KR20240014873A - 3차원 구조의 태양광 증발 소자(3D Interfacial solar vapor generator) 및 이의 제조 방법, 이를 포함하는 태양 증류기(Solar Still) - Google Patents

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Abstract

본 발명은 3차원 구조의 태양광 증발 소자(3D Interfacial solar vapor generator) 및 이의 제조 방법, 이를 포함하는 태양 증류기(Solar Still)를 개시한다. 본 발명은 처리수가 담지된 컨테이너(container); 및 상기 컨테이너에 수직 방향으로 배치된 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드(1D natural fiber cord)를 포함하고, 상기 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드는 광열 물질이 코팅된 광열 코팅부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

3차원 구조의 태양광 증발 소자(3D Interfacial solar vapor generator) 및 이의 제조 방법, 이를 포함하는 태양 증류기(Solar Still){3D INTERFACIAL SOLAR VAPOR GENERATOR DEVICE, MANUFACTURING METHOD THEREOF, AND SOLAR STILL INCLUDING SAME}
본 발명은 3차원 구조의 태양광 증발 소자(3D Interfacial solar vapor generator) 및 이의 제조 방법, 이를 포함하는 태양 증류기(Solar Still)에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 본 발명은 컨테이너에 1차원 천연 섬유 코드(1D natural fiber cord)를 꽂아 식물의 3차원 구조와 같은 형태로 3차원 구조의 태양광 증발 소자를 구현하여 높은 광흡수율 및 물증발 효율을 가질 수 있는 3차원 구조의 태양광 증발 소자 및 이의 제조 방법, 이를 포함하는 태양 증류기에 관한 것이다.
지구 표면의 70%는 물로 덮여 있지만 세계적으로 물 부족 문제는 더욱 심화하고 있다. 이러한 모순은 전체 물의 97.5%가 염수이며 오직 0.008%의 물만이 인류가 이용할 수 있는 지표수라는 사실에서 비롯된다. 이에 따라 역삼투 기술과 같이 염수를 탈염하여 담수로 만들기 위한 담수화 기술이 개발되어 왔다. 하지만 대다수의 담수화 기술은 에너지 소모가 크고 설치 및 운용에 비용이 많이 든다는 단점이 있다.
태양광 증기 발생(Solar steam generation)은 담수 증기를 생산하기 위해 친환경적인 태양 에너지를 사용하는 대안적인 담수화 기술이다. 기존의 태양광 증기 발생은 물 전체를 직접적으로 가열하는 방식을 사용하는데, 최근에는 물과 공기의 계면에 가열을 집중시킴으로써 열 손실을 줄여 효율을 향상시키는 계면 태양광 증기 발생 소자(Interfacial solar steam generator)가 주목받고 있다.
태양광 증기 발생 소자는 물의 표면 위에 드러난 상태로 작동하는데, 일반적으로 물이 모세관 현상을 이용해 장치 내부의 수직 통로를 통해 표면으로 이동하고, 태양 에너지를 잘 흡수하도록 설계된 표면에서 열을 전달받아 증발이 일어남으로써 태양광 증기 발생(Solar steam generation)이 일어나게 된다.
태양광 증기 발생 소자의 효율은 태양 에너지 흡수 효율, 단열 효과 및 물 수송을 증가시킴으로써 증대될 수 있다. 이에, 종래에는 표면에 플라스모닉 나노입자, 산화 그래핀 등의 물질을 코팅하여 태양 에너지 흡수 효율 향상 방법이 개시되었으나 경제성 문제가 있고, 물 수송을 증가시키기 위해 꼬리 형태의 물 수송 통로를 추가 하는 방법이 개시되었으나 구조가 복잡하여 양산성에 문제가 있다.
또한, 태양광 증기 발생 소자는 오염된 물을 공급부로부터 흡수하고 광열효과를 이용하여 태양에너지를 열에너지로 바꾸어 물을 증발시키는 소자이기 때문에, 태양광 증기 발생 소자를 3차원으로 구성하면 효율을 크게 향상시킬 수 있기 때문에 3차원 구조에 대한 연구가 진행중에 있다.
특히, 물 흡수가 잘되고 친환경적인 자연 유래 소재를 이용한 3차원 구조에 대해 연구가 진행되고 있고, 예를 들어, 면 천에 광열물질을 입혀 바느질하여 3차원 구조를 제조하는 기술, 종이에 광열물질을 입혀 종이접기를 통해 3차원 구조를 제조하고, 물 흡수부는 면솜을 뭉쳐서 사용하는 기술, 건조된 강아지풀 몸체에 광열물질을 입혀 3차원 구조를 제조 기술 등이 연구되고 있는데, 이는 3 차원 구조를 만드는 과정이 복잡하고 대량생산이 힘들어 실험실 스케일 이상으로 상업성을 얻기 어렵다는 문제가 있다.
특히, 면 천에 광열물질을 입혀 바느질하여 3차원 구조를 제조하는 기술은 자동화 구현이 어려우며, 건조된 강아지풀 몸체에 광열물질을 입혀 3차원 구조를 제조 기술은 대량 생산이 어렵다는 문제가 있다.
따라서, 물 흡수가 잘되는 친환경적인 자연 유래 소재를 이용한 3차원 구조의 태양광 증기 발생 소자를 물 전달 효율이 향상되는 동시에 대량생산이 가능하도록 제조하는 연구가 필요하다.
한국공개공보 제2407282호, "표면 굴곡 구조를 이용한 태양열 증기 발생에서의 염 석출 방지 및 에너지 전환 효율 향상 방법"
본 발명의 실시예는 1차원 천연 섬유 코드를 이용하여 손쉽게 3차원 구조로 전환함으로써 3차원 구조의 태양광 증발 소자의 제조 비용을 감소시키는 동시에 대량 제조가 가능한 3차원 구조의 태양광 증발 소자 및 이의 제조 방법, 이를 포함하는 태양 증류기를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예는 물 흡수부와 증발부를 구분하지 않고 광열 물질이 코팅된 1차원 천연 섬유 코드 한 개의 몸체에 물 흡수부와 증발부가 모두 적용되어 제조 공정이 단순하고 물 전달 효율을 향상시킬 수 있는 3차원 구조의 태양광 증발 소자 및 이의 제조 방법, 이를 포함하는 태양 증류기를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예는 적어도 하나 이상의 천연 섬유사가 수직 방향으로 정렬되도록 꼬아서 제조된 1차원 천연 섬유 코드를 사용하여 수직 방향의 물 전달효율을 향상시킬 수 있는 3차원 구조의 태양광 증발 소자 및 이의 제조 방법, 이를 포함하는 태양 증류기를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자는 처리수가 담지된 컨테이너(container); 및 상기 컨테이너에 수직 방향으로 배치된 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드(1D natural fiber cord)를 포함하고, 상기 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드는 광열 물질이 코팅된 광열 코팅부를 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드는 상기 광열 물질이 코팅된 코팅부 및 상기 광열 물질이 코팅되지 않은 미코팅부를 포함할 수 있다.
상기 코팅부 및 미코팅부의 비율은 5:1 내지 1:5 일 수 있다.
