전된 담수화 기술을 막히게 하는 축적을 방지합니다.
Guo는 많은 태양열 담수화 시스템이 물과 염화나트륨만으로 구성된 단순화된 해수로 실험실 테스트에서는 잘 작동한다고 지적합니다. 그러나 실제 바다에는 마그네슘과 칼슘이 포함되어 있어 결정화될 때 단단하고 조밀한 피각을 형성합니다. 이는 찻주전자의 미네랄 스케일과 유사하지만, 해수는 훨씬 더 농축되어 있습니다. 이를 해결하기 위해 팀은 검은 금속 표면에 미세한 홈을 설계하여 염분이 축적되기 전에 활성 영역에서 멀리 이동하도록 장려했습니다. 이는 커피 링 효과를 활용한 것으로, 엎지른 후 테이블에 남는 성가신 갈색 링을 남기는 현상과 동일합니다. "커피를 표면에 떨어뜨리면 결국 물이 증발하고 바깥쪽 가장자리에 링이 남습니다,"라고 Guo는 설명합니다. "우리는 같은 원리를 사용하여 염분을 수동 영역으로 이동시킵니다."
태평양, 대서양, 인도양의 물로 테스트했을 때, 표면은 지속적으로 자체 세척되며 담수를 추출하는 동시에 염분을 수동 영역으로 유도하여 성능 저하 없이 수집할 수 있었습니다. 가장 큰 장점 중 하나는 회수된 고체에서 전기차 배터리의 핵심 성분인 리튬과 같은 귀중한 미네랄을 얻을 수 있다는 것입니다. Journal of Materials Chemistry A에 발표된 관련 연구에서 Guo와 동료들은 수소 티탄산 나노입자를 금속 홈에 내장하여 다른 염분에서 리튬을 선택적으로 분리했습니다. 유타주 그레이트 솔트 레이크의 물을 사용하여 남은 염분에 포함된 리튬의 약 50%를 회수했습니다. "지구에서 리튬을 채굴하는 것은 에너지 및 환경 측면에서 매우 부담스러운 것으로 입증되었습니다,"라고 Guo는 말합니다. "따라서 염수에서 직접 리튬을 추출하는 것은 미래에 매우 중요한 경로가 될 수 있습니다."
이 기술은 아직 개념 증명 단계이지만, Guo는 상당히 확장될 수 있다고 믿으며, 잠재적으로 깨끗한 식수에 대한 접근성을 높이는 동시에 중요한 미네랄의 더 지속 가능한 공급원을 창출할 수 있습니다. 이 연구는 국립과학재단, 빌 & 멜린다 게이츠 재단, 세계 대학 네트워크의 지원을 받았습니다. 추가 기여자로는 선임 과학자 Subash Singh, 동문 Ran Wei '24, 박사 과정 학생 Luheng Tang과 Tainshu Xu, 그리고 광학 연구소의 Mingjiang Ma가 포함됩니다.