KR102077293B1 - Desalination structure using solar energy - Google Patents

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Abstract

본 발명은 태양광 해수담수화 구조체에 관한 것으로서, 상기 구조체는 90 % 이상의 우수한 광흡수율 및 넓은 표면적을 갖는 광흡수재를 포함하여, 향상된 태양광-증기 전환 효율을 가지며 탁월한 담수화 효율을 갖는다.The present invention relates to a solar seawater desalination structure, the structure including a light absorber having a good light absorption rate and a large surface area of more than 90%, has improved solar-vapor conversion efficiency and excellent desalination efficiency.

Description

태양광 담수화 구조체{DESALINATION STRUCTURE USING SOLAR ENERGY}Solar desalination structure {DESALINATION STRUCTURE USING SOLAR ENERGY}

본 발명은 태양광 담수화 구조체에 관한 것으로서, 상기 구조체는 90 % 이상의 우수한 광흡수율 및 넓은 표면적을 갖는 광흡수재를 포함하여, 향상된 태양광-증기 전환 효율을 가지며 탁월한 담수화 효율을 갖는다.The present invention relates to a solar desalination structure, which includes a light absorber having a good light absorption rate and a large surface area of 90% or more, and thus has an improved solar-vapor conversion efficiency and an excellent desalination efficiency.

태양광 담수화는 무한한 에너지 공급과 최소한의 환경 영향으로, 해수를 가열하여 증기를 생산하고, 이후 상기 증기를 포집하여 담수를 얻는 방법이다. 그러나, 상기 태양광 담수화는 광-열 전환 효율이 낮은 단점이 있다. 구체적으로, 종래 태양광 담수화에 사용되는 구조체는 생성된 증기 분자가 구조체를 탈출하기에 부적절한 구조를 가지며, 해수의 열손실에 의한 열 국부화가 이루어지지 않는 문제가 있었다. Solar desalination is a method of producing steam by heating seawater with infinite energy supply and minimal environmental impact, and then collecting the steam to obtain fresh water. However, the solar desalination has a disadvantage of low light-to-heat conversion efficiency. Specifically, the structure used in the conventional solar desalination has a problem that the generated vapor molecules have an inappropriate structure for escaping the structure, and thermal localization due to heat loss of seawater is not achieved.

따라서, 최근 연구들은 해수 표면에만 열 국부화를 이뤄, 인공광 집중이나 전력을 사용하지 않고 태양광 조사만으로 효율적인 증기발생을 촉진하는데 집중하고 있다. 구체적으로, 태양광 스펙트럼의 전체 범위(300 내지 2500 nm)에서의 활성 물질의 최대 흡수, 친수성 표면 특성, 해수로부터의 효과적인 단열 및 최소한의 열손실로 발생된 증기 기포의 효율적인 탈출을 통해 광-열 전환 효율의 향상을 꾀하고 있다. Thus, recent studies have focused on thermal localization only on the surface of seawater, promoting efficient vapor generation by solar irradiation alone, without the use of artificial light concentration or power. Specifically, light-heat is achieved through maximum absorption of the active substance over the full range of the solar spectrum (300-2500 nm), hydrophilic surface properties, effective thermal insulation from seawater and efficient escape of vapor bubbles generated with minimal heat loss. It aims to improve the conversion efficiency.

예를 들어, 최근에는 증기를 방출하기에 적합한 구조, 친수성 표면 및 우수한 광-열 전환 효율을 갖는 수직 정렬된 그래핀 시트막이 보고되었다(P. Zhang, J. Li, L. Lv, Y. Zhao and L. Qu, ACS Nano 2017, 11, 5087.).For example, recently, vertically aligned graphene sheet films with structures suitable for releasing vapor, hydrophilic surfaces and good light-to-heat conversion efficiency have been reported (P. Zhang, J. Li, L. Lv, Y. Zhao). and L. Qu, ACS Nano 2017, 11, 5087.).

한국 공개특허 제 2014-0092980 호Korean Patent Publication No. 2014-0092980

P. Zhang, J. Li, L. Lv, Y. Zhao and L. Qu, ACS Nano 2017, 11, 5087. P. Zhang, J. Li, L. Lv, Y. Zhao and L. Qu, ACS Nano 2017, 11, 5087.

그러나, 상기 논문의 그래핀 시트막과 같이 10 ㎛ 이상의 거대 기공을 갖는 다공성 구조물은 증기발생을 위한 표면적이 적고, 이를 이용한 담수화 시스템은 매우 복잡한 제조 공정으로 인해 경제성이 떨어지는 문제가 있다.However, a porous structure having large pores of 10 μm or more, such as the graphene sheet film of the paper, has a small surface area for steam generation, and a desalination system using the same has a problem of low economical efficiency due to a very complicated manufacturing process.

따라서, 본 발명의 목적은 광흡수율 및 광-열 전환율이 우수하고, 해수로부터의 단열 효과가 우수하여 열 손실이 최소화되고, 생성된 증기의 방출이 용이하여 광-증기 전환율이 우수한 태양광 담수화 구조체를 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is a solar desalination structure having excellent light absorption rate and light-to-heat conversion rate, excellent thermal insulation effect from seawater, minimizing heat loss, and easy emission of generated steam, thereby providing excellent light-vapor conversion rate. To provide.

상기 목적에 따라, 본 발명은 물-수송(water-transporting) 부재, 및In accordance with the above object, the present invention provides a water-transporting member, and

상기 물-수송 부재의 표면상에 위치하는 광흡수재를 포함하는, 태양광 담수화 구조체를 제공한다.It provides a solar desalination structure, comprising a light absorbing material located on the surface of the water-transport member.

본 발명은 태양광 담수화 구조체를 포함하는 해수담수화 시설을 제공한다.The present invention provides a desalination plant comprising a solar desalination structure.

본 발명에 따른 태양광 담수화 구조체는 광흡수율 및 광-열 전환율이 우수하고, 해수로부터 단열 효과가 우수하여 열 손실이 적으며, 생성된 증기의 방출이 용이하여 90 % 이상의 높은 광-증기 전환율을 갖는다.The solar desalination structure according to the present invention has excellent light absorption rate and light-heat conversion rate, excellent thermal insulation effect from seawater, low heat loss, and easy emission of generated steam, resulting in high light-vapor conversion rate of 90% or more. Have

도 1은 물-수송(water-transporting) 부재인 목재의 디지털 카메라(a) 및 SEM 사진(b 내지 d)이다.
도 2는 생목재, 및 제조예 1(GO), 비교예 1(3DGN-Ni) 및 실시예 1(3DGN)의 구조체 사진이다.
도 3은 GO(a), 3DGN-Ni(b), 및 3DGN(c 및 d)의 TEM 이미지이다.
도 4는 제조예 1(GO), 제조예 2(3DGN) 및 제조예 3(3DGN-Ni)의 광흡수재의 표면적 및 기공 크기 분포 측정 결과이다.
도 5는 생목재, 및 제조예 1(GO), 제조예 2(3DGN) 및 제조예 3(3DGN-Ni)의 광흡수재의 라만 스펙트럼 측정 결과이다.
도 6의 (a)는 생목재, 및 제조예 1(GO), 제조예 2(3DGN) 및 제조예 3(3DGN-Ni)의 광흡수재의 광흡수율 그래프이고, (b)는 생목재, 및 제조예 1(GO), 제조예 2(3DGN) 및 제조예 3(3DGN-Ni)의 광흡수재의 반사율 그래프이고, (c)는 제조예 2(3DGN) 및 제조예 3(3DGN-Ni)의 광흡수재의 300 내지 2500 nm의 광에 대한 흡수율 그래프이다.
도 7은 제조예 2의 3DGN의 C1s X-선 광전자 분광 분석 결과이다.
도 8의 (a) 및 (b)는 제조예 1(GO), (c) 및 (d)는 제조예 2(3DGN), 및 (e) 및 (f)는 제조예 3(3DGN-Ni)의 광흡수재의 XPS 분석 결과이다.
도 9의 (a)는 1 kW/㎡의 조명 조사시 해수(none), 생목재(bare wood), 및 제조예 1(GO), 제조예 2(3DGN) 및 제조예 3(3DGN-Ni)의 광흡수재의 온도 변화 그래프이고, (b)는 상기 조명 조사 1시간 후 해수에 부유된 구조체의 열화상 이미지이다.
도 10은 동일한 함량의 광흡수재를 포함하는 구조체를 이용하여 1 kW/㎡의 조명 조사시 시간에 따른 해수의 질량 변화 그래프이다.
도 11은 1 kW/㎡의 조명 조사시 광흡수재의 함량과 시간에 따른 해수의 질량 변화 그래프이다.
도 12는 순수한 물(none), 생목재(bare wood), 및 제조예 1(GO), 제조예 2(3DGN) 및 제조예 3(3DGN-Ni)의 구조체의 태양광-증기 전환 효율 그래프이다.
도 13은 담수화 전 및 후의 해수의 나트륨 및 염소 이온의 함량이다.1 is a digital camera (a) and SEM photographs (b to d) of wood as a water-transporting member.
FIG. 2 is a structure photograph of raw wood, and Preparation Example 1 (GO), Comparative Example 1 (3DGN-Ni), and Example 1 (3DGN). FIG.
3 is a TEM image of GO (a), 3DGN-Ni (b), and 3DGN (c and d).
4 shows measurement results of surface area and pore size of light absorbing materials of Preparation Example 1 (GO), Preparation Example 2 (3DGN), and Preparation Example 3 (3DGN-Ni).
FIG. 5 shows Raman spectrum measurement results of the green wood and the light absorbing materials of Preparation Example 1 (GO), Preparation Example 2 (3DGN), and Preparation Example 3 (3DGN-Ni).
Figure 6 (a) is a light absorbance graph of the light absorbing material of the wood, and manufacture example 1 (GO), manufacture example 2 (3DGN) and manufacture example 3 (3DGN-Ni), (b) is the tree, and The reflectance graphs of the light absorbing materials of Preparation Example 1 (GO), Preparation Example 2 (3DGN) and Preparation Example 3 (3DGN-Ni), and (c) shows the results of Preparation Example 2 (3DGN) and Absorption rate graph for light absorbing material of 300 to 2500 nm.
7 is a C1s X-ray photoelectron spectroscopic analysis of 3DGN of Preparation Example 2.
(A) and (b) of FIG. 8 are Preparation Example 1 (GO), (c) and (d) are Preparation Example 2 (3DGN), and (e) and (f) are Preparation Example 3 (3DGN-Ni). XPS analysis results of the light absorber.
9 (a) shows seawater (none), bare wood, and preparation example 1 (GO), preparation example 2 (3DGN) and preparation example 3 (3DGN-Ni) upon irradiation of 1 kW / m 2; (B) is a thermal image of a structure suspended in seawater after 1 hour of illumination irradiation.
10 is a graph of the mass change of seawater with time upon irradiation of 1 kW / m 2 using a structure including the same amount of light absorbing material.
FIG. 11 is a graph of mass change of seawater with time and content of a light absorbing material at 1 kW / m 2 illumination irradiation.
12 is a graph of solar-vapor conversion efficiency of pure water (none), bare wood, and structures of Preparation Example 1 (GO), Preparation Example 2 (3DGN), and Preparation Example 3 (3DGN-Ni). .
13 is the content of sodium and chlorine ions in seawater before and after desalination.