상기 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드는 적어도 하나 이상의 천연 섬유사가 꼬인 구조를 가지고, 상기 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드의 양끝단은 적어도 하나 이상의 천연 섬유사가 노출된 스파이크(spike)부를 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나 이상의 천연 섬유사는 내부에 중공을 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드는 황마(jute), 아마(Flax), 대마(hemp), 모시(ramie) 및 파피루스(papyrus) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 광열 물질은 폴리피롤(polypyrrole), 폴리아닐린(polyaniline), PEDOT/PSS, 환원된 그래핀 산화물(reduced graphene oxide, rGO), 카본 블랙(carbon black) 및 금/은 나노입자 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 3차원 구조의 태양광 증발 소자는 상기 컨테이너에 수직 방향으로 배치된 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드(1D natural fiber cord)를 지지하는 지지체를 더 포함할 수 있다.
상기 지지체는 격자 구조를 가지고, 상기 컨테이너에 수직 방향으로 배치된 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드(1D natural fiber cord)는 상기 컨테이너에 격자 배열될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 태양 증류기(Solar Still)는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자의 제조 방법은 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드를 준비하는 단계; 상기 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드에 광열 물질을 코팅하여 광열 코팅부를 형성하는 단계; 및 상기 광열 코팅부를 포함하는 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드를 처리수가 담지된 컨테이너(container)에 배치하는 단계;를 포함한다.
상기 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드에 광열 물질을 코팅하여 광열 코팅부를 형성하는 단계는, 상기 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드에 표면 처리하는 단계; 및 상기 표면처리된 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드에 광열 물질을 코팅하여 광열 코팅부를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드에 광열 물질을 코팅하여 광열 코팅부를 형성하는 단계는, 상기 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드에 광열 물질을 부분적으로 코팅하여 상기 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드에 상기 광열 물질이 코팅된 코팅부 및 상기 광열 물질이 코팅되지 않은 미코팅부를 형성할 수 있다.
상기 코팅부 및 미코팅부의 비율은 5:1 내지 1:5 일 수 있다.
상기 광열 코팅부를 포함하는 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드를 처리수가 담지된 컨테이너(container)에 배치하는 단계는, 상기 광열 코팅부를 포함하는 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드를 지지체에 격자 배열시키는 단계; 상기 지지체에 격자 배열된 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드를 처리수가 담지된 컨테이너(container)에 배치하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 1차원 천연 섬유 코드를 이용하여 손쉽게 3차원 구조로 전환함으로써 3차원 구조의 태양광 증발 소자의 제조 비용을 감소시키는 동시에 대량 제조가 가능한 3차원 구조의 태양광 증발 소자 및 이의 제조 방법, 이를 포함하는 태양 증류기를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 물 흡수부와 증발부를 구분하지 않고 광열 물질이 코팅된 1차원 천연 섬유 코드 한 개의 몸체에 물 흡수부와 증발부가 모두 적용되어 제조 공정이 단순하고 물 전달 효율을 향상시킬 수 있는 3차원 구조의 태양광 증발 소자 및 이의 제조 방법, 이를 포함하는 태양 증류기를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 적어도 하나 이상의 천연 섬유사가 수직 방향으로 정렬되도록 꼬아서 제조된 1차원 천연 섬유 코드를 사용하여 수직 방향의 물 전달효율을 향상시킬 수 있는 3차원 구조의 태양광 증발 소자 및 이의 제조 방법, 이를 포함하는 태양 증류기를 제공할 수 있다.
도 1a은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자를 도시한 개략도이고, 도 1b는 적어도 하나 이상의 천연 섬유사의 중공을 도시한 개략도이며, 도 2는 지지체를 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자를 도시한 개략도이다.
도 3는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자에 포함되는 지지체를 도시한 상면도이다.
도 4는 무작위로 배치된 1차원 막대를 포함하는 태양광 증발 소자의 빛 흡수를 도시한 개략도이고, 도 5는 수직 방향으로 격자 배열된 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드를 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자의 빛 흡수를 도시한 개략도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자의 제조 방법을 도시한 개략도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자를 도시한 이미지이다.
도 8은 비교예 1의 황마 코드를 도시한 주사 전자 현미경 측정 이미지이고, 도 9는 실시예 1의 PPy가 코팅된 황마 코드를 도시한 주사 전자 현미경 측정 이미지이다.
도 10은 비교예 1의 황마 코드 번들을 도시한 이미지이고, 실시예 1의 PPy가 코팅된 황마 코드 번들을 도시한 이미지이고, 도 11은 비교예 1의 황마 코드(U-JUTE) 및 실시예 1의 PPy가 코팅된 황마 코드(P-JUTE)의 광흡수 거동을 도시한 그래프이며, 도 12는 벌크 물 및 완전히 습윤된 실시예 1의 PPy가 코팅된 황마 코드(P-JUTE)의 DSC(differential scanning calorimetry) 결과를 도시한 그래프이고, 도 13은 비교예 1의 황마 코드(U-JUTE) 및 실시예 1의 PPy가 코팅된 황마 코드(P-JUTE)를 포함하는 본 발명의 실시예 2에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자의 광열 거동을 도시한 이미지이다.
도 14는 실시예 2에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자를 도시한 이미지이고, 도 15는 암 상태 증발 동안 주변으로부터 추가 에너지가 입력되는 것을 도시한 개략도이고, 도 16은 태양 시뮬레이션의 베이스 레벨을 조정하는 것을 도시한 개략도이다.
도 17은 실시예 2에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자의 상부 온도를 도시한 이미지이고, 도 18은 1kW m-2 태양 증발 실험 중 5 cm 의 실시예 2에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자의 높은 Ttop 및 낮은 Tside를 도시한 이미지이며, 도 19는 실시예 2에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자의 증발 실험 결과를 도시한 그래프이다.
도 20은 3 cm 의 실시예 2에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자를 이용한 모사 태양광 담수화 실험(simulated solar desalination experiment) 결과를 도시한 그래프이고, 도 21은 담수화 전후의 금속이온 농도를 도시한 그래프이며, 도 22는 모사 태양 증발 10시간 후 염수 침전 및 하룻밤 후 재용해를 도시한 이미지이고, 도 23은 태양 증발 전후 및 하룻밤 휴식 후 해수의 염도를 도시한 그래프이다.
도 24는 현장 실험을 위한 실시예 3에 따른 태양 증류기를 도시한 개략도 및 이미지이고, 도 25는 3 cm 의 실시예 2에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자의 일일 증발 및 담수 생성 성능을 도시한 그래프이고, 도 26은 3 cm 의 실시예 2에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자의 태양광 조도 프로파일을 도시한 그래프이다.
도 27은 현장 실험을 위한 실시예 3에 따른 태양 증류기를 이용한 개방형 증발(COE) 실험의 증발 거동과 담수 수집(SWC) 실험의 주변 조건 차이를 도시한 개략도이고, 도 28은 6 cm 의 실시예 2에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자의 일일 증발 및 담소 생성 성능을 도시한 그래프이고, 29는 6 cm 의 실시예 2에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자의 태양 조도 프로파일을 도시한 그래프이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서 사용되는 "실시예", "예", "측면", "예시" 등은 기술된 임의의 양상(aspect) 또는 설계가 다른 양상 또는 설계들보다 양호하다거나, 이점이 있는 것으로 해석되어야 하는 것은 아니다.
