KR20200020380A - 태양광 담수화를 위한 복합 구조체, 담수화 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 복합 구조체는 표면 및 내부에 서로 연결된 다수의 기공을 갖는 기둥 형상의 지지체 및 상기 지지체의 하나의 밑면에 형성된 흡광체층을 포함하여, 태양광을 이용해 해수를 담수화하기 위한 장치 및 방법에 사용될 수 있다.

Description

태양광 담수화를 위한 복합 구조체, 담수화 장치 및 방법{COMPOSITE STRUCTURE FOR SOLAR DESALINATION, AND APPARATUS AND METHOD FOR DESALINATION}

본 발명은 태양광을 이용하여 해수를 담수화하기 위한 복합 구조체, 이를 포함하는 담수화 장치, 및 이를 이용한 담수화 방법에 관한 것이다.

현재 전세계적으로 인구 증가와 환경 오염 문제가 계속 심해지고 일부 국가들은 물 부족 문제에 직면해 있어서, 깨끗한 물을 생산하는 기술이 점점 주목받고 있다. 특히 반영구적인 태양 에너지와 지구상 물의 97.6%를 구성하는 해수를 이용하여 담수화하는 기술은, 비용이 매우 저렴하고 추가적인 에너지 자원 없이 깨끗한 물의 생산이 가능하여 많은 개발이 이루어지고 있다.

초기의 태양광 담수화 장치는 높은 열 손실에 의해 광열 전환율이 낮고 광대역의 태양광을 흡수하지 못하는 문제가 있었다. 그러나 최근 연구에 따라, 해수로의 열 손실을 최소화하면서 흡광률을 극대화하는 이상적인 태양광 담수화 장치를 실현할 수 있었다. 이들 장치는 광대역의 파장 범위에 대해 높은 흡광률을 가져 막대한 열을 생산하고, 또한 수직형 유로를 갖는 단열재를 해수에 부유시켜 물-공기간 계면에 열을 집중시킴으로써 하단에서 상단의 흡광체까지 빠르게 물을 수송할 수 있다.

예를 들어 종래의 부유형 태양광 담수화 장치는 공기-물 계면의 영역에 한정하여 흡광 에너지로 인해 발생된 열을 국한시킴으로써, 태양광-열 전환율을 극대화하고 해수로의 열 손실을 최소화할 수 있었다(Jiang, Q. et al., Journal of Materials Chemistry A 2017, 5, 18397-18402 참조). 그러나 광대역 스펙트럼에 대한 흡광률이 매우 우수한 재료들이 속속 개발되고 있고, 또한 종래의 태양광 담수화 장치에서 수분 증발에 필요한 표면적을 증가시키고 단열 성능을 더 향상시킬 여지가 있다.

한편 3D 구조화 기술은 광전기화학적 물 분열 시스템, 배터리, 슈퍼캐패시터 및 표면증강 라만 분광법과 같은 다양한 분야에서 원하는 성능을 현저히 향상시킬 수 있는 접근법으로 활용되고 있다. 실제로, 활성 물질의 표면을 2D에서 3D로 확장시킴으로써 표면적이 증대하여 다양한 분야의 장치를 보다 효율적으로 작동시킬 수 있다. 예를 들어, 에너지 저장 장치에 사용되는 3D 전지는 구조적 특성이 우수하고, 사이클 과정에서 발생하는 부피 변화에 의한 응력을 완충시켜 사이클 안정성을 향상시킬 수 있다. 또한, 표면증강 라만 분광법(SERS)에 기반한 화학 센서에서 3D 구조화에 의해 비표면적과 광분산성을 높일 수 있어서, 광조사에 따른 상호작용을 증대시킬 수 있다. 또한 종래의 태양광 담수화 장치도 3D 구조화에 의해 태양광-증기 전환 효율을 향상시킬 수 있다.

Jiang, Q. et al., Journal of Materials Chemistry A 2017, 5, 18397-18402

종래의 태양광 담수화 장치는 흡광체의 표면에서만 증발이 이루어져 태양광-증기 전환 효율이 그리 높지 않았고 해수로의 열 손실을 더욱 줄일 필요가 있었다.

