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Jan 29, 2024

버튼만 누르면 바닷물부터 식수까지

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MIT 연구진이 입자와 염분을 제거하여 식수를 생성할 수 있는 무게가 10kg 미만인 휴대용 담수화 장치를 개발했습니다.

휴대폰 충전기보다 작동하는 데 전력이 덜 필요한 여행 가방 크기의 장치는 온라인에서 약 50달러에 구입할 수 있는 소형 휴대용 태양 전지판으로도 구동할 수 있습니다. 세계보건기구(WHO) 품질 기준을 초과하는 식수를 자동으로 생성합니다. 이 기술은 버튼 하나만 누르면 실행되는 사용자 친화적인 장치에 담겨 있습니다.

물이 필터를 통과해야 하는 다른 휴대용 담수화 장치와 달리 이 장치는 전력을 사용하여 식수에서 입자를 제거합니다. 필터 교체가 필요하지 않아 장기적인 유지 관리 요구 사항이 크게 줄어듭니다.

이를 통해 이 장치는 작은 섬의 공동체나 해상 화물선 탑승과 같이 자원이 극도로 제한된 원격 지역에 배치될 수 있습니다. 또한 자연재해를 피해 도망친 난민이나 장기 군사작전을 수행하는 군인을 돕는 데에도 사용될 수 있습니다.

"이것은 나와 우리 그룹이 걸어온 10년 여정의 정점입니다. 우리는 수년간 개별 담수화 프로세스 뒤에 있는 물리학에 대해 연구했지만 이러한 모든 발전을 하나의 상자에 담아 시스템을 구축하고 이를 시연했습니다. 바다, 그것은 나에게 정말 의미 있고 보람 있는 경험이었습니다."라고 전기 공학, 컴퓨터 과학, 생명 공학 교수이자 전자 연구소(RLE)의 회원인 선임 저자 한종윤은 말합니다.

논문에 Han씨와 함께 RLE의 연구 과학자인 제1저자 윤정효; 권혁진(전 박사후 연구원); 강성구(Northeastern University 박사후 연구원); 미 육군 전투능력개발사령부(DEVCOM)의 Eric Brack입니다. 이번 연구는 환경과학과 기술(Environmental Science and Technology) 온라인판에 게재됐다.

필터 프리 기술

상업적으로 이용 가능한 휴대용 담수화 장치는 일반적으로 필터를 통해 물을 밀어내기 위해 고압 펌프가 필요하며, 이는 장치의 에너지 효율성을 손상시키지 않고 소형화하기가 매우 어렵다고 윤씨는 설명합니다.

대신, 그들의 장치는 10여 년 전에 Han의 그룹이 개척한 이온 농도 분극(ICP)이라는 기술을 사용합니다. ICP 공정은 물을 여과하는 대신 물 채널 위와 아래에 위치한 멤브레인에 전기장을 적용합니다. 막은 염분 분자, 박테리아, 바이러스를 포함하여 양전하 또는 음전하를 띤 입자가 지나갈 때 이를 밀어냅니다. 하전된 입자는 결국 배출되는 두 번째 물 흐름으로 유입됩니다.

이 공정은 용해된 고형물과 부유 고형물을 모두 제거하여 깨끗한 물이 채널을 통과할 수 있도록 합니다. 저압 펌프만 필요하기 때문에 ICP는 다른 기술보다 에너지를 덜 사용합니다.

하지만 ICP가 항상 채널 중앙에 떠 있는 염분을 모두 제거하는 것은 아닙니다. 그래서 연구진은 남은 염 이온을 제거하기 위해 전기투석이라는 두 번째 공정을 통합했습니다.

윤씨와 강씨는 머신러닝을 이용해 ICP와 전기투석 모듈의 이상적인 조합을 찾았습니다. 최적의 설정에는 2단계 ICP 프로세스가 포함됩니다. 첫 번째 단계에서는 물이 6개의 모듈을 통해 흐르고, 두 번째 단계에서는 3개의 모듈을 통해 흐르며, 이어서 단일 전기투석 프로세스가 이어집니다. 이를 통해 프로세스가 자체 세척 상태를 유지하면서 에너지 사용량을 최소화했습니다.