또한, '또는'이라는 용어는 배타적 논리합 'exclusive or'이기보다는 포함적인 논리합 'inclusive or'를 의미한다. 즉, 달리 언급되지 않는 한 또는 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 'x가 a 또는 b를 이용한다'라는 표현은 포함적인 자연 순열들(natural inclusive permutations) 중 어느 하나를 의미한다.
또한, 본 명세서 및 청구항들에서 사용되는 단수 표현("a" 또는 "an")은, 달리 언급하지 않는 한 또는 단수 형태에 관한 것이라고 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 일반적으로 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.
아래 설명에서 사용되는 용어는, 연관되는 기술 분야에서 일반적이고 보편적인 것으로 선택되었으나, 기술의 발달 및/또는 변화, 관례, 기술자의 선호 등에 따라 다른 용어가 있을 수 있다. 따라서, 아래 설명에서 사용되는 용어는 기술적 사상을 한정하는 것으로 이해되어서는 안 되며, 실시예들을 설명하기 위한 예시적 용어로 이해되어야 한다.
또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 설명 부분에서 상세한 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 아래 설명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 의미와 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 이해되어야 한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
한편, 본 발명의 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1a은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자를 도시한 개략도이고, 도 1b는 적어도 하나 이상의 천연 섬유사의 중공을 도시한 개략도이며, 도 2는 지지체를 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자를 도시한 개략도이다.
종래의 태양광 증발 소자 기술은 자연적인 식물의 3차원 구조를 적용할 수는 있으나 물 흡수부과 물 증발부가 분리되어 연결하는 수작업이 필요하거나 물 증발부의 3차원 구조를 구현하기 위해 천을 말거나 종이를 접는 등의 작업이 필요하기 때문에, 소재의 대량생산이 어려웠다.
그러나, 본 발명의 실시예에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자는 이미 대량으로 제조되고 있는 천연섬유 실을 용이하게 격자 배열시켜 3차원 구조를 구현함으로써, 3차원 구조 제조 과정을 단순화시켜 대량 제조가 가능하다.
본 발명의 실시예에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자는 처리수가 담지된 컨테이너(container; 100) 및 컨테이너(100)에 수직 방향으로 배치된 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드(1D natural fiber cord; 200)를 포함하고, 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드(200)는 광열 물질이 코팅된 광열 코팅부(221)를 포함할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자는 컨테이너(100)에 1차원 천연 섬유 코드(200)를 꽂아 식물의 3차원 구조와 같은 형태로 3차원 구조의 태양광 증발 소자를 구현하여 높은 광흡수율 및 물증발 효율을 가질 수 있고, 1차원 천연 섬유 코드(200)를 이용하여 손쉽게 3차원 구조로 전환함으로써 3차원 구조의 태양광 증발 소자의 제조 비용을 감소시키는 동시에 대량 제조가 가능하다.
본 발명의 실시예에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자는 처리수가 담지된 컨테이너(100)를 포함한다.
컨테이너(100)는 처리수 및 배치된 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드(1D natural fiber cord; 200)를 담지할 수 있다면 특별히 제한되지는 않는다.
처리수는 해수, 오수, 폐수, 하폐수 또는 오폐수 등과 같이 해수담수화 또는 수처리하기 위한 물이라면 특별히 제한되지 않는다.
본 발명의 실시예에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자는 컨테이너(100)에 수직 방향으로 배치된 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드(1D natural fiber cord; 200)를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자는 1차원 천연 섬유 코드(200)의 너비가 증가함에 따라 수직 견고성은 향상되지만 증발 표면적이 줄어들어 증발 효율이 감소될 수 있다.
1차원 천연 섬유 코드(200)의 너비는 1 mm 내지 10 mm 일 수 있고, 너비가 1 mm 미만이면 젖은 상태에서 수직 구조를 유지하지 못하고 무너지는 문제가 있고, 10 mm 를 초과하면 증발 표면적이 줄어들어 효율이 낮아지는 문제가 있다.
예를 들어, 1차원 천연 섬유 코드(200)로 황마를 사용하는 경우, 젖은 황마 실의 적절한 너비는 3 mm 내지 5 mm 일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자는 1차원 천연 섬유 코드(200)의 길이에 따라 증발 효율이 조절될 수 있고, 예를 들어, 1차원 천연 섬유 코드(200)의 길이가 증가되면 증발 효율이 향상될 수 있다.
바람직하게는, 1차원 천연 섬유 코드(200)의 길이는 3 cm 내지 30 cm 일 수 있고, 길이가 3 cm 미만이면 증발 표면적이 너무 줄어들어 2차원 구조와 유의미한 효율 차이를 보이지 않으며, 30 cm 를 초과하면 끝단까지 물이 전달되는데 제한이 있어 증발 효율이 정체되는 문제가 있다.
또는, 1차원 천연 섬유 코드(200)는 개수가 너무 많으면 1차원 천연 섬유 코드(200)가 서로 너무 근접하여 효율적인 표면 증발이 저해되고, 1차원 천연 섬유 코드(200)의 개수가 너무 적으면 충분한 증발 표면적이 확보되지 않으므로, 1차원 천연 섬유 코드(200) 사이에 일정한 간격을 유지하여 서로 달라붙지 않게 하기 위해 1차원 천연 섬유 코드(200)의 개수를 적절히 조절해야 한다.
바람직하게는, 1차원 천연 섬유 코드(200)의 개수는 1차원 천연 섬유 코드(200)의 너비에 따라 조절될 수 있다. 예를 들어, 1차원 천연 섬유 코드(200)를 25 cm2 를 기준으로 할 때, 4 mm 의 너비를 갖는 1차원 천연 섬유 코드(200)의 개수는 40개 내지 80개일 수 있다.
적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드(200)는 처리수에 담지된 하부 부분은 처리수 전달 역할을 할 수 있는 반면, 처리수에 담지되지 않고 태양에 노출된 부분은 3차원 광열 증발 계면 역할(3D photothermal evaporation interface)을 할 수 있다.
적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드(200)에서 처리수에 처리수에 담지되지 않고 태양에 노출된 부분은 광 흡수 및 증발되는 부분으로 처리수에 담지되지 않고 처리수에 처리수에 담지되지 않고 태양에 노출된 부분의 길이인 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드(200)의 증발 길이에 따라 광 흡수능 및 증발 속도가 조절될 수 있다.
적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드(200)는 적어도 하나 이상의 천연 섬유사(201)가 꼬인 구조를 가지고, 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드(200)의 양끝단은 적어도 하나 이상의 천연 섬유사(201)가 노출된 스파이크(spike)부(212)를 포함할 수 있다.
단일 천연 섬유사(201)는 너무 얇아 물 흡수 시 견고성을 유지할 수 없기 때문에 수직 배열 구조를 유지할 수 없고, 광 흡수 및 물 증발 효율이 낮기 때문에, 본 발명의 실시예에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자는 적어도 하나 이상의 천연 섬유사(201)를 꼬아서 제조된 1차원 천연 섬유 코드(200)을 사용하여 견고성을 향상시키는 동시에 광 흡수 및 물 증발 효율을 향상시킬 수 있다.