본 발명은 물-수송(water-transporting) 부재, 및The present invention provides a water-transporting member, and

상기 물-수송 부재의 표면상에 위치하는 광흡수재를 포함하는, 태양광 담수화 구조체를 제공한다.It provides a solar desalination structure, comprising a light absorbing material located on the surface of the water-transport member.

물-수송 부재Water-transport member

상기 물-수송 부재는 해수를 광흡수재로 이동시키는 통로 역할을 한다. 구체적으로, 상기 물-수송 부재는 수십개의 미세관이 밀집되어 수직으로 해수가 관통할 수 있는 구조를 가질 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 물-수송 부재는 목재, 플라스틱 발포체 또는 셀룰로오스 및 스티로폼 복합체일 수 있다. 더욱 구체적으로, 상기 물-수송 부재는 목재일 수 있다.The water-transport member serves as a passage for moving seawater to the light absorbing material. Specifically, the water-transport member may have a structure in which dozens of microtubules are concentrated to allow seawater to penetrate vertically. More specifically, the water-carrying member may be wood, plastic foam or cellulose and styrofoam composites. More specifically, the water-carrying member may be wood.

도 1을 참조하면, 물-수송 부재는 수십개의 미세관이 나열되어 수직으로 해수가 관통할 수 있는 구조를 갖는 목재일 수 있다.Referring to FIG. 1, the water-transport member may be wood having a structure in which dozens of microtubules are arranged so that seawater can penetrate vertically.

상기 물-수송 부재는 0.02 W/mK 이하의 열전도도를 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 물-수송 부재는 0 내지 0.02 W/mK, 또는 0 초과 0.02 W/mK 이하의 열전도도를 가질 수 있다. 상기 물-수송 부재의 열전도도가 상기 범위 내일 경우, 해수와 광흡수재 사이에 단열재로 작용하여 열 손실을 줄이는 효과가 있다. 구체적으로, 상기 물-수송 부재는 낮은 열전도도를 가져, 생성된 증기의 열이 해수로 손실되어 태양광이 증기로 전환되는 효율을 낮추는 문제 및 증기의 열이 해수로 손실되어 증기가 다시 물로 응축되는 문제를 방지할 수 있다.The water-transport member may have a thermal conductivity of 0.02 W / mK or less. Specifically, the water-transport member may have a thermal conductivity of 0 to 0.02 W / mK, or greater than 0 and 0.02 W / mK or less. When the thermal conductivity of the water-transport member is within the above range, there is an effect of reducing heat loss by acting as an insulating material between the sea water and the light absorbing material. Specifically, the water-transport member has a low thermal conductivity, the heat of the generated steam is lost to the sea water to reduce the efficiency of converting sunlight into steam, and the heat of the steam is lost to sea water, the steam is condensed back into the water Can be prevented.

상기 물-수송 부재는 비중이 물보다 작아 해수에 부유할 수 있다. 예를 들어, 상기 물-수송 부재는 비중이 0.7 내지 0.9 g/㎤일 수 있다. 상기 물-수송 부재가 해수에 부유할 경우, 물-수송 부재를 통해 광흡수재에 도달한 해수에 강한 열이 집중되어 열손실 없이 효과적으로 증기를 생산할 수 있다.The water-transport member may have a specific gravity smaller than that of water and thus float in seawater. For example, the water-transport member may have a specific gravity of 0.7 to 0.9 g / cm 3. When the water-transport member is suspended in seawater, strong heat is concentrated in the seawater reaching the light absorbing material through the water-transport member, thereby effectively producing steam without heat loss.

상기 물-수송 부재는 직경이 5 내지 1,000 mm이고, 높이가 5 내지 500 mm일 수 있다. 구체적으로, 상기 물-수송 부재는 직경이 5 내지 500 mm, 10 내지 100 mm, 10 내지 50 mm, 또는 10 내지 20 mm이고, 높이가 5 내지 100 mm, 5 내지 50 mm, 5 내지 25 mm, 또는 10 내지 20 mm일 수 있다.The water-carrying member may have a diameter of 5 to 1,000 mm and a height of 5 to 500 mm. Specifically, the water-transport member has a diameter of 5 to 500 mm, 10 to 100 mm, 10 to 50 mm, or 10 to 20 mm, a height of 5 to 100 mm, 5 to 50 mm, 5 to 25 mm, Or 10 to 20 mm.

상기 물-수송 부재는 원통형, 다각기둥 등 다양한 형태일 수 있다. 만약, 상기 물-수송 부재가 원통형일 경우, 상기 높이는 원통형의 높이를 의미한다. 또한, 상기 물-수송 부재가 다각기둥일 경우, 상기 직경은 밑면인 다각형의 내접원의 직경을 의미하며, 상기 높이는 상기 다각기둥의 높이를 의미한다.The water-transporting member may be in various forms such as cylindrical, polygonal, and the like. If the water-transport member is cylindrical, the height means a cylindrical height. In addition, when the water-transport member is a polygonal column, the diameter refers to the diameter of the inscribed circle of the polygon that is the base, the height means the height of the polygonal column.

광흡수재Light absorbing material

상기 광흡수재는 태양광을 흡수하여 해수를 증발시키는 역할을 한다. The light absorbing material absorbs sunlight and serves to evaporate seawater.

생성된 수증기 분자를 방출하는 것은 수증기 분자의 연속적이고 효율적인 생성에 매우 중요한데, 이는 광흡수재의 내부에 수증기 분자가 갇힐 경우, 상기 수증기 분자가 다시 액화되는 문제가 발생할 수 있기 때문이다. 구체적으로, 광흡수재의 내부 기공에 수분을 포함할 경우, 생성된 수증기가 상기 기공 내의 수분 주변을 통과하면서 수증기가 다시 액화되는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 기화된 물방울이 공기로 방출되어 효율적으로 증기가 생성되기 위해서, 광흡수재는 미세 및 메조포어를 포함하는 것이 바람직하다. 특히, 수개 층의 그래핀에 의해 나누어지는 메조포어는 증기의 생성을 위한 적절한 기공을 제공하고, 더 작은 물방울의 증발을 촉진할 뿐만 아니라 빛의 다중 산란으로 인해 광흡수 특성을 향상시켜, 메조포어를 포함하는 광흡수재는 높은 광-열 에너지 전환 효율을 갖는다.The release of the generated water vapor molecules is very important for the continuous and efficient generation of water vapor molecules, because when water vapor molecules are trapped inside the light absorber, the water vapor molecules may be liquefied again. Specifically, in the case where the water absorbs the internal pores of the light absorbing material, the generated water vapor passes through the water surrounding the pores may cause a problem that the water vapor is liquefied again. Therefore, in order for the vaporized water droplets to be released into the air to efficiently generate steam, the light absorbing material preferably includes fine and mesopores. In particular, mesopores divided by several layers of graphene provide adequate pores for the generation of vapors, promote evaporation of smaller droplets, and improve light absorption properties due to multiple scattering of light, The light absorber comprising a has a high light-to-heat energy conversion efficiency.