이에 본 발명자들은, 최근 많은 연구에서 태양광 담수화 장치를 해수에 부양시키려는 시도와 달리, 새로운 3D 구조 설계에 의해 얕은 해수에 서 있을 수 있는 기둥 형태로 디자인함으로써, 증발 효율을 현저히 향상시킬 수 있을 뿐 아니라 단열성을 높일 수 있음을 발견하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 증발 효율 및 단열성이 향상되어 태양광에 의한 해수 담수화에 적합한 구조체, 이를 포함하는 담수화 장치, 및 이를 이용한 담수화 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 표면 및 내부에 서로 연결된 다수의 기공을 갖는 기둥 형상의 지지체; 및 상기 지지체의 하나의 밑면 상에 형성된 흡광체층을 포함하는 복합 구조체를 제공한다.

또한 본 발명은, 상기 복합 구조체를 포함하는 담수화 장치를 제공한다.

또한 본 발명은, 상기 복합 구조체를, 흡광체층이 형성된 밑면이 위로 향하면서 수면 위로 1 cm 이상 노출되도록, 해수에 세워 놓는 것을 포함하는 담수화 방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 하나의 밑면 상에 흡광체층이 형성된 지지체의 측면을 노출시키는 간단한 구조 설계에 의해, 태양광 담수화를 위한 해수의 증발 영역을 2차원에서 3차원으로 확장할 수 있어서, 상단의 흡광체층에 의한 광열 증발 뿐만 아니라 측면의 비광열 증발 영역으로 인해 야간에도 추가적인 증기 발생이 가능하다.

이에 따라 본 발명의 담수화 장치는 전일 작동(all-day-working) 성능을 나타낼 뿐만 아니라, 저렴하고 친환경적인 태양광 조명 하에 높은 증기발생 효율을 나타낼 수 있다. 또한 지지체의 수면 위로의 공기 중 노출로 인하여 흡광체층과 해수 간의 물리적 거리로 인한 단열이 효과적으로 이루어져 열 손실을 최소화할 수 있다. 따라서 본 발명의 담수화 장치는 가까운 미래에 전세계적으로 깨끗한 물을 공급할 수 있을 것으로 기대된다.

