퍼듀의 획기적인 발전으로 담수화 산업을 변화시킬 수 있음

물은 모든 생명을 유지하고 문명의 요람 역할을 합니다. 그러나 세계 인구가 증가하고 산업화가 가속화되고 기후 변화가 심화되면서 물 부족은 인류의 가장 시급한 21세기 과제 중 하나로 등장했습니다. 가뭄에 시달리는 아프리카부터 물 부족에 시달리는 중동 지역, 점점 더 취약해지는 선진국에 이르기까지 담수 부족은 세계 안정과 발전을 위협합니다.

중동과 같은 건조한 지역에서 담수 생산의 절반 이상을 담당하는 역삼투(RO) 기술은 최대 대기압의 70배에 달하는 극한 압력 하에서 반투막을 통해 해수를 통과시켜 순수한 물을 추출합니다. 효과적이기는 하지만 이러한 압력을 유지하려면 펌프와 장비를 통해 막대한 에너지를 소비해야 하며, 이로 인해 운영 비용과 탄소 배출이 크게 증가합니다.

퍼듀대학교 기계공학 조교수인 David Warsinger는 "에너지는 담수화 플랜트 수명주기 비용의 약 3분의 1을 차지합니다."라고 설명합니다. "몇 퍼센트 포인트만 효율성을 개선해도 CO2 배출량을 줄이면서 수억 달러를 절약할 수 있습니다."

STEM 연구의 글로벌 리더인 Purdue University는 물 부족 문제를 해결하기 위해 뛰어난 팀을 구성했습니다. Warsinger 교수의 연구실에서는 혁신적인 RO 발전을 개척하여 에너지 효율성을 획기적으로 향상시키는 개념을 개발했습니다.

MIT에서 박사 과정을 밟는 동안 Warsinger는 물을 연속 흐름이 아닌 개별 배치로 처리하는 "배치 역삼투"를 고안했습니다. Warsinger는 "각 배치 처리 시간은 1~2분입니다."라고 설명합니다. "우리는 부피를 줄이면서 점차적으로 압력을 높여 궁극적으로 더 적은 에너지로 동등한 담수를 생산합니다."

기존 배치 시스템은 간헐적인 순환 중에 효율성이 떨어졌습니다. 가동 중지 시간을 없애는 피스톤 챔버 설계를 통해 획기적인 발전이 이루어졌습니다. "피스톤을 완전히 비우는 대신 우리는 들어오는 바닷물을 사용하여 다음 사이클을 구동합니다"라고 Warsinger는 설명합니다. "이 이중 동작 접근 방식은 거의 연속적인 작동을 유지합니다."

다음에 발표된 연구담수화이 시스템이 전례 없는 에너지 효율성을 달성하여 잠재적으로 새로운 업계 기준을 설정했음을 보여줍니다.

연구의 주요 저자인 대학원 연구원 Sandra Cordoba는 성능을 최적화하기 위한 유압 모델을 개발했습니다. "RO에는 압력, 부피, 염도, 회수율, 시간 및 에너지와 같은 복잡한 변수가 포함됩니다"라고 Cordoba는 말합니다. "우리 모델은 최소한의 에너지 소비를 위한 이상적인 압력 프로필을 식별합니다."

피스톤 챔버의 크기는 휴대용 가정용 장치부터 산업 규모 설치까지 응용 분야 요구 사항에 맞게 조정됩니다. Warsinger는 "기본적으로 방수 피스톤이 있는 파이프일 뿐이지만 이러한 단순성은 혁신적인 효율성을 가능하게 합니다."라고 말합니다.

박사과정 후보인 Abhimanyu Das는 막 표면을 통해 특정 물 농도를 순환시키는 Batch Counterflow Reverse Osmosis라는 변형을 개발했습니다. 이 혁신은 산업 폐수 처리와 같은 고염분 응용 분야에 특히 효과적인 것으로 입증되었습니다.

대학원생 Michael Roggenburg의 연구는 재생 에너지와 결합된 배치 RO가 1,954마일에 달하는 미국-멕시코 국경을 따라 담수를 제공할 수 있는 방법을 보여줍니다. 태양열 또는 풍력 발전 시스템은 물 부족 지역에 화석 연료가 없는 솔루션을 제공합니다.

Warsinger는 "물 안보는 결정적인 글로벌 과제"라고 회상합니다. "비용을 조금이라도 줄일 수 있다면 담수화는 더 많은 지역사회에서 실행 가능해지며 잠재적으로 혁신적인 영향을 미칠 수 있습니다."

퍼듀연구재단(Purdue Research Foundation)의 기술 상용화 사무소는 물 부족 문제를 해결하기 위한 실제 적용을 촉진하는 이러한 혁신에 대한 특허를 출원했습니다.

풀브라이트 위원회(Fulbright Commission), 국립 재생 에너지 연구소(National Renewable Energy Laboratory) 및 퍼듀 대학교(Purdue University)의 보조금 지원을 받아 Warsinger 팀은 언젠가 바다를 신뢰할 수 있는 담수 공급원으로 바꿀 수 있는 솔루션을 계속해서 발전시키고 있습니다. 그들의 작업은 기술 혁신이 지속 가능한 관행과 결합될 때 어떻게 인류의 가장 시급한 자원 문제를 해결할 수 있는지를 보여줍니다.