또한, 증발률과 직접적인 관련이 있는 광흡수재의 효율적인 태양광-증기 전환을 위해서는, 광흡수재가 높은 광-열 에너지 전환, 넓은 표면적 및 높은 미세/메조포어 함량을 가져 증기 분자를 발생시키고 이를 용이하게 공기 중으로 방출시키는 것이 매우 중요하다. 이와 관련하여, 본 발명의 광흡수재는 넓은 표면적 및 미세/메조포어를 포함하며 태양광 흡수율이 높아 태양광-증기 전환 효율이 우수하다.In addition, for efficient solar-vapor conversion of light absorbers directly related to the evaporation rate, light absorbers have high light-to-heat energy conversion, large surface area and high fine / mesopore content to generate and facilitate vapor molecules. It is very important to release it into the air. In this regard, the light absorbing material of the present invention includes a large surface area and fine / mesopores, and has a high solar absorption rate, thereby providing excellent solar-vapor conversion efficiency.

상기 광흡수재는 메조포러스 3차원 그래핀일 수 있다. 상기 광흡수재가 메조포러스 3차원 그래핀일 경우, 흡수한 빛의 다중 산란으로 인해 광흡수율이 높고, 생성된 증기가 공기 중으로 용이하게 방출되는 효과가 있다.The light absorbing material may be mesoporous three-dimensional graphene. When the light absorbing material is mesoporous 3D graphene, the light absorption is high due to the multi-scattering of absorbed light, and the generated vapor is easily released into the air.

상기 메조포러스 3차원 그래핀은 500 내지 1,500 ㎠/g의 표면적을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 메조포러스 3차원 그래핀은 1,000 내지 1,500 ㎠/g, 1,000 내지 1,400 ㎠/g, 또는 1,100 내지 1,250 ㎠/g의 표면적을 가질 수 있다. 상기 메조포러스 3차원 그래핀의 표면적이 상기 범위 내일 때, 태양광 흡수율이 높고 생성된 증기의 방출이 용이한 효과가 있다.The mesoporous three-dimensional graphene may have a surface area of 500 to 1,500 cm 2 / g. Specifically, the mesoporous three-dimensional graphene may have a surface area of 1,000 to 1,500 cm 2 / g, 1,000 to 1,400 cm 2 / g, or 1,100 to 1,250 cm 2 / g. When the surface area of the mesoporous three-dimensional graphene is within the above range, there is a high solar absorption rate and the effect of the release of the generated vapor is easy.

상기 메조포러스 3차원 그래핀은 80 내지 99 %의 공극률을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 메조포러스 3차원 그래핀은 95 내지 99 %의 공극률을 가질 수 있다. 상기 메조포러스 3차원 그래핀의 공극률이 상기 범위 내일 경우, 해수의 증발이 이루어지는 증발 지점의 면적이 넓어 해수의 담수화율이 향상된다.The mesoporous three-dimensional graphene may have a porosity of 80 to 99%. Specifically, the mesoporous three-dimensional graphene may have a porosity of 95 to 99%. When the porosity of the mesoporous three-dimensional graphene is within the above range, the area of the evaporation point where the seawater evaporates is wide, thereby improving the desalination rate of seawater.

상기 메조포러스 3차원 그래핀의 평균 기공 직경은 5 내지 150 nm일 수 있다. 구체적으로, 상기 메조포러스 3차원 그래핀의 평균 기공 직경은 5 내지 50 nm, 5 내지 30 nm, 4 내지 6 nm, 10 내지 20 nm, 또는 15 내지 25 nm일 수 있다. 상기 메조포러스 3차원 그래핀의 평균 기공 직경이 상기 범위 내일 경우, 생성된 증기의 방출이 용이하여 담수화 효율이 향상될 수 있다.The average pore diameter of the mesoporous three-dimensional graphene may be 5 to 150 nm. Specifically, the average pore diameter of the mesoporous three-dimensional graphene may be 5 to 50 nm, 5 to 30 nm, 4 to 6 nm, 10 to 20 nm, or 15 to 25 nm. When the average pore diameter of the mesoporous three-dimensional graphene is within the above range, the generated steam can be easily released to improve the desalination efficiency.

상기 메조포러스 3차원 그래핀은 300 내지 2,500 nm의 파장에 대한 흡광도가 90 % 이상일 수 있다. 구체적으로, 상기 메조포러스 3차원 그래핀은 300 내지 2,500 nm의 파장에 대한 흡광도가 95 % 이상, 96 % 이상, 또는 97 % 이상일 수 있다.The mesoporous 3D graphene may have an absorbance of about 90% or more for a wavelength of 300 to 2,500 nm. Specifically, the mesoporous three-dimensional graphene may have an absorbance of more than 95%, 96%, or 97% for a wavelength of 300 to 2,500 nm.

상기 메조포러스 3차원 그래핀의 라만 스펙트럼이 2,600 내지 2,800 cm-1의 피크를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 메조포러스 3차원 그래핀의 라만 스펙트럼이 2,650 내지 2,750 cm-1의 피크를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 메조포러스 3차원 그래핀의 라만 스펙트럼이 2,650 내지 2,750 cm-1의 피크, 1,200 내지 1,400 cm-1의 피크, 및 1,500 내지 1,700 cm-1의 피크를 포함할 수 있다.The Raman spectrum of the mesoporous three-dimensional graphene may include a peak of 2,600 to 2,800 cm -1 . Specifically, the Raman spectrum of the mesoporous three-dimensional graphene may include a peak of 2,650 to 2,750 cm -1 . More specifically, the Raman spectrum of the mesoporous three-dimensional graphene may include a peak of 2,650 to 2,750 cm -1 , a peak of 1,200 to 1,400 cm -1 , and a peak of 1,500 to 1,700 cm -1 .

상기 광흡수재가 친수성일 수 있다. 상기 광흡수재가 친수성일 경우, 해수를 증기로 바꾸는데 보다 유리할 수 있다.The light absorbing material may be hydrophilic. If the light absorbing material is hydrophilic, it may be more advantageous to convert sea water into steam.

태양광 담수화 구조체Solar desalination structure

상기 태양광 담수화 구조체는 물-수송 부재와 상기 물-수송 부재의 표면상에 위치하는 광흡수재를 포함한다. 구체적으로, 상기 태양광 담수화 구조체는 물-수송 부재와 상기 물-수송 부재의 표면상에 위치하는 광흡수재로 이루어질 수 있다.The solar desalination structure includes a water-transporting member and a light absorber positioned on a surface of the water-transporting member. Specifically, the solar desalination structure may be formed of a water-transporting member and a light absorbing material positioned on the surface of the water-transporting member.

도 2를 참조하면, 상기 태양광 담수화 구조체는 물-수송 부재로 목재; 및 상기 목재 표면상에 위치하는 광흡수재로 메조포러스 3차원 그래핀을 포함할 수 있다.2, the solar desalination structure is wood as a water-transport member; And mesoporous three-dimensional graphene as a light absorbing material positioned on the wood surface.

상기 태양광 담수화 구조체는 하기 수학식 1로 계산되는 온도 변화가 5 내지 40 ℃일 수 있다. 구체적으로, 상기 태양광 담수화 구조체는 하기 수학식 1로 계산되는 온도 변화가 10 내지 40 ℃, 10 내지 20 ℃, 15 내지 25 ℃, 또는 35 내지 40 ℃일 수 있다.The solar desalination structure may have a temperature change of 5 to 40 ° C. calculated by Equation 1 below. In detail, the solar desalination structure may have a temperature change calculated by Equation 1 below from 10 to 40 ° C, 10 to 20 ° C, 15 to 25 ° C, or 35 to 40 ° C.

[수학식 1][Equation 1]

온도 변화(△T) = T2 - T1Temperature change (△ T) = T2-T1

상기 수학식 1에서,In Equation 1,

T1은 상기 구조체의 초기 온도(℃)이고,T1 is the initial temperature (° C.) of the structure,

T2는 상기 구조체를 1 kW/㎡으로 1 시간 동안 가열한 후 측정한 온도(℃)이다.T2 is the temperature (° C.) measured after heating the structure to 1 kW / m 2 for 1 hour.

상기 태양광 담수화 구조체는 하기 수학식 2로 계산되는 질량 변화가 0.5 내지 2.0 kg/㎡·hr일 수 있다. 구체적으로, 상기 태양광 담수화 구조체는 하기 수학식 2로 계산되는 질량 변화가 0.5 내지 0.8 kg/㎡·hr, 1.0 내지 1.4 kg/㎡·hr, 1.3 내지 1.6 kg/㎡·hr, 1.5 내지 1.8 kg/㎡·hr, 1.6 내지 1.68 kg/㎡·hr, 1.4 내지 1.8 kg/㎡·hr, 또는 1.5 내지 2.0 kg/㎡·hr일 수 있다.The solar desalination structure may have a mass change of 0.5 to 2.0 kg / m 2 · hr calculated by Equation 2 below. Specifically, the solar desalination structure has a mass change of 0.5 to 0.8 kg / m 2 · hr, 1.0 to 1.4 kg / m 2 · hr, 1.3 to 1.6 kg / m 2 · hr, and 1.5 to 1.8 kg calculated by Equation 2 below. / M 2 · hr, 1.6 to 1.68 kg / m 2 · hr, 1.4 to 1.8 kg / m 2 · hr, or 1.5 to 2.0 kg / m 2 · hr.

