[논문 리뷰] Enhanced solar evaporation using a photo-thermal umbrella: towards zero liquid discharge wastewater management

Akanksha K. Menon, Iwan Haechler외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 24.

Solar-Powered Water Purification Methods참고 문헌 30인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 태양광을 중간 적외선 복사로 변환하여 물에 의해 강하게 흡수되는 방식으로, 복사 결합을 통해 수증기 발생을 100% 이상 향상시키는 수동적이고 비접촉식 광열 우산을 제안한다. 이 시스템은 저비용으로 공급 가능한 상용 재료를 사용하여 효율적이고 확장 가능한 액체 폐기물 제로(Zero Liquid Discharge, ZLD) 폐수 처리와 함께 염류 수거를 가능하게 한다.

ABSTRACT

Rising water demands and depleting freshwater resources have brought desalination and wastewater treatment technologies to the forefront. For sustainable water management, there is a global push towards Zero Liquid Discharge (ZLD) with the goal to maximize water recovery for reuse, and to produce solid waste that lowers the environmental impact of wastewater disposal. Evaporation ponds harvest solar energy as heat for ZLD, but require large land areas due to low evaporation rates. Here, we demonstrate a passive and non-contact approach to enhance evaporation by more than 100% using a photo-thermal umbrella. By converting sunlight into only mid-infrared radiation where water is strongly absorbing, efficient utilization of solar energy and heat localization at the water surface through radiative coupling are achieved. The non-contact nature of the device makes it uniquely suited to treat a wide range of wastewater, and the use of commercially available materials enables a potentially low cost and scalable technology for the sustainable disposal of wastewater, with the added benefit of salt recovery.

연구 동기 및 목표

• 증가하는 수요와 고갈되는 담수 자원 속에서 지속 가능한 수자원 관리의 글로벌 과제를 해결하기 위해.
• 낮은 수증기 발생률과 광범위한 땅 면적을 요구하는 전통적인 증발 풀의 한계를 극복하기 위해.
• 액체 폐기물 제로(ZLD) 폐수 처리를 위한 수동적이고 비접촉식 방법으로 태양 수증기 발생을 향상시키기 위해.
• 상용 재료를 사용하여 효율적이고 확장 가능하며 저비용의 폐수 처리를 실현하고, 회수 가능한 염류를 생산하기 위해.
• 환경 오염을 최소화하면서도 높은 수분 회수율을 달성하기 위해.

제안 방법

• 태양 복사를 중간 적외선(Mid-IR) 복사로 선택적으로 변환하여 물에 의해 강하게 흡수되도록 하는 광열 우산을 설계한다.
• 비접촉 방식의 복사 결합을 통해 물 표면에서 열을 국소화하여 열 손실을 최소화한다.
• 고효율 태양 복사 흡수 및 선택적 중간 적외선 복사 방출 특성을 갖춘 재료를 사용하여 에너지 이용 효율을 극대화한다.
• 비접촉 작동 방식을 통해 오염물질이나 막힘 없이 다양한 폐수 유형을 처리할 수 있도록 한다.
• 상용 재료를 활용하여 실생활 ZLD 응용 분야에서 저비용으로 확장 가능한 구현을 가능하게 한다.
• 기하학적 구조와 재료 특성을 최적화하여 집중된 열 복사로 수증기 발생률을 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비접촉식 수동 장치가 기존 증발 풀보다 태양 수증기 발생률을 크게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 중간 적외선 복사 방출을 통한 복사 결합이 물 표면에서 열을 국소화하여 수증기 발생을 향상시키는 데 얼마나 효과적인가?
• RQ3 단지 태양광과 선택적 열 복사만을 사용하여 광열 우산이 100% 이상의 수증기 발생 향상을 달성할 수 있는가?
• RQ4 이 시스템은 오염 또는 막힘 없이 다양한 폐수 유형에 적용될 수 있는가?
• RQ5 실생활 액체 폐기물 제로 폐수 처리 시스템에서의 확장 가능성과 비용 효율성은 어느 정도인가?

주요 결과

• 광열 우산은 기존 태양 수증기 발생 공정 대비 수증기 발생률을 100% 이상 향상시켰다.
• 선택적 중간 적외선 복사로 인해 물 표면에서 효율적인 열 국소화가 이루어져 열 손실가 최소화되었다.
• 비접촉 설계 덕분에 오염 또는 막힘 없이 다양한 폐수 흐름을 처리할 수 있었다.
• 상용 재료의 사용으로 산업 및 도시 폐수 응용 분야에서 저비용으로 확장 가능한 구현이 가능했다.
• 이 기술은 고순도 수분 회수와 고형 잔류물(염류) 생성을 가능하게 하여 액체 폐기물 제로 목표를 지원한다.
• 우산과 물 표면 간의 복사 결합이 에너지 이용 효율을 크게 향상시켰다.