이하 첨부된 아래의 도면을 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
이하의 도면의 간단한 설명에 기재된 약어들의 의미는 구체적인 실시예에서 정의된 바와 같다.
도 1은 (a) 종래의 부유형 PF(1.5 cm 높이) 및 스탠딩형 LCPF(5 cm 높이)의 태양광 해수 담수화 장치의 개념도(삽입도는 LCPF 상부 영역 근방을 확대한 SEM 이미지), (b) 강력한 모세관 힘에 의해 5 cm 두께의 LCPF의 상단으로 물이 빠르게 수송되는 것을 보여주는 사진, (c) 부유형 PF(1.5 cm 높이) 및 스탠딩형 LCPF(5 cm 높이)를 1시간 태양광 조사한 뒤의 열분산 이미지를 나타낸 것이다.
도 2는 (a) PF의 높은 다공성 내부 구조이고, (b) SEM에 의해 확인된 PF 상의 rGO, (c) rGO 및 PF의 XPS 광역 스캔 결과, (d) PF의 C1s 스펙트럼의 피팅 곡선, (e) rGO의 C1s 스펙트럼의 피팅 곡선을 나타낸 것이다.
도 3은 (a) rGO 및 PF의 태양광 흡수 스펙트럼, (b) 및 (c) 태양광 조도에 1시간 노출 시의 상부 표면의 온도 변화 및 열화상 이미지, (d) 태양광 조도에 1시간 노출하며 증기를 발생시키는 조건에서 rGO 유/무에 따른 부유형 PF(1.5 cm) 및 스탠딩형 LCPF(5 cm)의 질량 변화, (e) 암 조건에서 증기를 발생시키는 조건에서 다양한 높이의 rGO/PF의 질량 변화, (f) 태양광 조도에 1시간 노출 시에 다양한 높이의 rGO/LCPF의 측면의 열화상 이미지를 나타낸 것이다.
도 4는 (a) 다양한 높이의 LCPF 상에 rGO를 형성하여 제조한 장치를 태양광 조도에 1시간 노출하며 증기를 발생 시에 질량 변화, (b) 및 (c) rGO/LCPF(5 cm)의 장시간 내구성 평가 및 사이클 특성, (d) rGO/LCPF(5 cm) 장치를 이용하여 담수화하기 전과 후의 염도를 비교하여 나타낸 것이다.
도 5의 (a) 내지 (c)는 각각 PF, 목재, 종이를 부유시킨 사진으로서, 검은 화살표는 흡광체의 위치를 나타내고, 파란 화살표는 수면을 나타낸다.
도 6은 (a) rGO의 표면적 및 (b) 기공 크기 분포를 측정한 결과이다.
도 7은 (a) 광역 스캔 XPS 스펙트럼 및 물방울의 접촉각 이미지, 및 (b) GO의 C1s 스펙트럼의 피팅 곡선을 나타낸 것이다.
도 8의 (a) 및 (b)는 각각 태양광 조도 및 암 조건에서 다양한 높이의 LCPF에 대해 질량 변화를 비교한 것이고, (c) 및 (d)는 태양광 조도 하에서 다양한 높이의 LCPF 또는 PF 기반의 구조체에 대해 질량 변화를 비교한 것이다.
도 9의 (a)는 다양한 높이(1.5 cm, 3 cm, 4 cm, 5 cm)의 LCPF를 수심 3 cm 해수에 넣었을 때의 사진이고, (b)는 태양광 조도 하에서 rGO/LCPF의 증기 발생을 측정하기 위해 설계된 장치의 사진이고, (c) 및 (d)는 각각 rGO 및 rGO/PF를 SEM으로 관찰한 이미지이다.
도 10은 rGO 및 PF의 FT-IR 스펙트럼이다.
도 11의 (a) 및 (b)는 각각 암 조건 및 태양광 조건에서 밀폐된 용기에 rGO/LCPF5를 1시간 노출했을 때 증기 발생을 볼 수 있는 사진이다.
도 12는 습도를 18%로 고정하고 태양광 조도 하에서 1시간 노출했을 때의 주변 환경의 다양한 온도 조건에 따른 질량 변화를 나타낸다.
도 13의 (a) 및 (b)는 각각 rGO/PF 및 rGO/LCPF3를 태양광 조도에 노출했을 때의 장시간 안정성을 평가한 결과이다.

이하 본 발명을 구체적으로 설명한다.

복합 구조체

본 발명의 하나의 양태에 따르면, 표면 및 내부에 서로 연결된 다수의 기공을 갖는 기둥 형상의 지지체; 및 상기 지지체의 하나의 밑면 상에 형성된 흡광체층을 포함하는, 복합 구조체가 제공된다.

지지체

상기 지지체는 물의 수송체이면서 단열재로서 작용한다.

상기 지지체는 표면 및 내부에 서로 연결된 다수의 기공을 갖는다. 이에 따라 지지체의 하부의 표면에서 흡수된 물이, 내부에 연결된 기공 통로를 거쳐, 상부의 측면 및 상면의 기공을 통해 증발될 수 있다. 상기 기공의 개별 크기는 1 ㎛ 내지 20 ㎛ 범위, 또는 100 ㎛ 내지 500 ㎛ 범위일 수 있다.

예를 들어 상기 지지체는 고분자 재료로 형성된 다공성 폼(foam)일 수 있다. 이때 상기 고분자 재료는 페놀, 우레탄, 에틸렌글리콜, 또는 이들의 복합물질일 수 있다.

구체적으로 상기 지지체는 다공성 페놀 폼(phenolic foam)을 포함할 수 있다. 다공성 페놀 폼은 대면적 및 친수성이면서 강한 모세관 힘을 가지고, 열전도율이 약 0.04 W/m·K로 단열성이 우수하여 지지체로서 적합하다.