예를 들어, 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드(200)는 적어도 하나 이상의 천연 섬유사(201)가 꼬여 있는 몸체부(211) 및 적어도 하나 이상의 천연 섬유사(201)가 꼬여있지 않아 적어도 하나 이상의 천연 섬유사(201)가 노출된 스파이크(spike)부(212)를 포함할 수 있다.
스파이크부(212)는 수증기 계면에서 극도로 확장된 표면적을 부여할 수 있기 때문에 증발 과정 중에 주변으로부터 추가적인 열을 획득할 수 있어 증발 속도를 보다 향상시킬 수 있다.
따라서, 스파이크부(212)에 의해 본 발명의 실시예에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자는 태양 조명의 1 kw m-2 에서 3.47 kg m-2 h-1 의 높은 증발 속도를 가질 수 있다.
적어도 하나 이상의 천연 섬유사(201)는 내부에 중공을 포함할 수 있다.
적어도 하나 이상의 천연 섬유사(201)의 내부에 형성된 중공에 대해서는 도 1b를 참조하여 설명하기로 한다.
도 1b를 참조하면, 적어도 하나 이상의 천연 섬유사(201)의 몸체부(211)는 제1 벽(Primary wall; PW)과 제2 벽(Secondary wall) 내부에 중공(HL)을 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 천연 섬유사(201)는 천연 섬유이기 때문에 내부에 내강(Hollow lumen, HL)이라는 중공을 포함하고 있어, 물의 수송과 저장을 위한 공간 역할을 할 수 있으므로 물 흡수 및 물 흐름에 유리한 구조를 포함하고 있다. 따라서, 적어도 하나 이상의 천연 섬유사(201)는 미세구조 내부에 빈 공간인 중공이 섬유상을 따라 존재하여 물 이동 통로가 생성될 수 있어, 물 전달 효율이 향상될 수 있다.
더욱이, 천연 섬유사(201)는 중공에 의해 물의 증발과 동시에 오염물을 배출하게 되어, 염이 재용해되므로 1차원 천연 섬유 코드(200) 표면에 염이 거의 맺히지 않는 장점이 있다.
다시 도 1a를 참조하면, 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드(200)는 천, 종이 등의 2차원으로 가공된 소재보다 가공 단계가 매우 적어 제조 비용을 낮출 수 있다.
1차원 천연 섬유 코드(200) 또는 천연 섬유사(201)는 세계 어느 지역에서나 대량 생산되고 있고 지역에 따라 밧줄 등을 만드는데 다양한 천연 섬유가 사용되기 때문에 소재에 큰 제한 없이 범용으로 적용 가능하다.
적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드(200)는 황마(jute), 아마(Flax), 대마(hemp), 모시(ramie) 및 파피루스(papyrus) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
예를 들어, 면과 같이 열매나 씨에서 유래된 천연섬유를 사용하는 경우, 물 흡수 시 견고성(rigidity)이 감소되어 수직으로 배열되지 못하고 접히는 문제가 있으나, 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드(200)는 식물의 줄기를 기반으로 한 천연 섬유사(201)를 이용하기 때문에 물을 흡수하여도 견고성이 유지될 수 있다.
특히, 황마는 처리수에 젖어도 내구성이 좋아 직물, 실, 끈과 같은 형태로 널리 사용되는 소재이고, 강한 친수성을 가져 선 형태로 가공하기 용이하여 물 전달 특성을 향상시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자는 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드(200)의 우수한 염(salt) 제거능으로 인해 염 오염이 없는 해수에 대해 반복적/지속적으로 증발 성능을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자는 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드(200)는 광열 물질이 코팅된 광열 코팅부(221)를 포함할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자는 광열 코팅부(221)를 포함하지 않는 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드(200) 대비 광열 코팅부(221)를 포함하는 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드(200)가 2.90배의 물 흡수능을 가질 수 있다.
적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드(200)는 1차원 천연 섬유 코드(200)의 전체에 광열 물질이 코팅되거나 부분적(선택적)으로 코팅될 수 있다.
적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드(200)는 전체에 광열 물질이 코팅되는 경우, 코팅 공정이 단순하여 제작이 용이하고, 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드(200)에 부분적으로 광열 물질이 코팅되는 경우, 코팅되지 않은 부분이 물 흡수부로 작용할 때 코팅되어 있을 때 보다 물의 흡수가 좀 더 용이하게 이루어질 수 있다.
실시예에 따라, 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드(200)는 광열 물질이 코팅된 코팅부(221) 및 광열 물질이 코팅되지 않은 미코팅부(222)를 포함할 수 있다.
코팅부(221)는 광 증발부의 역할을 할 수 있고, 미코팅부(222)는 광 흡수부의 역할을 할 수 있다.
예를 들어, 컨터이너(100)에 담지된 처리수를 기준으로, 처리수에 담지된 부분은 미코팅부(222)로 형성할 수 있고, 처리수에 담지되지 않고 태양광에 노출되는 부분은 코팅부(221)로 형성될 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
코팅부(221) 및 미코팅부(222)의 비율은 5:1 내지 1:5 일 수 있고, 비율이 5:1 미만이면 물 흡수부의 표면적이 너무 작아져 물 흡수량이 제한될 수 있고, 1:5 를 초과하면 증발부가 상대적으로 작아져 낮은 증발 효율을 보이게 된다.
광열 물질은 수소 결합이 가능한 물질을 사용하는 것이 바람직하며, 바람직하게는, 광열 물질은 폴리피롤(polypyrrole), 폴리아닐린(polyaniline), PEDOT/PSS, 환원된 그래핀 산화물(reduced graphene oxide, rGO), 카본 블랙(carbon black) 및 금/은 나노입자 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않고, 전도성 폴리머를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자는 컨테이터(100)에 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드(200)를 꽂아 형성되기 때문에 구조가 단순하여 3차원 구조의 태양광 증발 소자 가 오염되었을 때 세척이 용이하다.
3차원 구조의 태양광 증발 소자는 컨테이너(100)에 수직 방향으로 배치된 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드(200)를 지지하는 지지체(300)를 더 포함할 수 있다.
지지체는 도 3을 참조하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
도 3는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자에 포함되는 지지체를 도시한 상면도이다.
지지체(300)는 격자 구조를 가지고, 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드(200)는 컨테이너(100)에 수직 방향으로 격자 배열될 수 있다.
지지체(300)는 플라스틱 망(plastic mesh)이 사용될 수 있으나, 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드(200)를 수직 방향으로 격자 배열시킬 수 있다면, 이에 제한되지 않는다.
따라서, 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드(200)는 수직 방향으로 격자 배열됨으로써, 태양 에너지 활용을 극대화시킬 수 있고, 처리수와 태양 에너지 사용의 효율성을 향상시킬 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자는 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드(200)를 사용한 수직 격자 배열을 이용하여 비용 효율성, 제조 및 확장 용이성, 태양광 담수화 및 하수 정화를 위한 효율성을 극대화시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 태양 증류기(Solar Still)는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자를 포함한다.
