[이탈리아] 태양에너지 통한 저비용 해수담수화 기술 개발

이탈리아 폴리테크노 디 토리노(Politecnico di Torino)에서 진행되고 『Nature Sustainability 저널』이 발표한 연구는 태양 에너지만 사용하여 바닷물을 식수로 바꾸는 혁신적이고 저렴한 기술을 촉진시키고 있다.

세계식량농업기구(FAO)의 추정에 따르면 2025년까지 약 20억 명이 식수를 충분히 섭취하지 못하여 하루 섭취량을 충족시킬 수 없다. 이 문제를 해결할 수 있는 방법 중 하나는 해수 담수화를 통한 식수 공급이다. 그러나 바닷물에서 소금을 제거하는 것은 담수 공급의 전통적인 방법, 즉 강이나 우물에서 나오는 물을 펌핑하는 것보다 10∼1,000배 더 많은 에너지가 필요하다.

이 문제로 인해 폴리테크노 디 토리노(Politecnico di Torino)의 에너지부 엔지니어팀이 태양 에너지를 보다 효율적으로 사용하여 지속 가능하고 저렴한 방법으로 해수 담수화를 위한 새로운 프로토 타입을 고안했다.

이전 솔루션에 비해 개발된 기술은 실제로 주어진 태양 에너지에서 생산되는 물의 양을 두 배로 늘릴 수 있으며 가까운 장래에 효율성이 더 향상 될 수 있다. 『Nature Sustainability』 지에 최근에 이 결과를 발표한 젊은 연구자 그룹은 엘리오도로 치아바초(Eliodoro Chiavazzo), 마태오 모르시아노(Matteo Morciano), 프란체스카 비글리노(Francesca Viglino), 마태오 파사노(Matteo Fasano) 및 베드로 아시나리(Pietro Asinari / Multi-Scale Modeling Lab)로 구성되어 있다.

마태오 파사노(Matteo Fasano)와 마태오 모르시아노(Matteo Morciano)는 ‘태양 에너지를 통한 해수 담수화 : 새로운 저비용 기술’에 대해 다음과 설명한다.

“제안된 기술의 작동 원리는 매우 간단하다. 모세관 현상과 증발에 의해 뿌리에서 잎으로 물을 운반하는 식물에서 영감을 얻어, 우리의 부유 장치는 값이 싼 다공성 물질을 사용하여 해수를 수집 할 수 있으므로 값비싼 태양열 에너지에 의해 가열되어 증발하는 물에서 염분이 분리되는 과정을 말한다. 이 과정은 오염 된 물과 음료수 사이에 막을 삽입하여 혼합을 피할 수 있다. 해양환경(예 : 맹그로브(mangroves))에서 살아 남는다”

기존의 '액티브' 담수화 기술은 값비싼 기계 또는 전기 부품 (예 : 펌프 및 제어 시스템)을 필요로 하고 설치 및 유지 보수에 전문기술자가 필요하지만 Politecnico di Torino 팀에서 제안한 담수화 방법은 따라서 보조 기계류의 도움을 받아 '수동적' 기술이라고 할 수 있다. 

이 모든 것이 장치를 본질적으로 저렴하고 설치 및 수리가 간단하게 만든다. 후자의 특징은 만성적 인 식수 부족으로 고통 받고 있으며 중앙 집중식 인프라 및 투자로 아직 도달하지 못한 해안 지역에서 특히 매력적이다.

지금까지 담수화에 대한 '수동적인' 기술의 잘 알려진 단점은 '능동적인' 기술에 비해 낮은 에너지 효율이었다.  폴리티코 디 토리노(Politecnico di Torino)의 연구자들은 창의성에 대한 장애물에 직면해 있다.

마태오 파사노(Matteo Fasano)와 마태오 모르시아노(Matteo Morciano)는 "이전 연구에서는 태양 에너지 흡수를 극대화하는 방법에 초점을 맞추었지만 흡수된 태양열 에너지를 보다 효율적으로 관리하는 방향으로 관심을 옮겼다. 태양에 노출된 평방미터(㎡ )당 최대 20리터(L)의 식수 공급량에 도달 할 수 있다. 성능 향상의 원인은 여러 캐스케이드 증발 공정에서 태양열의 '재활용'이다. 이 과정을 기반으로 한 기술은 일반적으로 '다중 효과'라고 불리우며, 이 전략이 '수동적' 담수화 기술에도 매우 효과적이라는 첫 번째 증거를 제시한다"고 설명한다.

2년 넘게 프로토 타입을 개발하고 이타리아 리구리안해(Ligurian)에서 직접 테스트한 후, Politecnico의 엔지니어들은 이 기술이 식수가 적지만 고립된 해안 지역에 영향을 미칠 수 있다고 주장한다. 

