다공성 물질 활용…1그램 축구장 크기 표면적

건조한 사막에서 다공성 물질과 태양열로 공기 중에서 하루 1리터 이상 물을 얻는 전자레인지 크기 장치가 개발됐다. 미국 버클리의 켈리포니아대(University of California, Berkeley)  연구실 스타트업이 만든 새 장치는 기존 물 수확기보다 성능이 10배 개선됐다.

미국 캘리포니아의 건조한 모하비 사막에서 3일 동안 현장 테스트에서 이 장치는 하루에 흡수제 킬로그램 당 0.7 리터, 거의 3 컵의 깨끗하고 순수한 물분자 ‘H2O’를 안정적으로 수확했다.

3일(현지시각) 사이언스에 따르면 UC버클리 오마르 야기(Omar Yaghi) 교수와 동료 연구원들은 최근 미국 화학협회 저널 ‘ACS Central Science’에 게재된 논문에서 물 1.3 리터를 만들 수있는 물 수확장치를 발표했다.

흡수물질은 금속-유기 골격(metal-organic framework, MOF)이라 불리는 다공성 물질 ‘MOF-303’ 이다.

수확기는 태양 전지판과 배터리로 구동된다. 사막에서 가장 건조한 날에도 상대 습도가 7 %, 화씨 80도를 넘으면서 수확기는 하루에 MOF 킬로그램 당 6 온스 (0.2 리터)의 물을 생산했다.

UC 버클리 화학교수(Kavli Energy NanoSciences Institute 공동 책임자) 야기는 “대기가 40%미만인 낮은 습도에서 물을 응축하려면 공기를 섭씨 영하로 식혀야해 비실용적이었다. 우리는 냉각없이 매우 낮은 습도에서 이를 하고 있다. 이것은 높은 상대 습도에서 작동하는 제습기와는 다르다”고 말했다.

이들의 스타트업 ‘Water Harvester’은 현재 테스트 중인 일일 7~10 리터의 물을 공급할 수 있는 전자레인지 크기 기기를 곧 판매할 예정이다. 몇 년 안에 이 회사는 하루에 2만 리터를 생산하는 마을 규모의 수확기를 목표로 한다. 모두 태양전지판과 배터리 또는 전기그리드에서 전원을 공급받는다.

수확기의 성분은 연구팀이 발명한 MOF의 일종으로 공기에서 물을 쉽고 빠르게 흡수하고 쉽게 분해하여 물을 모을 수 있다. 야기 교수가 1990 년대 중반부터 개발해온 MOF는 다공성 물질로 1그램이 축구장 크기 표면적을 갖는다. 다른 유형의 MOF는 가스에서 이산화탄소를 포집하고, 화학 반응을 촉매 처리하거나, 가공 공장에서 별도의 석유 화학 물질을 처리한다.

연구원들은 2014년에 최초 수분 흡수 MOF(MOF-801)를 개발했다. 주변 공기의 물 분자는 내부 표면(흡착이라 불리는 과정)에 붙어 MOF 내부 습도가 응축되는 지점까지 증가한다. 습도가 높을 때 더 차가운 표면에 물이 응축되는 것처럼 실내 온도에서도 마찬가지다. MOF를 약간 가열하면 물이 다시 배출, 응축된다.

2017년 MOF-801을 사용하는 최초의 수확기는 완전 수동이며 태양열로 작동했다. 밤에 수분을 흡수, 다음날 태양열에 수증기가 응축돼 컨테이너에 모인다. 연구팀은 2018년 이 개념증명 장치를 2세대 수확기로 전환해 애리조나 사막에서 하루 밤 새 MOF킬로그램 당 0.07 리터의 물을 수집했다. 태양열로 MOF에서 물을 빼냈다.

2019 모델은 자동이다. 태양 전지판을 사용해 전력을 공급, 카트리지에 포함된 MOF에 주변 공기를 불어 더 많은 MOF가 공기에 노출되도록 한다. 약 10 인치 정사각형 및 5 인치 두께의 MOF 충전 카트리지는 두 세트의 채널로 교차된다. 하나는 물을 흡수하기 위한 세트와 다른 하나는 응축기로 배출해 하루 종일 지속적으로 순환 할 수 있다. 밤에 수확기를 가동 할 수 있도록 배터리에 부착된 태양 전지판은 MOF에서 물을 배출하는 소형 히터에도 전력을 공급한다.

연구팀에 따르면 이 새로운 물 수확기의 생산성은 이전 장치에 의해 수확된 양의 10배, 초기개념증명 장치의 100배에 달한다. 물에서 금속이나 유기물이 발견되지 않았다.

*논문 : Rapid Cycling and Exceptional Yield in a Metal-Organic Framework Water Harvester