도 4는 무작위로 배치된 1차원 막대를 포함하는 태양광 증발 소자의 빛 흡수를 도시한 개략도이고, 도 5는 수직 방향으로 격자 배열된 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드를 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자의 빛 흡수를 도시한 개략도이다.
도 4를 참조하면, 무작위로 배치된 1차원 막대는 1차원 막대가 수평 방향으로 배열되기 때문에 1차원 막대로 덮인 표면에서 높은 표면적을 가질뿐만 아니라 확산 반사광의 재흡수를 통해 반사율이 감소될 수 있다.
그러나, 도 5를 참조하면, 수직 방향으로 격자 배열된 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드는 근접한 위치의 1차원 천연 섬유 코드에 의해 높은 반사율을 가져, 광흡수율 및 물 증발 효율이 향상될 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자의 제조 방법을 도시한 개략도이다.
본 발명의 실시예에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자의 제조 방법은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자와 동일한 구성요소를 포함하고 있으므로, 동일한 구성 요소에 대한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자의 제조 방법은 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드를 준비하는 단계(S110)를 진행한다.
적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드는 적어도 하나 이상의 천연 섬유사를 포함할 수 있다.
적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드는 적어도 하나 이상의 천연 섬유사를 꼬아 실처럼 제조될 수 있다.
따라서, 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드는 적어도 하나 이상의 천연 섬유사가 꼬인 구조를 가지고, 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드의 양끝단은 적어도 하나 이상의 천연 섬유사(201)가 노출된 스파이크(spike)부를 포함할 수 있다.
이 후, 본 발명의 실시예에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자의 제조 방법은 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드에 광열 물질을 코팅하여 광열 코팅부를 형성하는 단계(S120)를 진행한다.
적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드에 광열 물질을 코팅하여 광열 코팅부를 형성하는 단계(S120)는, 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드에 표면 처리하는 단계(S121) 및 표면처리된 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드에 광열 물질을 코팅하여 광열 코팅부를 형성하는 단계(S122)를 포함할 수 있다.
적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드에 표면 처리하는 단계(S121)는 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드를 일정한 농도의 FeCl3 용액을 이용하여 처리하면 Fe3+ 이온과 목질 섬유소의 작용성 표면 기(lignocellulosic functional surface group)의 착물화를 통해 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드의 표면에 Fe3+ 이온이 부착될 수 있다.
이 후, 표면처리된 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드에 광열 물질을 코팅하여 광열 코팅부를 형성하는 단계(S122)에서는 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드 표면이 광열 물질과 산화-환원 중합으로 인해 광열 코팅부가 형성될 수 있다. 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드 표면에 잘 담지된 Fe3+ 이온이 중합 개시제로 작용하여 표면에서부터 피롤 단량체가 중합되면서 동시에 섬유의 표면에 존재하는 작용기와 폴리피롤의 작용기 간의 수소 결합을 통해 단단히 섬유 표면에 단단히 부착될 수 있다.
예를 들어, 광열 코팅부를 형성하는 단계(S122)는 광열 물질 및 용매를 포함하는 광열 용액에 (표면처리된) 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드를 담지하는 딥 코팅 방법에 의해 광열 코팅부를 형성할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자의 제조 방법은 광열 물질의 농도에 따라 코팅 두께가 조절될 수 있고, 코팅 두께가 너무 얇아지면 충분한 광열 효율을 나타내지 못하지만, 그렇다라더라도 일정 수준 이상으로 두께가 두꺼워지면 90%이상의 광열 효율을 보이므로 효율 증가에 한계가 있다. 따라서, 광열 물질의 농도는 0.01M 내지 0.10M 일 수 있고, 광열 물질의 농도가 0.01M 미만이면 중합 반응이 정상적으로 진행되지 않을 수 있고, 0.10M 를 초과하면 섬유 표면이 아닌 용액 상에서도 중합이 일어나는 문제가 있다.
적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드에 광열 물질을 코팅하여 광열 코팅부를 형성하는 단계(S120)는, 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드에 광열 물질을 부분적으로 코팅하여 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드에 광열 물질이 코팅된 코팅부 및 광열 물질이 코팅되지 않은 미코팅부를 형성할 수 있다.
코팅부 및 미코팅부의 비율은 5:1 내지 1:5일 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자의 제조 방법은 물 흡수부와 증발부를 구분하지 않고 광열 물질이 코팅된 1차원 천연 섬유 코드 한 개의 몸체에 물 흡수부와 증발부를 모두 적용하여 제조 공정이 단순하고 물 전달 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자의 제조 방법은 광열 코팅부를 포함하는 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드를 처리수가 담지된 컨테이너(container)에 배치하는 단계(S130)을 진행한다.
광열 코팅부를 포함하는 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드를 처리수가 담지된 컨테이너(container)에 배치하는 단계(S130)는, 광열 코팅부를 포함하는 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드를 지지체에 격자 배열시키는 단계(S131) 및 지지체에 격자 배열된 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드를 처리수가 담지된 컨테이너(container)에 배치하는 단계(S132)를 포함할 수 있다.
지지체는 격자 구조를 가지고, 격자 구조를 갖는 지지체에 의해 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드는 컨테이너에 수직 방향으로 격자 배열될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자의 제조 방법은 적어도 하나 이상의 천연 섬유사가 수직 방향으로 정렬되도록 꼬아서 제조된 1차원 천연 섬유 코드를 사용하여 수직 방향의 물 전달효율을 향상시킬 수 있다.
실시예 1: PPy가 코팅된 황마 코드(P-JUTE)
황마 코드(직경 4mm)를 10 cm 의 길이로 자른 다음, 탈이온수(DW)와 에탄올로 세척한 후, 70℃의 컨벡션 오븐(convection oven)에서 건조시켰다.
건조된 황마 코드를 1.0M 염화제2철(FeCl3) 용액에 1시간 동안 담지한 다음, 결합되지 않은 Fe3+ 이온을 제거하기 위해 탈이온수(DW)로 세척한 후, 수득된 노란색 황마 코드를 물에 0.05M 피롤(pyrrole)을 포함하는 광열 용액에 다시 담지하였다.
PPy(polypyrrole) 나노입자가 코팅되어 황마 코드의 색이 검은색으로 변하였다.
2시간 후, PPy가 코팅된 황마 코드를 탈이온수(DW)로 여러 번 세척하고 70℃의 컨벡션 오븐(convection oven)에서 건조시켰다.
비교예 1: 황마 코드(U-JUTE)
황마 코드(직경 4mm)를 10 cm 의 길이로 자른 다음, 탈이온수(DW)와 에탄올로 세척한 후, 70℃의 컨벡션 오븐(convection oven)에서 건조시켰다.
실시예 2: 3D PJEs(3D P-JUTE solar evaporators)
실시예 1에서 제조된 1차원 천연섬유 코드 20개를 플라스틱 망(plastic mesh)의 구멍(2.5 cm Х 2.5 cm에 4 Х 5 구멍 배열)에 넣은 다음 수직으로 정렬하여 제작하였다.
플라스틱 망 상의 증발 계면의 길이는 1 cm 내지 6 cm 로 조절하였다.
유효 조명 면적은 6.25cm2이었다.