또한 이 기술은 예를 들어 홍수나 쓰나미가 발생하여 전력망 및 수로에서 며칠 또는 몇 주 동안 격리 된 지역과 같이 비상 상황에서 안전하고 저렴한 비용의 식수를 제공하는 데 특히 적합하다. 

이 기술에 대한 또 다른 응용 분야는 식량 생산을 위한 부유 정원, 특히 인구 과잉 지역에서의 흥미로운 선택이다. Politecnico di Torino의 Clean Water Center에서 이 문제를 계속 연구하는 연구자들은 프로토 타입을 보다 내구성 있고 확장성이 뛰어나고 다양한 용도로 사용할 수있는 산업 파트너를 찾고 있다. 

예를 들어, 장치의 가공 된 버전은 지하수의 과도한 개발이 담수 대수층으로의 침투를 일으키는 해안지역(특히 남부 이탈리아의 일부 지역에서는 심각한 문제)에서 사용될 수 있거나 산업 또는 환경오염으로 인한 수역을 처리 할 수 있다.

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Seawater Turns Into Freshwater Through Solar Energy: A New Low-Cost Technology 

A study conducted at Politecnico di Torino and published by the journal Nature Sustainability promotes an innovative and low-cost technology to turn seawater into drinking water, thanks to the use of solar energy alone

According to FAO estimates, by 2025 nearly 2 billion people may not have enough drinking water to satisfy their daily needs. One of the possible solutions to this problem is desalination, namely treating seawater to make it drinkable. However, removing salt from seawater requires 10 to 1000 times more energy than traditional methods of freshwater supply, namely pumping water from rivers or wells.

Motivated by this problem, a team of engineers from the Department of Energy of Politecnico di Torino has devised a new prototype to desalinate seawater in a sustainable and low-cost way, using solar energy more efficiently. Compared to previous solutions, the developed technology is in fact able to double the amount of water produced at given solar energy, and it may be subject to further efficiency improvement in the near future. The group of young researchers who recently published these results in the prestigious journal Nature Sustainability is composed of Eliodoro Chiavazzo, Matteo Morciano, Francesca Viglino, Matteo Fasano and Pietro Asinari (Multi-Scale Modeling Lab).

The working principle of the proposed technology is very simple: "Inspired by plants, which transport water from roots to leaves by capillarity and transpiration, our floating device is able to collect seawater using a low-cost porous material, thus avoiding the use of expensive and cumbersome pumps. The collected seawater is then heated up by solar energy, which sustains the separation of salt from the evaporating water. This process can be facilitated by membranes inserted between contaminated and drinking water to avoid their mixing, similarly to some plants able to survive in marine environments (for example the mangroves)", explain Matteo Fasano and Matteo Morciano.

While conventional 'active' desalination technologies need costly mechanical or electrical components (such as pumps and/or control systems) and require specialized technicians for installation and maintenance, the desalination approach proposed by the team at Politecnico di Torino is based on spontaneous processes occurring without the aid of ancillary machinery and can, therefore, be referred to as 'passive' technology. All this makes the device inherently inexpensive and simple to install and repair. The latter features are particularly attractive in coastal regions that are suffering from a chronic shortage of drinking water and are not yet reached by centralized infrastructures and investments.

Up to now, a well-known disadvantage of 'passive' technologies for desalination has been the low energy efficiency as compared to 'active' ones. Researchers at Politecnico di Torino have faced this obstacle with creativity: "While previous studies focused on how to maximize the solar energy absorption, we have shifted the attention to a more efficient management of the absorbed solar thermal energy. In this way, we have been able to reach record values of productivity up to 20 litres per day of drinking water per square meter exposed to the Sun. The reason behind the performance increase is the 'recycling' of solar heat in several cascade evaporation processes, in line with the philosophy of 'doing more, with less'. Technologies based on this process are typically called 'multi-effect', and here we provide the first evidence that this strategy can be very effective for 'passive' desalination technologies as well".

After developing the prototype for more than two years and testing it directly in the Ligurian sea (Varazze, Italy), the Politecnico's engineers claim that this technology could have an impact in isolated coastal locations with little drinking water but abundant solar energy, especially in developing countries. Furthermore, the technology is particularly suitable for providing safe and low-cost drinking water in emergency conditions, for example in areas hit by floods or tsunamis and left isolated for days or weeks from electricity grid and aqueduct. A further application envisioned for this technology are floating gardens for food production, an interesting option especially in overpopulated areas. The researchers, who continue to work on this issue within the Clean Water Center at Politecnico di Torino, are now looking for possible industrial partners to make the prototype more durable, scalable and versatile. For example, engineered versions of the device could be employed in coastal areas where over-exploitation of groundwater causes the intrusion of saline water into freshwater aquifers (a particularly serious problem in some areas of Southern Italy), or could treat waters polluted by industrial or mining plants.

[출처 = 워터-온라인(https://www.wateronline.com/doc/seawater-turns-into-freshwater-through-solar-energy-a-new-low-cost-technology-0001) / 2019년 1월 8일]