또는 상기 지지체는 부직포와 같은 종이로 형성된 다공성 재질일 수 있다.

상기 지지체는 기둥 형상을 갖는다. 예를 들어, 상기 지지체는, 밑면이 원 또는 다각형인 기둥 형상을 가질 수 있다.

또한 상기 지지체는 밑면의 직경보다 높이가 더 긴 기둥 형상을 가질 수 있다. 이때 밑면이 다각형인 경우, 상기 밑면의 직경은 가장 긴 직경과 가장 짧은 직경의 평균 값으로 할 수 있다.

일례로서, 상기 지지체는 밑면의 직경보다 높이가 더 긴 원기둥 형상을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 지지체의 밑면의 직경(d)에 대한 높이(h)의 비율(h/d)은 1.1 내지 10 범위, 또는 1.5 내지 3 범위일 수 있다. 상기와 같은 구조를 가질 때, 외부에 노출되어 증발이 일어나는 측면의 면적을 보다 넓힐 수 있다.

상기 지지체의 높이는 상기 복합 구조체가 적용될 해수의 수심에 비해 높을 필요가 있다. 예를 들어, 상기 지지체 및 복합 구조체의 높이는 해수의 수심에 비해 0.5 cm 이상, 1 cm 이상 또는 2 cm 이상 높을 수 있다. 구체적으로, 상기 지지체의 높이와 해수의 수심의 차이는 0.2~2.5 cm 또는 0.5~2 cm 범위일 수 있다. 상기 범위 내일 때, 상기 복합 구조체가 해수에 세워져서 수면 밖으로 노출된 지지체의 측면에서의 증발 효과가 증대될 수 있다.

상기 복합 구조체는 수심이 얕은 해수에서 사용될 수 있으며, 이에 따라 얕은 수심에 비해 상기 지지체의 높이가 높을 수 있다. 예를 들어 상기 지지체의 높이는 3.5 cm 이상, 4 cm 이상, 4.5 cm 이상 또는 5 cm 이상일 수 있다. 구체적으로, 상기 지지체의 높이는 3.5~10 cm 범위 또는 3.5~5.5 cm 범위일 수 있다.

상기 지지체는 친수성이 높은 것이 물의 증발 효율 면에서 유리하다. 예를 들어, 상기 지지체의 물에 대한 접촉각은 30°이하, 20°이하, 10°이하, 또는 5°이하일 수 있다.

또한, 상기 지지체는 열전도율이 낮은 것이 단열성 측면에서 유리하다. 예를 들어, 상기 지지체의 열전도율은 1 W/m·K 이하, 0.5 W/m·K 이하, 0.1 W/m·K 이하, 또는 0.05 W/m·K 이하일 수 있다.

일례로서, 상기 지지체가 물에 대한 10°이하의 접촉각 및 0.1 W/m·K 이하의 열전도율을 가질 수 있다. 다른 예로서, 상기 지지체가 물에 대한 5°이하의 접촉각 및 0.05 W/m·K 이하의 열전도율을 가질 수 있다.

흡광체층

상기 흡광체층은 태양광에 노출되어 광-열 에너지 전환을 발생시킴으로써, 광 조건에서의 물 증발을 일으킨다.

상기 흡광체층은 상기 지지체의 하나의 밑면 상에 형성된다.

상기 흡광체층은 넓은 대역의 파장에서 높은 흡광율을 갖는 소재를 포함하는 것이 좋다. 이와 같은 소재로는 탄소계 물질, 예를 들어 그래핀계 또는 그라파이트계 물질을 들 수 있다.

구체적으로 상기 흡광체층은 그래핀 산화물계 물질을 포함할 수 있고, 보다 구체적으로 환원된 그래핀 산화물(reduced graphene oxide, rGO)을 포함할 수 있다. 환원된 그래핀 산화물(rGO)은, 넓은 대역 파장의 광에 대해 높은 흡수율을 가지고 가공성이 우수하여, 효과적인 증기 발생을 위한 흡광제로서 유용하다.