비교예 2: 수평으로 정렬된 2D 증발 소자
실시예 1에서 제조된 1차원 천연섬유 코드 5개를 플라스틱 망(plastic mesh)의 구멍(2.5 cm Х 2.5 cm에 4 Х 5 구멍 배열)을 덮도록 수평으로 정렬하였다.
유효 조명 면적은 6.25cm2이었다.
실시예 3: 태양 증류기
550g의 인공 해수를 채운 600mL 테플론 비커에 유효 조도 면적이 25.0cm2인 3cm 또는 6cm 길이의 실시예 2의 3D PJEs를 넣었다.
실시예 2의 3D PJEs의 PPy가 코팅된 황마 코드(P-JUTE)가 차지하지 않는 플라스틱 망의 구멍(유효 조명 영역 제외)은 벌크 수면에서 햇빛 조명을 차단하기 위해 알루미늄 호일로 덮었다.
그런 다음, 테플론 비커를 밀봉된 투명 아크릴 태양 증류기에 넣었으며, 전체 장치는 오전 8시부터 오후 6시(10시간)까지 햇볕이 잘 드는 옥상에 설치하였고 실험 후 태양 증류기의 응축수를 수집하였다.
실험 중 태양계의 상대습도(φ)와 대기온도(Tsurr)는 온습도계(608-H1, Testo, Germany)로 모니터링하였고, 실시예 2의 3D PJEs는 어두운 조건에서 밤새 남아있는 식염수에 방치되었다.
그런 다음, 신선한 바닷물로 동일한 테스트를 재개하였으며, 담수화 현장 테스트는 단일 증발 소자를 이용하여 5일 동안 반복 수행하였다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자를 도시한 이미지이다.
도 7을 참조하면, 황마 코드 상에 PPy가 잘 코팅되고, PPy가 코팅된 황마 코드가 수직 격자 배열된 것을 알 수 있다.
도 8은 비교예 1의 황마 코드를 도시한 주사 전자 현미경 측정 이미지이고, 도 9는 실시예 1의 PPy가 코팅된 황마 코드를 도시한 주사 전자 현미경 측정 이미지이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 실시예 1의 PPy가 코팅된 황마 코드를 제조한 후, 물에서 격렬하게 교반하여도 PPy 나노 입자가 침출되지 않고, PPy 나노입자가 황마 코드 표면에 단단히 부착되어 있는 것을 알 수 있다.
따라서, 도 9를 참조하면, 물에서 격렬하게 교반하여도 황마 코드 표면에 코팅된 PPy 나노입자 및 황마 코드의 섬유의 중공 루멘 구조가 유지되는 것을 알 수 있다.
도 10은 비교예 1의 황마 코드 번들을 도시한 이미지이고, 실시예 1의 PPy가 코팅된 황마 코드 번들을 도시한 이미지이고, 도 11은 비교예 1의 황마 코드(U-JUTE) 및 실시예 1의 PPy가 코팅된 황마 코드(P-JUTE)의 광흡수 거동을 도시한 그래프이며, 도 12는 벌크 물 및 완전히 습윤된 실시예 1의 PPy가 코팅된 황마 코드(P-JUTE)의 DSC(differential scanning calorimetry) 결과를 도시한 그래프이고, 도 13은 비교예 1의 황마 코드(U-JUTE) 및 실시예 1의 PPy가 코팅된 황마 코드(P-JUTE)를 포함하는 실시예 2에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자의 광열 거동을 도시한 이미지이다.
도 11 내지 도 13은 도 10에 도시한 비교예 1의 황마 코드 번들 및 실시예 1의 PPy가 코팅된 황마 코드 번들을 이용하여 테스트를 진행하였다.
도 11을 참조하면, 실시예 1의 PPy가 코팅된 황마 코드(P-JUTE)가 비교예 1의 황마 코드(U-JUTE) 대비 전체 스펙트럼 범위에서 강한 광 흡수 능력을 나타내는 것을 알 수 있다.
보다 구체적으로, 2차원 구조의 황마 코드(2D U-JUTE)의 흡광도는 75.7%이고, 3차원 구조의 황마 코드(3D U-JUTE)의 흡광도는 82.8%이나, 2차원 구조의 PPy가 코팅된 황마 코드(2D P-JUTE)의 흡광도는 96.6% 이며, 3차원 구조의 PPy가 코팅된 황마 코드(3D P-JUTE)의 흡광도는 97.3%인 것으로 보아, 실시예 1의 PPy가 코팅된 황마 코드(P-JUTE)가 비교예1의 황마 코드(U-JUTE) 대비 전체 스펙트럼 범위에서 강한 광 흡수 능력을 나타내는 것을 알 수 있다.
더욱이, 2차원 구조 보다 3차원 구조에서 흡광도가 향상되는 것을 알 수 있다.
도 12를 참조하면, 실시예 1의 PPy가 코팅된 황마 코드(P-JUTE)는 벌크 물보다 낮은 온도에서부터 더 빠른 물 증발을 나타내는 것을 알 수 있다.
도 13을 참조하면, 실시예 2에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자의 상단 온도는 실시예 1의 PPy가 코팅된 황마 코드(P-JUTE)의 효율적인 광열 능력을 반영하는 약 70℃에 도달하는 반면에, 비교예 1의 황마 코드(U-JUTE)의 온도는 약 60℃인 것을 알 수 있다.
도 14는 실시예 2에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자를 도시한 이미지이고, 도 15는 암 상태 증발 동안 주변으로부터 추가 에너지가 입력되는 것을 도시한 개략도이고, 도 16은 태양 시뮬레이션의 베이스 레벨을 조정하는 것을 도시한 개략도이다.
도 14를 참조하면, 제어된 상대 습도(RH) 및 온도 조건(24 - 25℃ 및 30% RH)에서 탈이온수(DW)를 사용한 태양 증발 소자의 증발 성능을 조사하기 위해 모의 태양 조사 유무에 따른 증기 발생 실험을 수행하였다.
플라스틱 망 하부에 있는 1차원 천연 섬유 코드는 흡수 부분을 약 150g의 탈이온수(DW)에 담그고 플라스틱 망 상부에 증발 부분을 공기에 노출시켰다. 조사 및 증발에 대한 유효 단면적은 6.25 cm2이다.
플라스틱 망 상부의 증발 부분의 길이(즉, 증발 길이)를 1 cm 내지 6 cm 로 조절하였다.
도 15를 참조하면, 태양광 조사 없이 암 상태에서 증발 실험을 진행하고, 암 상태에서의 증발 속도는 증발 길이에 따라 선형적으로 증가하였다.
비교예 2에 따른 태양광 증발 소자(PJE-0)의 값은 0.38kg m-2 h-1 이나, 6 cm 의 실시예 2에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자(PJE-6)는 2.05kg m-2 h-1에 도달하였다.
암 상태 증발 동안 실시예 2에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자의 Ttop(상단부 온도) 및 Tside(측면부 온도) 값은 모두 약 15 ℃였으며, 표면에서 증발하는 물의 냉각 효과로 인해 제어된 주변 온도(25 ℃)보다 훨씬 낮았다.
이러한 온도 감소는 주변으로부터 추가적인 열 획득이 있을 수 있음을 의미하기 때문에, 실시예 2에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자는 증발 속도가 더욱 향상될 수 있다.