[수학식 2][Equation 2]

질량 변화(△W) = W1 - W2Mass change (△ W) = W1-W2

상기 수학식 2에서,In Equation 2,

W1은 초기 물의 질량(kg)이고,W1 is the mass of initial water in kg

W2는 물에 구조체를 부유시킨 후 상기 구조체에 1 kW/㎡으로 1 시간 동안 가열한 후 측정한 물의 질량(kg)이다.W2 is the mass (kg) of water measured after the structure is suspended in water and heated to the structure at 1 kW / m 2 for 1 hour.

상기 태양광 담수화 구조체는 하기 수학식 3으로 계산되는 태양광-증기 전환 효율이 90 % 이상일 수 있다. 구체적으로, 상기 태양광 담수화 구조체는 하기 수학식 3으로 계산되는 태양광-증기 전환 효율이 90 내지 95 %, 90 내지 93 %, 91 내지 93 %, 또는 91 내지 92 %일 수 있다.The solar desalination structure may have a solar-vapor conversion efficiency of 90% or more calculated by Equation 3 below. Specifically, the solar desalination structure may have a solar-vapor conversion efficiency of 90 to 95%, 90 to 93%, 91 to 93%, or 91 to 92% calculated by Equation 3 below.

[수학식 3][Equation 3]

Figure 112018018609175-pat00001
Figure 112018018609175-pat00001

상기 수학식 3에서,In Equation 3,

A는 조명의 단면적(㎡)이고,A is the cross-sectional area of illumination (m 2),

Copt는 광학 농도이며,C opt is optical density,

Qs는 광조사 강도(1 kW/㎡)이고,Q s is light irradiation intensity (1 kW / m 2),

Qe는 하기 수학식 4로 계산되며,Q e is calculated by the following equation (4),

[수학식 4][Equation 4]

Figure 112018018609175-pat00002
Figure 112018018609175-pat00002

상기 수학식 4에서,In Equation 4,

m은 조사된 광에 의한 물의 질량 플럭스(flux)(kg/㎡·hr)이고,m is the mass flux of water by the irradiated light (kg / m 2 · hr),

λ는 물이 증기로 상변화하는데 필요한 잠열(2255.2 J/g)이며,λ is the latent heat (2255.2 J / g) required for the phase change of water into steam,

C는 물의 열용량(4.2 J/g·K)이고,C is the heat capacity of the water (4.2 J / gK),

△T는 광조사 1시간 후 물의 온도 변화(℃)이다.ΔT is the temperature change (° C.) of water after 1 hour of light irradiation.

해수담수화 시설Seawater Desalination Facility

또한, 본 발명은 상기 태양광 담수화 구조체를 포함하는 해수담수화 시설을 제공한다.In addition, the present invention provides a seawater desalination facility including the solar desalination structure.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of examples. However, the following examples are merely to illustrate the present invention, but the content of the present invention is not limited by the following examples.

이하의 실시예에서 사용된 약어들의 의미는 아래와 같다:The meanings of the abbreviations used in the examples below are as follows:

- 3DGN: 메조포러스를 갖는 3차원 그래핀 네트워크3DGN: 3D graphene network with mesoporous

- 3DGN-Ni: 표면에 니켈(Ni)이 코팅되어 있는 3DGN-3DGN-Ni: 3DGN with nickel (Ni) coated on the surface

- GO: 그래핀 산화물(graphene oxide)GO: graphene oxide

이하의 실시예에서 사용한 재료 및 기기는 다음과 같다:Materials and devices used in the following examples are as follows:

- 전자주사현미경(scanning electron microscopy, SEM): Hitach High-Technologies, S-4800Scanning electron microscopy (SEM): Hitach High-Technologies, S-4800

- 투과 전자 현미경(transmission electron microscopy, TEM): JEOL, JEM-2100Transmission electron microscopy (TEM): JEOL, JEM-2100

- 라만 분광법(raman spectroscopy): WITec, alpha300RRaman spectroscopy: WITec, alpha300R

- X선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS): X-선 회절분석(X-ray diffraction, XRD)기로 Rigaku사의 D/MAX 2500V/PC를 이용하였다.X-ray photoelectron spectroscopy (XPS): Rigaku's D / MAX 2500V / PC was used as an X-ray diffraction (XRD).

- 자외선-가시광선 분광법(UV-Vis spectroscopy): Agilent, Cary 5000UV-Vis spectroscopy: Agilent, Cary 5000

- 이온 크로마토그래피: 양이온은 Thermo Fisher Scientific사의 ICP 1600, 음이온은 Thermo Fisher Scientific사의 ICP 2100를 이용하여 분석하였다.Ion Chromatography: The cations were analyzed using ICP 1600 from Thermo Fisher Scientific and the anions from ICP 2100 from Thermo Fisher Scientific.

- 열전도율: 열 상수 분석기(Hot Disk, TPS 2500S)를 이용하여 분석하였다.Thermal conductivity: analyzed using a thermal constant analyzer (Hot Disk, TPS 2500S).

제조예Production Example 1.  One. 그래핀Graphene 산화물을 포함하는 구조체의 제조 Preparation of Structures Containing Oxides

흑연 분말(Bay Carbon Inc.사 제품)을 이용하여 허머(Hummer)의 방법으로 그래핀 산화물(GO)을 제조하였다.Graphene oxide (GO) was prepared by the method of Hummer using graphite powder (manufactured by Bay Carbon Inc.).

구체적으로, 흑연 분말 0.5 g, 질산나트륨 0.5 g 및 23 ㎖의 황산을 혼합한 후 과망간산칼륨 3 g을 천천히 첨가하고 2시간 동안 35 ℃에서 교반했다. 이후, 40 ㎖의 물을 천천히 첨가하고 95 ℃로 가열한 후 1시간 동안 교반한 후 100 ㎖의 물을 첨가하고 상온에서 30분 동안 교반했다.Specifically, 0.5 g of graphite powder, 0.5 g of sodium nitrate, and 23 mL of sulfuric acid were mixed, and then 3 g of potassium permanganate was slowly added and stirred at 35 ° C. for 2 hours. Thereafter, 40 ml of water was slowly added thereto, heated to 95 ° C., stirred for 1 hour, and then 100 ml of water was added thereto, followed by stirring at room temperature for 30 minutes.

이후, 정제를 위해, GO를 1 중량% HCl 수용액으로 세척한 후 물로 충분히 세척하였다. 이후, GO를 물에 넣고, 용액의 산도가 중성이 될 때까지 물로 수회 세척 및 원심분리하여 정제된 GO를 얻었다. 이후, 상기 GO 20 mg을 물에 분산시킨 후 드롭 캐스팅 방법을 통해 목재 조각(두께: 1.5 cm, 직경: 2 cm의 원통형) 상을 상기 분산액에 침전시켜 GO가 적층된 목재(구조체)를 얻었다(도 2 참조).Then, for purification, GO was washed with 1% by weight aqueous HCl solution and then sufficiently with water. Thereafter, GO was placed in water, and washed several times with water and centrifuged until the acidity of the solution was neutral to obtain purified GO. After dispersing the GO 20 mg in water, the wood pieces (thickness: 1.5 cm, diameter: 2 cm cylindrical) phase was precipitated in the dispersion by a drop casting method to obtain a wood (structure) having GO laminated ( See FIG. 2).

제조예Production Example 2.  2. 3DGN의Of 3DGN 제조 Produce

폴리비닐알콜(PVA, 중량평균분자량: 31,000 내지 50,000 g/mol)을 90℃의 물에 10 중량%의 농도로 용해시킨 후, NiCl2 수용액(NiCl2·6H2O)과 2:7의 중량비로 혼합하여 콜로이드 용액을 얻었다. 이후, 상기 콜로이드 용액(콜로이드 실리카 입자, colloidal silica nanoparticles)을 상온의 진공 오븐에서 하루 동안 건조하여 자기 조립에 의해 PVA/NiCl2 필름을 제조하였다. 건조된 필름은 4 torr의 아르곤(Ar) 하에서 100 ㎤/분(sccm)의 수소 가스(H2)를 주입하면서 20℃/분으로 승온하여 1,000℃에서 30 분 동안 어닐링하였다. 어닐링 후, 필름을 실온으로 냉각시킨 다음, 불화수소(HF) 및 염화수소(HCl)가 1:1 부피비로 혼합된 에칭 용액에 48 시간 동안 침지시켜, 콜로이드 실리카 주형 및 니켈을 동시에 제거하여 3DGN을 제조하였다. After dissolving polyvinyl alcohol (PVA, weight average molecular weight: 31,000 to 50,000 g / mol) in water at 90 ℃ 10 concentration of 10% by weight, the weight ratio of NiCl 2 aqueous solution (NiCl 2 · 6H 2 O) and 2: 7 Mixed to obtain a colloidal solution. Then, the colloidal solution (colloidal silica particles, colloidal silica nanoparticles) was dried in a vacuum oven at room temperature for one day to prepare a PVA / NiCl 2 film by self-assembly. The dried film was annealed at 1,000 ° C. for 30 minutes by raising the temperature to 20 ° C./min while injecting 100 cm 3 / min (sccm) of hydrogen gas (H 2 ) under 4 torr of argon (Ar). After annealing, the film was cooled to room temperature and then immersed in an etching solution in which hydrogen fluoride (HF) and hydrogen chloride (HCl) were mixed in a 1: 1 volume ratio for 48 hours to simultaneously remove the colloidal silica template and nickel to prepare 3DGN. It was.