예를 들어, 상기 흡광체층은 250~2500 nm의 모든 대역에서 75% 이상, 80% 이상, 또는 85% 이상의 흡광율을 가질 수 있다.

상기 흡광체층의 두께는 10 ㎛ 내지 50 ㎛ 범위 또는 10 ㎛ 내지 100 ㎛ 범위일 수 있다. 상기 범위 내일 때, 투과하는 빛 없이 충분한 빛 흡수로 인해 높은 흡광율을 확보할 수 있으면서도, 구조체 내부에서 생성된 증기가 공기 중으로 쉽게 탈출할 수 있도록 다공성을 유지하여 높은 광열 변환 효율과 효과적인 증기생성율의 측면에서 유리할 수 있다.

복합 구조체의 특성

상기 복합 구조체는 광 조건에서의 증발률이 종래에 비해 동등 이상이다. 예를 들어, 상기 복합 구조체는 1 kW/㎡ 세기의 광 조건에서의 물 증발률이 1.5 kg/㎡·h 이상, 2.0 kg/㎡·h 이상, 2.3 kg/㎡·h 이상, 또는 2.5 kg/㎡·h 이상일 수 있다.

또한, 상기 복합 구조체는 암 조건에서도 비교적 높은 물 증발률을 갖는다. 예를 들어, 상기 복합 구조체는 암 조건에서의 물 증발률이 0.3 kg/㎡·h 이상, 0.5 kg/㎡·h 이상, 또는 1.0 kg/㎡·h 이상일 수 있다.

일례로서, 상기 복합 구조체는 1 kW/㎡ 세기의 광 조건에서 2.0 kg/㎡·h 이상의 물 증발률을 나타내고, 암 조건에서 0.5 kg/㎡·h 이상의 물 증발률을 나타낼 수 있다. 다른 예로서, 상기 복합 구조체는 1 kW/㎡ 세기의 광 조건에서 2.3 kg/㎡·h 이상의 물 증발률을 나타내고, 암 조건에서 1.0 kg/㎡·h 이상의 물 증발률을 나타낼 수 있다.

또한 상기 복합 구조체는 높은 광-증기 전환 효율을 갖는다. 예를 들어, 상기 복합 구조체는 하기 수학식 1로 계산되는 광-증기 전환 효율(η)에서 80% 이상을 나타낼 수 있다:

[수학식 1]

상기 수학식 1에서, A는 조명의 단면적(㎡)이고, C_opt는 광학 농도이며, Q_s는 광조사 강도(1 kW/㎡)이고, Q_e는 하기 수학식 2로 계산되며,

[수학식 2]

상기 수학식 2에서, m은 광열 변환 에너지에 의한 물의 증발률(kg/㎡·h)이고, λ는 물의 증기로의 상변화 시의 잠열(2255.2 J/g)이며, C는 물의 비열용량(4.2 J/g·K)이고, △T는 생성된 증기의 온도 증가분(K)이다.

또한, 상기 복합 구조체의 광-증기 전환 효율(η)은 90% 이상, 100% 이상, 120% 이상, 또는 150% 이상일 수 있으며, 구체적으로, 80~200%, 80~150%, 80~100%, 또는 150~200%일 수 있다.

복합 구조체의 활용

상기 복합 구조체는 염수의 탈염 또는 담수화(desalination)가 필요한 분야에 유용하게 활용될 수 있다. 예를 들어 상기 복합 구조체는 태양광을 이용한 해수 담수화에 사용될 수 있다. 구체적으로, 상기 복합 구조체는, 복합 구조체의 높이보다 낮은 수심의 해수에 상기 흡광체층이 형성된 밑면이 위로 향하도록 세워져, 태양광을 이용한 해수의 담수화에 사용될 수 있다.

본 발명의 구체적인 일례에 따르면, 상기 지지체가 다공성 페놀 폼이고, 상기 흡광체층이 환원된 그래핀 산화물을 포함하며, 상기 복합 구조체가, 상기 흡광체층이 형성된 밑면이 위를 향하면서 수면 위로 1 cm 이상 노출되도록 해수에 세워져, 태양광을 이용한 해수의 담수화에 사용될 수 있다.