따라서, 큰 표면적을 가질 수 있는 증발 길이가 긴 실시예 2에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자는 물 흡수 및 수송이 충분하다면 주변으로부터 더 많은 열을 수득할 수 있는 동시에 더 높은 증발 속도를 나타낼 수 있다.
도 16을 참조하면, 조사 강도를 0.5 ~ 2.0 kW m-2로 변화시키고 실시예 2에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자의 길이를 변화시켜 모의 조사 하에서 실시예 2에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자의 태양광 증발 성능을 조사하였고, 실제 태양광 조사와 달리 증발면에서 솔라 시뮬레이터(solar simulator)의 조사 강도는 조사면과 광원 사이의 수직 거리에 크게 의존한다.
거리 조정은 실시예 2에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자의 실험적 쏠라 플럭스(solar flux)에 결정적인 영향을 미치기 때문에, 비교예 2에 따른 태양광 증발 소자 및 실시예 2에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자의 상단 위치를 원하는 조사 강도의 기본 레벨로 정의하였다.
도 17은 실시예 2에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자의 상단부 온도를 도시한 이미지이고, 도 18은 1kW m-2 태양 증발 실험 중 5 cm 의 실시예 2에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자의 높은 Ttop 및 낮은 Tside를 도시한 이미지이며, 도 19는 실시예 2에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자의 증발 실험 결과를 도시한 그래프이다.
도 17을 참조하면, 실시예 2에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자의 상단부(Ttop)의 온도는 조사와 함께 순간적으로 증가하였고 조사 중 온도는 약 31℃ (0.5kW m-2에서) ~ 48℃ (2.0kW m-2에서)에 도달하는 것으로 보아, 효율적인 광열 능력을 나타내는 것을 알 수 있다.
도 18을 참조하면, 각각의 실시예 2에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자의 상단부(Ttop)의 온도는 동일한 조사강도 하에서 유사한 값을 나타내고, 실시예 2에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자의 상단 위치를 기준 레벨로 하였기 때문에 길이는 관련이 없었다.
한편, 측면부(Tside)의 온도는 상단부(Ttop)의 온도보다 훨씬 낮았고, 암상태에서 발생하는 실시예 2에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자 측면의 증발로 인해 주변 온도보다 훨씬 낮았다.
도 19를 참조하면, 증발 속도는 태양 강도가 높을수록 빨라지고, 실시예 2에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자의 길이에 따라 증가하는 것을 알 수 있다.
그러나, 실시예 2에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자의 길이에 따른 증발속도의 증가는 선형성을 나타내지 않는다.
암상태 증발 실험과 대조적으로 증발 소자의 증발 길이에 따른 태양 증발 속도의 증가는 포화 상태이기에, 4 cm 내지 6 cm 의 실시예 2에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자(PJE-4 내지 PJE-6)는 유사한 태양광 증발율(solar evaporation rate)을 보였고, 5 cm 및 6 cm 의 실시예 2에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자(PJE-5, PJE-56)의 상단 끝은 태양광 증발 실험 후 건조되었다.
증발 길이가 길수록 측면 증발이 활발하기 때문에 증발 속도가 향상되나, 흡수된 처리수의 많은 부분이 상단에 도달하기 전에 측면에서 증발하기 때문에 총 증발 속도는 1차원 천연섬유 코드를 통한 물 흡수 및 전달 속도에 의해 조절 또는 제한될 수 있다.
도 20은 3 cm 의 실시예 2에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자를 이용한 모사 태양광 담수화 실험(simulated solar desalination experiment) 결과를 도시한 그래프이고, 도 21은 담수화 전후의 금속이온 농도를 도시한 그래프이며, 도 22는 모사 태양 증발 10시간 후 염수 침전 및 하룻밤 후 재용해를 도시한 이미지이고, 도 23은 태양 증발 전후 및 하룻밤 휴식 후 해수의 염도를 도시한 그래프이다.
3 cm 의 실시예 2에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자의 태양광 담수화 능력을 검증하기 위해 모의 주야간 태양 증발 테스트를 수행하였고, 이때, 인공해수(NaCl 24.32g, MgCl2 5.14g, CaCl2 1.14g, KCl 0.69g, 물 1.0L)를 사용하였으며, 신선한 인공해수의 염도는 약 33.4g kg-1이었다.
시뮬레이션 설계는 다음과 같습니다.
160g의 신선한 바닷물로 10시간 동안 시뮬레이션된 1kw m-2 조명과 어두운 밀폐 용기에 남은 바닷물로 밤새 소등했고, 이러한 사이클은 단일 증발 소자로 5일 동안 반복되었다.
도 20을 참조하면, 5차 운전 시에도 증기 발생 성능은 유지되었으며 해수의 증발속도는 탈이온수(DW)와 유사하였다.
도 21을 참조하면, 응축수의 금속이온 농도는 식수에 대한 WHO 기준을 만족하였다.
도 22를 참조하면, 10시간의 태양광 증발 후 3 cm 의 실시예 2에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자 상단에 소량의 염이 침전되었고, 해수의 증발량을 고려하였을 때 결정화된 염의 양은 상대적으로 적었다. 더욱이, 석출된 염은 밤새 소등 기간 후에 완전히 사라졌다.
도 23을 참조하면, 실시예 2에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자의 염 제거 능력을 검증하기 위해 태양 증발 전후와 야간 소등 기간 후의 해수의 염도를 측정하였다.
실험 중 증발된 물의 양을 고려하고, 실시예 2에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자에 염분이 축적되지 않았다고 가정할 때 잔류해수의 염도는 약 37.1g/kg으로 증가해야 한다. 반대의 경우, 실험 중 실시예 2에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자에 염의 상당량이 축적되거나 침전된 경우 잔류수의 염도는 계산된 값보다 현저히 낮아야 한다.
증발 실험 후와 소등 후 측정된 염도 값을 살펴보면, 약 36.6 g kg-1과 37.0 g kg-1이었고, 값은 반복된 주기에서 일관되었다.
즉, 증발된 물에 용해된 염의 대부분이 실시예 2에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자에 축적되지 않고 태양 증발 동안 내부 물 흐름을 통해 동시에 배출되는 것을 알 수 있다.
더욱이, 소량의 침전된 염 또한 밤새 소등 기간 동안 완전히 재용해되는 것을 알 수 있다.
도 24는 현장 실험을 위한 실시예 3에 따른 태양 증류기를 도시한 개략도 및 이미지이고, 도 25는 3 cm 의 실시예 2에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자의 일일 증발 및 담수 생성 성능을 도시한 그래프이고, 도 26은 3 cm 의 실시예 2에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자의 태양광 조도 프로파일을 도시한 그래프이다.
도 24를 참조하면, 3 cm 의 실시예 2에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자를 이용하여 실제 햇빛 아래에서 태양광을 사용하여 5일간 담수 생성 테스트를 수행하였다.
현장 실험을 위해 투명 아크릴 시트를 사용하여 태양 증류기는 도 20에 도시된 실시예 3에 따른 태양 증류기와 같다.