제조예Production Example 3.  3. 3DGN3DGN -- Ni의Of Ni 제조 Produce

에칭 용액으로 3 M의 NaOH 수용액을 사용한 것을 제외하고는, 제조예 2와 동일한 방법으로 3DGN-Ni를 제조하였다.3DGN-Ni was prepared in the same manner as in Preparation Example 2, except that 3 M NaOH aqueous solution was used as the etching solution.

실시예Example 1.  One. 3DGN을3DGN 포함하는 구조체의 제조 Manufacture of Structures Containing

제조예 2의 3DGN 20 mg을 1 ㎖의 물에 분산시킨 후 드롭 캐스팅 방법을 통해 목재(두께: 1.5 cm, 직경: 2 cm의 원통형) 상에 균일하게 3DGN을 500 ㎛ 두께로 증착시켜 구조체를 제조하였다(도 2 참조).After dispersing 20 mg of 3DGN of Preparation Example 2 in 1 ml of water, a structure was prepared by depositing 3DGN uniformly on a wood (thickness: 1.5 cm, cylindrical diameter: 2 cm) with a thickness of 500 μm through a drop casting method. (See FIG. 2).

구체적으로, 물에 20 g/L의 농도로 3DGN을 분산시켜 분산액을 제조하고, 목재 상단부에 상기 분산액을 고르게 떨어뜨려 건조시켰다.Specifically, a dispersion was prepared by dispersing 3DGN at a concentration of 20 g / L in water, and dried by dropping the dispersion evenly on top of wood.

비교예Comparative example 1.  One. 3DGN3DGN -- Ni를Ni 포함하는 구조체의 제조 Manufacture of Structures Containing

3DGN 대신 제조예 3의 3DGN-Ni를 이용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 구조체를 제조하였다(도 2 참조).A structure was prepared in the same manner as in Example 1, except that 3DGN-Ni of Preparation Example 3 was used instead of 3DGN (see FIG. 2).

시험예Test Example 1. 광-열 에너지 전환 성능 측정 1. Measurement of photo-thermal energy conversion performance

1-1: 열전도율1-1: thermal conductivity

제조예 1의 GO, 실시예 1의 3DGN 및 비교예 1의 3DGN-Ni를 대상으로 열 상수 분석기로 열전도율을 측정하였다.The thermal conductivity of the GO of Preparation Example 1, 3DGN of Example 1 and 3DGN-Ni of Comparative Example 1 was measured by a thermal constant analyzer.

측정 결과, 비교예 1의 3DGN-Ni의 열전도율은 0.1855 W/mK이고, 실시예 1의 3DGN의 열전도율은 0.073 W/mK이었다.As a result of the measurement, the thermal conductivity of 3DGN-Ni of Comparative Example 1 was 0.1855 W / mK, and the thermal conductivity of 3DGN of Example 1 was 0.073 W / mK.

1-2: 기공 분석1-2: pore analysis

제조예 1의 GO, 실시예 1의 3DGN 및 비교예 1의 3DGN-Ni의 표면을 TEM으로 관찰하였으며, 관찰 결과는 도 3에 나타냈다.The surface of GO of Preparation Example 1, 3DGN of Example 1 and 3DGN-Ni of Comparative Example 1 was observed by TEM, and the results are shown in FIG. 3.

도 3에서 보는 바와 같이, 비교예 1의 3DGN-Ni 및 실시예 1의 3DGN는 기공의 많은 부위가 템플릿을 에칭한 후에 관찰되는 반면, 제조예 1의 GO는 기공이 많지 않은 시트와 같은 구조를 포함한다. 이는 GO는 생성된 증기가 용이하게 공기로 방출될 수 없다는 것을 의미한다(도 3의 a 참조). As shown in FIG. 3, 3DGN-Ni of Comparative Example 1 and 3DGN of Example 1 were observed after many portions of pores were etched from the template, whereas GO of Preparation Example 1 had a structure such as a sheet with few pores. Include. This means that GO cannot easily be released into the air as produced vapors (see a in FIG. 3).

또한, 실시예 1의 3DGN(도 3의 c 참조)과 비교하여, 비교예 1의 3DGN-Ni는 고온 어닐링 공정에서 형성된 니켈 입자가 표면에 응집되어 기공수가 적었다(도 3의 b 참조). 한편, 실시예 1의 3DGN는 3~7 층의 그래핀으로 둘러싸인 다수의 기공을 확인할 수 있었다(도 3의 d 참조). 따라서, 실시예 1의 3DGN는 비교예 1의 3DGN-Ni보다 수증기의 방출이 보다 용이하여 광-열 에너지 전환 효율이 보다 우수함을 알 수 있었다.In addition, compared with 3DGN of Example 1 (see c of FIG. 3), 3DGN-Ni of Comparative Example 1 had a small number of pores due to the aggregation of nickel particles formed in the high temperature annealing process on the surface (see FIG. On the other hand, the 3DGN of Example 1 was able to confirm a number of pores surrounded by 3 to 7 layers of graphene (see Fig. 3d). Therefore, it can be seen that 3DGN of Example 1 emits water vapor more easily than 3DGN-Ni of Comparative Example 1, and thus the light-heat energy conversion efficiency is better.

나아가, 제조예 1의 GO, 실시예 1의 3DGN 및 비교예 1의 3DGN-Ni의 표면적 및 기공 크기 분포는 BET(Brunauer-Emmett-Teller) 방법에 따른 측정기기(Belsorp max, Bel Japan) 및 BJH(Barrett-Joyner-Hallender) 방법을 통해 분석하였다. 측정 결과를 도 4에 나타냈으며, rp는 평균 기공 반지름을 의미하며, dVp/drp는 기공 크기 분포를 의미한다.Furthermore, the surface area and pore size distribution of GO of Preparation Example 1, 3DGN of Example 1, and 3DGN-Ni of Comparative Example 1 were measured by the BET (Brunauer-Emmett-Teller) method (Belsorp max, Bel Japan) and BJH. The analysis was performed using the method (Barrett-Joyner-Hallender). The measurement results are shown in FIG. 4, r p means an average pore radius, and dV p / dr p means pore size distribution.

도 4에서 보는 바와 같이, GO, 3DGN-Ni 및 3DGN는 각각 5 ㎠/g, 306 ㎠/g 및 1,203 ㎠/g의 표면적을 가졌다. 또한, GO, 3DGN-Ni 및 3DGN는 표면적이 증가하면서, 미세 및 메조포어의 비율이 급격하게 증가함을 알 수 있었다.As shown in FIG. 4, GO, 3DGN-Ni and 3DGN had surface areas of 5 cm 2 / g, 306 cm 2 / g and 1,203 cm 2 / g, respectively. In addition, it can be seen that GO, 3DGN-Ni and 3DGN rapidly increase the ratio of fine and mesopores as the surface area increases.

시험예Test Example 2. 특성 분석 2. Characterization

2-1: 표면 관찰2-1: Surface Observation

제조예 1, 실시예 1 및 비교예 1의 구조체의 표면을 디지털 카메라로 촬영하였으며, 그 사진은 도 2에 나타냈다.Surfaces of the structures of Preparation Example 1, Example 1, and Comparative Example 1 were photographed with a digital camera, and the photograph is shown in FIG. 2.

도 2에서 보는 바와 같이, 동일한 양의 광흡수재를 담지하였을 때, 제조예 1의 구조체의 GO는 진한 회색인 반면, 비교예 1 및 실시예 1의 3DGN-Ni와 3DGN은 진한 검정색인데, 이는 GO보다 3DGN 기반 재료의 광흡수율이 더 큼을 나타낸다.As shown in Figure 2, when carrying the same amount of light absorbing material, GO of the structure of Preparation Example 1 is dark gray, while 3DGN-Ni and 3DGN of Comparative Example 1 and Example 1 is dark black, which is GO The light absorption of 3DGN-based materials is greater than that.

2-2: 라만 스펙트럼 분석2-2: Raman Spectrum Analysis

제조예 1의 GO, 실시예 1의 3DGN 및 비교예 1의 3DGN-Ni를 라만 스펙트럼으로 분석하였으며, 그 결과를 도 5에 나타냈다.GO of Preparation Example 1, 3DGN of Example 1 and 3DGN-Ni of Comparative Example 1 were analyzed by Raman spectrum, and the results are shown in FIG. 5.

도 5에서 보는 바와 같이, 제조예 1의 GO, 실시예 1의 3DGN 및 비교예 1의 3DGN-Ni는 D-band(~1350 cm- 1)와 G-band(~1600 cm- 1)가 관찰되는 반면, 2D-band(2700 cm-1)는 3DGN-Ni 및 3DGN에서만 나타났는데, 이는 GO보다 3DGN-Ni 및 3DGN은 그라파이트 영역이 더 많음을 의미한다.As shown in Figure 5, Preparation 1 of the GO, the first embodiment of the 3DGN and Comparative Example 1 of the 3DGN-Ni is D-band (~ 1350 cm - 1) and the G-band - The (~ 1600 cm 1) observed On the other hand, 2D-band (2700 cm -1 ) appeared only in 3DGN-Ni and 3DGN, which means that 3DGN-Ni and 3DGN have more graphite regions than GO.

2-3: 자외선-가시광선 분광법 분석2-3: UV-Visible Spectroscopy Analysis

제조예 1의 GO, 실시예 1의 3DGN 및 비교예 1의 3DGN-Ni를 UV-Vis NIR 분광법을 통해 300 내지 2,500 nm 파장 범위의 광대역 태양광 스펙트럼에서 흡수 스펙트럼 및 반사 스펙트럼을 측정하였으며, 그 결과를 도 6에 나타냈다.GO of Preparation Example 1, 3DGN of Example 1 and 3DGN-Ni of Comparative Example 1 were measured for absorption spectrum and reflection spectrum in the broad spectrum solar spectrum of 300 to 2500 nm wavelength by UV-Vis NIR spectroscopy. Is shown in FIG. 6.

도 6에서 보는 바와 같이, 제조예 1의 GO가 약 90%의 흡광도를 보인 반면, 비교예 1의 3DGN-Ni 및 실시예 1의 3DGN은 97%를 초과하는 높은 흡광도를 보였다. 또한, 3DGN은 빛의 산란을 유발하는 메조포어의 함량이 높기 때문에 3DGN-Ni보다 약간 높은 흡광도를 보였다. 반면, 목재의 평균 흡광도는 자외선 및 가시 영역에서 약 50%, 근적외선 영역에서 약 40%에 불과했다.As shown in FIG. 6, GO of Preparation Example 1 showed an absorbance of about 90%, while 3DGN-Ni of Comparative Example 1 and 3DGN of Example 1 showed high absorbances of more than 97%. In addition, 3DGN showed slightly higher absorbance than 3DGN-Ni because of the high content of mesopores that cause light scattering. On the other hand, the average absorbance of wood was only about 50% in the ultraviolet and visible region and about 40% in the near infrared region.

2-4: X-선 광전자 분석법(2-4: X-ray photoelectron analysis ( XPSXPS ))

제조예 1의 GO, 실시예 1의 3DGN 및 비교예 1의 3DGN-Ni의 X-선 광전자 분석법은 X-선 회절분석기를 이용하여 5~80°의 2θ 범위에서 1°/s 주사율로 수행되었으며, 그 결과를 도 7 및 8에 나타냈다. 구체적으로, 도 8의 (a)는 제조예 1(GO)의 광흡수재의 XPS 분석 결과이고, (b)는 제조예 1(GO)의 광흡수재의 C1s 스펙트럼 분석 결과이며, (e)는 제조예 2(3DGN)의 광흡수재의 XPS 분석 결과이고, (f)는 제조예 2(3DGN)의 광흡수재의 C1s 스펙트럼 분석 결과이며, (c)는 제조예 3(3DGN-Ni)의 광흡수재의 XPS 분석 결과이고, (d)는 제조예 3(3DGN-Ni)의 광흡수재의 C1s 스펙트럼 분석 결과이다.X-ray photoelectron analysis of GO of Preparation Example 1, 3DGN of Example 1 and 3DGN-Ni of Comparative Example 1 was performed at 1 ° / s scanning rate in the 2θ range of 5 to 80 ° using an X-ray diffractometer. The results are shown in FIGS. 7 and 8. Specifically, (a) of FIG. 8 is XPS analysis result of the light absorber of Preparation Example 1 (GO), (b) is C1s spectrum analysis result of the light absorber of Preparation Example 1 (GO), and (e) is preparation XPS analysis result of the light absorber of Example 2 (3DGN), (f) is the result of C1s spectrum analysis of the light absorber of Preparation Example 2 (3DGN), (c) is the light absorber of Preparation Example 3 (3DGN-Ni) It is XPS analysis result, (d) is C1s spectrum analysis result of the light absorber of manufacture example 3 (3DGN-Ni).

도 7에서 보는 바와 같이, 제조예 2의 3DGN의 C1s 피크는 약 284.2eV에서 C-C(방향족), 약 285.7eV에서 C-O(히드록실 및 에폭시), 약 287.2eV에서 C=O(카보닐) 및 약 288.5eV에서 O-C=O(카복실)의 네 가지 유형의 탄소 피크로 나타나는데, 이는 상기 광흡수재가 친수성 작용기를 다량 포함함을 나타낸다.As shown in FIG. 7, the C1s peak of the 3DGN of Preparation Example 2 was CC (aromatic) at about 284.2 eV, CO (hydroxyl and epoxy) at about 285.7 eV, C═O (carbonyl) at about 287.2 eV, and about At 288.5 eV, four types of carbon peaks appear, OC = O (carboxyl), indicating that the light absorber contains large amounts of hydrophilic functional groups.

또한, 3DGN의 표면에 물방울을 떨어뜨렸을 때, 떨어진 물방물이 수초 내에 3DGN로 흡수되어, 3DGN는 메조포어의 친수성 표면 특성을 확인할 수 있다.In addition, when water droplets are dropped on the surface of the 3DGN, the dropped water droplets are absorbed into the 3DGN within seconds, and the 3DGN can confirm the hydrophilic surface properties of the mesopores.

시험예Test Example 3. 온도 변화 3. Temperature change

제조예 1, 실시예 1 및 비교예 1의 구조체를 24℃ 및 20% 습도 환경에서 모의 해수로서 3.5 중량%의 NaCl 수용액(이하, "해수"로 기재)이 들어있는 10 ㎖ 유리 비커(직경: 2.2 ㎝, 높이: 4.5 ㎝)에 넣었다. 이후, 해수에 부유된 상기 구조체에 태양광 조명(Sol2A 클래스 ABA 94062A, 1000W 크세논 램프, Newport)을 위치시켰다. 이후 1시간 동안 조명을 1 kW/㎡의 출력으로 조사하면서 구조체의 상단 표면의 온도를 측정하였다. 구체적으로, 상기 구조체의 상단 표면은 디지털 카메라로 촬영하였고, 상단 표면의 온도는 열화상 카메라로 촬영하였으며, 그 결과를 도 9에 나타냈다.10 ml glass beaker (diameter :) containing 3.5 wt% aqueous solution of NaCl (hereinafter referred to as “sea water”) as simulated seawater in 24 ° C. and 20% humidity environment. 2.2 cm, height: 4.5 cm). Thereafter, a solar light (Sol2A class ABA 94062A, 1000W xenon lamp, Newport) was placed on the structure suspended in seawater. The temperature of the top surface of the structure was then measured while illuminating the light at an output of 1 kW / m 2 for 1 hour. Specifically, the upper surface of the structure was photographed with a digital camera, the temperature of the upper surface was photographed with a thermal imaging camera, the results are shown in FIG.

도 9의 a에서 보는 바와 같이, 제조예 1, 비교예 1 및 실시예 1의 구조체는 조명 조사 후 각각 41.8℃, 46.2℃ 및 61.0℃로 상승하였다. 또한, 생목재와 해수의 표면 온도는 각각 34.3℃와 30.1℃였는데, 이는 광-열 전환 메커니즘이 작동하지 않기 때문이다. 구체적으로, 3DGN을 포함하는 실시예 1의 구조체는 가장 큰 온도 증가를 보였으며, 이는 3DGN이 광-열 전환 효율이 가장 높음을 나타낸다. 이는, 3DGN의 탁월한 태양광 흡수, 친수성 표면 특성 및 메조포어를 포함하는 구조의 시너지 효과에 기인한 결과로 판단된다.As shown in a of FIG. 9, the structures of Preparation Example 1, Comparative Example 1 and Example 1 rose to 41.8 ° C., 46.2 ° C., and 61.0 ° C. after illumination irradiation, respectively. In addition, the surface temperatures of the wood and seawater were 34.3 ° C and 30.1 ° C, respectively, because the light-to-heat conversion mechanism did not work. Specifically, the structure of Example 1 comprising 3DGN showed the largest temperature increase, indicating that 3DGN had the highest light-to-heat conversion efficiency. This is believed to be due to the synergistic effect of 3DGN's excellent solar absorption, hydrophilic surface properties and structure including mesopores.

또한, 3DGN 또는 3DGN-Ni를 포함하는 구조체에 비해, GO를 포함하는 구조체의 조명 조사 전후의 온도차가 작은 것은 GO의 낮은 광흡수 특성 및 다공성에 기인한 결과로 판단된다. 나아가, 3DGN와 3DGN-Ni는 흡수성과 습윤성이 유사하지만, 열전도도가 더 낮은 3DGN를 포함하는 구조체의 태양광-열 에너지 전환이 훨씬 더 높은 것은, 3DGN이 공기로의 열손실 없이 물방울의 증발 효율이 현저히 큰 다량의 미세/메조포어를 포함하는 3DGN의 구조에 기인한 결과로 판단된다.In addition, compared with the structure containing 3DGN or 3DGN-Ni, the small temperature difference before and after illumination irradiation of the structure containing GO is judged to be a result due to the low light absorption characteristic and porosity of GO. Furthermore, although 3DGN and 3DGN-Ni have similar absorption and wetting properties, the much higher solar-to-heat energy conversion of structures containing 3DGN with lower thermal conductivity means that 3DGN's evaporation efficiency of water droplets is reduced without heat loss to air. This is believed to be due to the structure of the 3DGN containing a significantly large amount of fine / mesopores.