도 25 및 도 26을 참조하면, 담수 생성 능력은 5일간의 현장시험 동안 유지되었고, 값은 최대 15.85 kg m-2 day-1(4일차)이며, 평균 13.68 kg m-2 day-1이었다.
도 25를 참조하면, 대략적으로 계산된 일조량 에너지는 4.6kwh m-2 day-1 이고, 일일 총 증발량은 22.20kg m-2 day-1 이었으며, 시뮬레이션된 개방형 증발(COE)보다 실시예 3에 따른 태양 증류기에서 더 높은 변환 효율을 나타내는 것을 알 수 있다.
또한, 시뮬레이션된 개방형 증발 실험과 달리 10시간 증발 후 실시예 2에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자 표면에 염의 침전이 관찰되지 않은 것으로 보아, 태양 증류기 증발 실험에서 실시예 3에 따른 태양 증류기의 염 제거 과정이 개방 증발 실험에서보다 더 유리한 것을 알 수 있다.
도 27은 현장 실험을 위한 실시예 3에 따른 태양 증류기를 이용한 개방형 증발(COE) 실험의 증발 거동과 담수 수집(SWC) 실험의 주변 조건 차이를 도시한 개략도이고, 도 28은 6 cm 의 실시예 2에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자의 일일 증발 및 담소 생성 성능을 도시한 그래프이고, 29는 6 cm 의 실시예 2에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자의 태양 조도 프로파일을 도시한 그래프이다.
도 27을 참조하면, 폐쇄된 태양 증류기의 실제 조건을 고려할 때 SWC 실험의 주변 온도(Tsurr)와 상대 습도(φ)는 COE 실험(25℃ 및 30%)보다 훨씬 높을 것으로 예상되고, 모니터링된 공기 온도(Tsurr)는 실제 햇빛 아래에서 약 60 - 62 ℃였으며, 이는 COE 실험에서 제어된 실내 온도보다 훨씬 높았다.
또한, 태양광의 상대습도(φ)는 SWC 실험에서 여전히 40~44% 범위로 COE 실험에서 제어된 값보다 높았으나, 예상보다 낮으며, 이는 태양 증류기의 높은 공기 온도와 상대적으로 낮은 온도의 태양 증류기 내부 표면의 격렬한 수분 응결 때문이므로, 이러한 다양한 주변 조건에 의해 유도되는 증발 및 담수 수집 거동에 대한 영향을 조사하기 위해 6 cm 의 실시예 2에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자를 사용한 SWC 실험도 수행하였다.
도 28 및 도 29를 참조하면, 6 cm 의 실시예 2에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자는 3 cm 의 실시예 2에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자보다 1.7배 더 큰 담수 생성 능력(평균 22.74kg m-2 day-1)을 나타냈다.
더욱이, 6 cm 의 실시예 2에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자의 상단은 건조되지 않고 전체가 젖은 상태를 유지한 반면, 상단은 COE 실험에서 비교적 건조되었다.
SWC 실험에서 6 cm 의 실시예 2에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자는 태양 증류기의 높은 상대 습도(φ)로 인해 완전히 젖은 상태로 유지될 수 있으므로 염분이 더 쉽게 배출될 수 있으나, COE 실험에서는 증발 소자 상단의 건조상태로 인해 염제거율이 부분적으로 제한되었고 염석출 현상이 나타날 수 있다.
또한 SWC 실험에서 Tsurr은 태양 증류기의 온실 효과로 인해 COE 실험에서보다 훨씬 높았다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 컨테이너 200: 1차원 천연 섬유 코드
201: 천연 섬유사 211: 몸체부
212: 스파이크부 221: 코팅부
222: 미코팅부 300: 지지체

Claims (15)

  1. 처리수가 담지된 컨테이너(container); 및
    상기 컨테이너에 수직 방향으로 배치된 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드(1D natural fiber cord)를 포함하고,
    상기 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드는 광열 물질이 코팅된 광열 코팅부를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 구조의 태양광 증발 소자(3D Interfacial solar vapor generator).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드는 상기 광열 물질이 코팅된 코팅부 및 상기 광열 물질이 코팅되지 않은 미코팅부를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 구조의 태양광 증발 소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 코팅부 및 미코팅부의 비율은 5:1 내지 1:5인 것을 특징으로 하는 3차원 구조의 태양광 증발 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드는 적어도 하나 이상의 천연 섬유사가 꼬인 구조를 가지고,
    상기 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드의 양끝단은 적어도 하나 이상의 천연 섬유사가 노출된 스파이크(spike)부를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 구조의 태양광 증발 소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 적어도 하나 이상의 천연 섬유사는 내부에 중공을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 구조의 태양광 증발 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드는 황마(jute), 아마(Flax), 대마(hemp), 모시(ramie) 및 파피루스(papyrus) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 구조의 태양광 증발 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 광열 물질은 폴리피롤(polypyrrole), 폴리아닐린(polyaniline), PEDOT/PSS, 환원된 그래핀 산화물(reduced graphene oxide, rGO), 카본 블랙(carbon black) 및 금/은 나노입자 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 구조의 태양광 증발 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 3차원 구조의 태양광 증발 소자는 상기 컨테이너에 수직 방향으로 배치된 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드(1D natural fiber cord)를 지지하는 지지체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 구조의 태양광 증발 소자.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 지지체는 격자 구조를 가지고,
    상기 컨테이너에 수직 방향으로 배치된 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드(1D natural fiber cord)는 상기 컨테이너에 격자 배열되는 것을 특징으로 하는 3차원 구조의 태양광 증발 소자.
  10. 제1항에 따른 3차원 구조의 태양광 증발 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 증류기(Solar Still).
  11. 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드를 준비하는 단계;
    상기 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드에 광열 물질을 코팅하여 광열 코팅부를 형성하는 단계; 및
    상기 광열 코팅부를 포함하는 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드를 처리수가 담지된 컨테이너(container)에 배치하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 구조의 태양광 증발 소자(3D Interfacial solar vapor generator)의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드에 광열 물질을 코팅하여 광열 코팅부를 형성하는 단계는,
    상기 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드에 표면 처리하는 단계; 및
    상기 표면처리된 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드에 광열 물질을 코팅하여 광열 코팅부를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 구조의 태양광 증발 소자의 제조 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드에 광열 물질을 코팅하여 광열 코팅부를 형성하는 단계는,
    상기 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드에 광열 물질을 부분적으로 코팅하여 상기 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드에 상기 광열 물질이 코팅된 코팅부 및 상기 광열 물질이 코팅되지 않은 미코팅부를 형성하는 것을 특징으로 하는 3차원 구조의 태양광 증발 소자의 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 코팅부 및 미코팅부의 비율은 5:1 내지 1:5인 것을 특징으로 하는 3차원 구조의 태양광 증발 소자의 제조 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 광열 코팅부를 포함하는 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드를 처리수가 담지된 컨테이너(container)에 배치하는 단계는,
    상기 광열 코팅부를 포함하는 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드를 지지체에 격자 배열시키는 단계;
    상기 지지체에 격자 배열된 적어도 하나 이상의 1차원 천연 섬유 코드를 처리수가 담지된 컨테이너(container)에 배치하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 구조의 태양광 증발 소자의 제조 방법.
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