도 9의 b 내지 d에서 보는 바와 같이, 실시예 1의 구조체의 디지털 카메라 이미지와 제조예 1, 비교예 1 및 실시예 1의 구조체의 열화상 이미지는 태양광 조명 후 구조체의 상단과 해수 간의 온도 변화를 나타낸다. 구조체의 상단과 해수 간의 큰 온도 차이는, 목재가 물 운송 매체로 작용할 뿐만 아니라 광흡수재의 표면에서 효과적으로 열을 국부화시켜 물로의 열손실을 최소화함을 입증한 결과이다. 결과적으로, 1 kW/㎡으로 1시간 동안 조명을 조사한 후, 3DGN를 포함하는 실시예 1의 구조체의 온도차는 약 36.5℃이었고, GO 또는 3DGN-Ni를 포함하는 구조체는 각각 17.7℃ 및 22.3℃이었다.As shown in b to d of Figure 9, the digital camera image of the structure of Example 1 and the thermal image of the structures of Preparation Example 1, Comparative Example 1 and Example 1 is the temperature between the top of the structure and the seawater after solar illumination Indicates a change. The large temperature difference between the top of the structure and the seawater is the result of the wood not only acting as a water transport medium but also effectively localizing heat at the surface of the light absorber to minimize heat loss to the water. As a result, after 1 hour of illumination at 1 kW / m 2, the temperature difference of the structure of Example 1 including 3DGN was about 36.5 ° C., and the structures containing GO or 3DGN-Ni were 17.7 ° C. and 22.3 ° C., respectively. .

시험예Test Example 4.  4. 담수화능Desalination 평가 evaluation

4-1: 동일한 4-1: same 광흡수재를Light absorber 포함하는 구조체를 이용한  Using a containing structure 담수화능Desalination 평가 evaluation

시험예 3과 동일한 방법으로 구조체를 부유시키고 조명을 조사하기 전 및 후의 해수의 질량을 0.1 mg의 오차를 갖는 전자 미세 저울을 이용하여 측정하였으며, 그 결과를 도 10 및 표 1에 나타냈다.The mass of the seawater before and after the structure was suspended and irradiated with light in the same manner as in Test Example 3 was measured using an electronic microbalance having an error of 0.1 mg, and the results are shown in FIG. 10 and Table 1. FIG.

도 10 및 표 1에서 보는 바와 같이, 3DGN을 포함하는 실시예 1의 구조체를 포함하는 해수의 질량 변화율은 약 1.64 kg/㎡·hr로 가장 높았는데, 이는 해수 단독(none)의 경우(약 0.34 kg/㎡·hr)에 비해 약 4.82배 높은 수치이다.As shown in FIG. 10 and Table 1, the mass change rate of the seawater including the structure of Example 1 including 3DGN was the highest at about 1.64 kg / m 2 · hr, which was the case of seawater alone (about 0.34). kg / m 2 · hr), about 4.82 times higher.

한편, 생목재를 포함하는 해수의 질량 변화율은 0.72 kg/㎡·hr에 불과하여, 광흡수재에 의한 광흡수율의 증가가 해수의 담수화에 중요한 역할을 함을 확인할 수 있었다. 또한, GO 또는 3DGN-Ni를 포함하는 제조예 1 및 비교예 1의 구조체를 포함하는 해수의 질량 변화율은 각각 1.42 kg/㎡·hr 및 1.49 kg/㎡·hr로 나타났으며, 이는 광흡수재의 낮은 표면적에 따른 낮은 흡광도(도 4의 b 및 도 6 참조)와 낮은 기공 함유량이 빠른 증기발생을 저해하기 때문이다.On the other hand, the mass change rate of the seawater containing the wood is only 0.72 kg / ㎡ · hr, it was confirmed that the increase in the light absorption rate by the light absorber plays an important role in the desalination of seawater. In addition, the mass change rates of the seawater including the structures of Preparation Example 1 and Comparative Example 1 including GO or 3DGN-Ni were 1.42 kg / m 2 · hr and 1.49 kg / m 2 · hr, respectively. This is because low absorbance (see FIG. 4 b and FIG. 6) and low pore content with low surface area inhibits rapid steam generation.

4-2: 4-2: 광흡수재의Of light absorbing material 함량에 따른  According to the content 담수화능Desalination 변화 change

광흡수재로 제조예 2의 3DGN을 1mg, 5mg, 10mg 또는 20mg을 포함하는 구조체를 사용한 것을 제외하고는, 시험예 4-1과 동일한 방법으로 해수의 질량을 측정하였으며, 그 결과를 도 11에 나타냈다.The mass of seawater was measured in the same manner as in Test Example 4-1, except that 3DGN of Preparation Example 2 was used as a light absorber, and the structure containing 1 mg, 5 mg, 10 mg, or 20 mg was shown in FIG. 11. .

도 11에서 보는 바와 같이, 광흡수재의 함량이 증가할수록 해수의 질량 변화도 커져 담수화능이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 해수의 질량 변화는 20mg의 3DGN를 포함하는 구조체에서 포화도를 나타내는데, 이는 20 mg을 초과하는 3DGN를 포함하는 구조체는 하단의 두꺼운 3DGN 층이 태양광을 흡수하여 효과적으로 해수의 온도를 증가시키고 증기를 생성하지 못하기 때문이다.As shown in FIG. 11, as the content of the light absorbing material increased, the mass change of the seawater also increased, indicating that the desalination ability increased. In addition, the change in mass of seawater indicates saturation in a structure containing 20 mg of 3DGN, in which a structure containing more than 20 mg of 3DGN is absorbed by the thick 3DGN layer at the bottom to effectively increase the temperature of the seawater and vapor This is because it does not generate.

시험예Test Example 5. 태양광-증기 전환 효율 평가 5. Photovoltaic-Steam Conversion Efficiency Assessment

5-1: 태양광-증기 전환 효율 계산5-1: Solar-Steam Conversion Efficiency Calculation

태양광-증기 전환 효율을 하기 수학식 3으로 계산하였으며, 그 결과를 도 12 및 표 1에 나타냈다.Photovoltaic-vapor conversion efficiency was calculated by Equation 3 below, and the results are shown in FIG. 12 and Table 1. FIG.

[수학식 3][Equation 3]

Figure 112018018609175-pat00003
Figure 112018018609175-pat00003

상기 수학식 3에서,In Equation 3,

A는 조명의 단면적(㎡)이고,A is the cross-sectional area of illumination (m 2),

Copt는 광학 농도이며,C opt is optical density,

Qs는 광조사 강도(1 kW/㎡)이고,Q s is light irradiation intensity (1 kW / m 2),

Qe는 하기 수학식 4로 계산되며,Q e is calculated by the following equation (4),

[수학식 4][Equation 4]

Figure 112018018609175-pat00004
Figure 112018018609175-pat00004

상기 수학식 4에서,In Equation 4,

m은 조사된 광에 의한 물의 질량 플럭스(flux)(kg/㎡·hr)이고,m is the mass flux of water by the irradiated light (kg / m 2 · hr),

λ는 물이 증기로 상변화하는데 필요한 잠열(2255.2 J/g)이며,λ is the latent heat (2255.2 J / g) required for the phase change of water into steam,

C는 물의 열용량(4.2 J/g·K)이고,C is the heat capacity of the water (4.2 J / gK),

△T는 광조사 1시간 후 물의 온도 변화(℃)이다.ΔT is the temperature change (° C.) of water after 1 hour of light irradiation.

태양광 담수화 구조체Solar desalination structure 질량 변화
(kg/㎡·hr)Mass change
(kg / ㎡ · hr) 태양광-증기 전환 효율(%)Solar-Steam Conversion Efficiency (%) 참고Reference 3DGN / wood3DGN / wood 1.641.64 91.891.8 실시예 1의 구조체Structure of Example 1 h-G foamh-G foam 1.41.4 91.491.4 H. Ren, et al., Adv . Mater. 2017, 29, 1702590H. Ren, et al., Adv . Mater. 2017, 29, 1702590 GDY/CuO CFGDY / CuO CF 1.551.55 9191 X. Gao, et al., Chem . Mater., 2017, 29, 5777X. Gao, et al., Chem . Mater. , 2017, 29, 5777 VA-GSMVA-GSM 1.621.62 86.586.5 P. Zhang, et al., ACS Nano, 2017, 11, 5087P. Zhang, et al., ACS Nano , 2017, 11, 5087 3D-CG/GN3D-CG / GN 1.251.25 85.685.6 Y. Li, et al., Adv . Mater., 2017, 29, 1700981Y. Li, et al., Adv . Mater. , 2017, 29, 1700981 Porous N-doped graphenePorous N-doped graphene 1.501.50 8080 Y. Ito, et al., Adv . Mater. 2015, 27, 4302Y. Ito, et al., Adv . Mater. 2015, 27, 4302 GO / 2D water pathGO / 2D water path 1.451.45 8080 X. Li, et al., PNAS, 2016, 113, 13953X. Li, et al., PNAS , 2016, 113, 13953 Carbonized mushroomCarbonized mushroom 1.4751.475 7878 N. Xu, et al., Adv . Mater., 2017, 29, 1606762N. Xu, et al., Adv . Mater. , 2017, 29, 1606762 F-woodF-wood 1.051.05 7272 G. Xue, et al., ACS Appl . Mater. Interfaces, 2017, 9, 15052G. Xue, et al., ACS Appl . Mater. Interfaces , 2017, 9, 15052 Al NPs / AAMAl NPs / AAM 1One 5858 L. Zhou, et al., Nat. Photonics, 2016, 10, 393L. Zhou, et al., Nat. Photonics , 2016, 10, 393

도 12에서 보는 바와 같이, 태양광 담수화 구조체가 없는 해수(none)는 1 kW/㎡의 조명하에서 14.7%의 태양광-증기 전환 효율을 가졌다. 특히, 20mg의 3DGN을 포함하는 구조체는 91.8 %의 높은 태양광-증기 전환 효율을 가졌다.As shown in FIG. 12, the seawater without solar desalination structure had a solar-vapor conversion efficiency of 14.7% under illumination of 1 kW / m 2. In particular, structures comprising 20 mg of 3DGN had a high solar-vapor conversion efficiency of 91.8%.

또한, 표 1에서 보는 바와 같이, 20 mg의 3DGN을 포함하는 구조체는 해수의 질량 변화가 1.64 kg/㎡·hr이고 91.8%의 태양광-증기 전환 효율을 가졌다. 이는 이전에 보고된 문헌들의 태양광-증기 전환 효율의 최고치보다 우수한 수치이다.In addition, as shown in Table 1, the structure containing 20 mg of 3DGN had a solar mass change of 1.64 kg / m 2 · hr and a solar-vapor conversion efficiency of 91.8%. This is better than the highest solar-vapor conversion efficiency of previously reported literature.

5-2: 해수와 수집된 증기의 염도 차이5-2: Salinity Difference Between Seawater and Collected Steam

유도 결합 플라스마 질량 분광법(inductively coupled plasma mass-spectroscopy, ICP-MS)을 사용하여, 해수와 수집된 증기의 염도 차이를 측정하였으며, 그 결과를 도 13에 나타냈다. By using inductively coupled plasma mass spectroscopy (ICP-MS), the salinity differences between seawater and the collected steam were measured, and the results are shown in FIG. 13.

도 13에서 보는 바와 같이, 담수화 전 해수의 이온 농도와 비교하여 수집된 증기 중의 나트륨 및 염소 이온의 농도는, 태양광 담수화 구조체에 의한 대폭 감소하였다. 또한, 담수화 공정을 통해 수집된 증기의 염분은 세계보건기구(WHO)와 미국 환경 보호국(EPA) 표준에 의해 정의된 안전한 식수의 염분 수준보다 훨씬 낮아 본 발명의 구조체의 담수화 효율이 우수함을 확인할 수 있었다.As shown in Fig. 13, the concentrations of sodium and chlorine ions in the collected steam compared to the ion concentration of seawater before desalination were greatly reduced by the solar desalination structure. In addition, the salinity of steam collected through the desalination process is much lower than the salinity levels of safe drinking water defined by the World Health Organization (WHO) and the US Environmental Protection Agency (EPA) standards, confirming that the desalination efficiency of the structure of the present invention is excellent. there was.

Claims (14)

물-수송(water-transporting) 부재, 및
상기 물-수송 부재의 표면상에 위치하는 광흡수재를 포함하고,
싱기 광흡수재가 500 내지 1,500 cm2/g의 표면적 및 5 내지 150 nm의 평균 기공 직경을 갖는 메조포러스 3차원 그래핀이며,
하기 수학식 1로 계산되는 온도 변화(△T)가 5 내지 40 ℃인, 태양광 담수화 구조체:
[수학식 1]
온도 변화(△T) = T2 - T1
상기 수학식 1에서,
T1은 초기 온도(℃)이고,
T2는 상기 구조체를 1 kW/m2으로 1 시간 동안 가열한 후 측정한 온도(℃)이다.
Absence of water-transporting, and
A light absorber positioned on a surface of the water-transport member;
The thin light absorber is mesoporous three-dimensional graphene having a surface area of 500 to 1500 cm 2 / g and an average pore diameter of 5 to 150 nm,
Solar desalination structure, wherein the temperature change ΔT calculated by Equation 1 is 5 to 40 ° C .:
[Equation 1]
Temperature change (△ T) = T2-T1
In Equation 1,
T1 is the initial temperature (° C.),
T2 is the temperature (° C.) measured after heating the structure to 1 kW / m 2 for 1 hour.
제1항에 있어서,
상기 물-수송 부재가 0.02 W/mK 이하의 열전도도를 갖는, 태양광 담수화 구조체.
The method of claim 1,
And the water-transport member has a thermal conductivity of 0.02 W / mK or less.
제2항에 있어서,
상기 물-수송 부재가 목재인, 태양광 담수화 구조체.
The method of claim 2,
The solar desalination structure, wherein the water-transport member is wood.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 메조포러스 3차원 그래핀이 80 내지 99 %의 공극률을 갖는, 태양광 담수화 구조체.
The method of claim 1,
The mesoporous three-dimensional graphene has a porosity of 80 to 99%, solar desalination structure.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 메조포러스 3차원 그래핀은 300 내지 2,500 nm의 파장에 대한 흡광도가 90 % 이상인, 태양광 담수화 구조체.
The method of claim 1,
The mesoporous three-dimensional graphene has a light absorbance of more than 90% for a wavelength of 300 to 2,500 nm, solar desalination structure.
제1항에 있어서,
상기 메조포러스 3차원 그래핀의 라만 스펙트럼이 2,600 내지 2,800 cm-1의 피크를 포함하는, 태양광 담수화 구조체.
The method of claim 1,
The Raman desalination structure of the mesoporous three-dimensional graphene, the solar desalination structure comprising a peak of 2,600 to 2,800 cm -1 .
제1항에 있어서,
상기 광흡수재가 친수성인, 태양광 담수화 구조체.
The method of claim 1,
Solar desalination structure, wherein the light absorbing material is hydrophilic.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 태양광 담수화 구조체는 하기 수학식 2로 계산되는 질량 변화(△W)가 0.5 내지 2.0 kg/㎡·hr인, 태양광 담수화 구조체:
[수학식 2]
질량 변화(△W) = W1 - W2
상기 수학식 2에서,
W1은 초기 물의 질량(kg)이고,
W2는 물에 구조체를 부유시킨 후 상기 구조체에 1 kW/㎡으로 1 시간 동안 가열한 후 측정한 물의 질량(kg)이다.
The method of claim 1,
The solar desalination structure has a mass change (ΔW) calculated by Equation 2 below, wherein the solar desalination structure is 0.5 to 2.0 kg / m 2 · hr:
[Equation 2]
Mass change (△ W) = W1-W2
In Equation 2,
W1 is the mass of initial water in kg
W2 is the mass (kg) of water measured after the structure is suspended in water and heated to the structure at 1 kW / m 2 for 1 hour.
제1항에 있어서,
상기 태양광 담수화 구조체는 하기 수학식 3으로 계산되는 태양광-증기 전환 효율이 90 % 이상인, 태양광 담수화 구조체:
[수학식 3]
Figure 112018018609175-pat00005

상기 수학식 3에서,
A는 조명의 단면적(㎡)이고,
Copt는 광학 농도이며,
Qs는 광조사 강도(1 kW/㎡)이고,
Qe는 하기 수학식 4로 계산되며,
[수학식 4]
Figure 112018018609175-pat00006

상기 수학식 4에서,
m은 조사된 광에 의한 물의 질량 플럭스(flux)(kg/㎡·hr)이고,
λ는 물이 증기로 상변화하는데 필요한 잠열(2255.2 J/g)이며,
C는 물의 열용량(4.2 J/g·K)이고,
△T는 광조사 1시간 후 물의 온도 변화(℃)이다.
The method of claim 1,
The solar desalination structure has a solar-vapor conversion efficiency of 90% or more calculated by Equation 3 below:
[Equation 3]
Figure 112018018609175-pat00005

In Equation 3,
A is the cross sectional area of illumination (m 2),
C opt is the optical density,
Q s is light irradiation intensity (1 kW / m 2),
Q e is calculated by the following equation (4),
[Equation 4]
Figure 112018018609175-pat00006

In Equation 4,
m is the mass flux of water by the irradiated light (kg / m 2 · hr),
λ is the latent heat (2255.2 J / g) required for water to phase change into steam,
C is the heat capacity of the water (4.2 J / gK),
ΔT is the temperature change of water (° C.) after 1 hour of light irradiation.
제1항 내지 제3항, 제6항, 제8항 내지 제10항, 제12항 및 제13항 중 어느 한 항의 태양광 담수화 구조체를 포함하는 해수담수화 시설.
A seawater desalination plant comprising the solar desalination structure of any one of claims 1 to 3, 6, 8 to 10, 12 and 13.
KR1020180021000A 2018-02-22 2018-02-22 Desalination structure using solar energy KR102077293B1 (en)

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