담수화 장치

본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 복합 구조체를 포함하는 담수화 장치를 제공한다.

상기 담수화 장치에 포함되는 복합 구조체는 앞서 설명한 복합 구조체와 실질적으로 동일한 구성 및 특성을 갖는다.

상기 담수화 장치는 해수에 세워서 담수화를 수행하는데 사용될 수 있다.

이를 위해 상기 담수화 장치를 바다에 직접 세워서 담수화를 수행할 수도 있지만, 파도의 영향으로 담수화 장치가 쉽게 넘어질 우려가 있다. 따라서 상기 담수화 장치를 바다에서 직접 활용할 경우, 상기 복합 구조체가 세워질 수 있게 하는 고정 수단을 추가적으로 구비하는게 좋다.

바람직하게는, 상기 담수화 장치는, 해수를 담기 위한 수조를 더 포함할 수 있다. 이에 따라 상기 수조에 해수를 넣은 뒤 상기 담수화 장치를 세워 놓고 담수화를 수행할 수 있다. 이와 같이 수조를 활용할 경우 보다 제어된 작업 환경을 마련할 수 있다.

또한, 상기 담수화 장치는 상기 복합 구조체에서 증발된 물을 응결시키는 수단을 추가로 구비할 수 있다. 또한, 상기 담수화 장치는 상기 응결된 물을 수집하는 수단을 추가로 구비할 수 있다.

일례로서, 상기 담수화 장치는 상기 복합 구조체, 해수 및 상기 복합 구조체가 도입되는 제 1 수조, 상기 제 1 수조보다 큰 밑면을 갖고 내부에 상기 제 1 수조가 배치되는 제 2 수조, 및 상기 제 1 수조 및 상기 제 2 수조를 전체적으로 덮고 투명성을 갖는 커버를 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 제 1 수조에 담긴 해수가 상기 복합 구조체에 의해 증발하고, 상기 커버의 벽면에 응결되어 상기 제 2 수조에 수집될 수 있다.

상기 담수화 장치는 광 조건뿐만 아니라 암 조건에서도 담수화를 수행할 수 있다. 즉 상기 담수화 장치는, 광 조건에서 상기 복합 구조체 상단의 흡광체층의 광-열 에너지 변환 작용에 의해 활발한 증발을 일으키며, 암 조건에서도 상기 지지체에서 수면 위로 노출된 측면의 기공을 통해 증발을 일으킬 수 있다. 이에 따라 상기 담수화 장치는 전일 작동(all-day-working) 성능을 발휘할 수 있다.

담수화 방법

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상기 복합 구조체를, 흡광체층이 형성된 밑면이 위로 향하면서 수면 위로 1 cm 이상 노출되도록 해수에 세워 놓는 것을 포함하는, 담수화 방법을 제공한다.

예를 들어, 상기 복합 구조체를 해수의 수면 위로 1 cm 이상, 2 cm 이상, 3 cm 이상, 5 cm, 또는 10 cm 이상 노출되도록 세워 놓을 수 있다.

상기 담수화 방법의 구체적인 일례로서, (1) 상기 복합 구조체를 수면 위로 1 cm 이상 노출되도록 해수에 세워 놓는 단계; (2) 상기 복합 구조체를 이용하여 해수로부터 증기를 발생시키는 단계; 및 (3) 상기 증기를 응결하고 수집하는 단계를 포함할 수 있다.

이때 상기 증기를 발생시키는 단계는 광 조건 및/또는 암 조건에서 수행될 수 있다. 구체적인 예로서, 상기 증기를 발생시키는 단계는 전일 동안(즉, 밤낮으로) 수행될 수 있다.

[실시예]

이하 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 단 이들 실시예로 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

이하의 실시예에서 사용된 약어들의 의미는 아래와 같다.

- GO: 그래핀 산화물(graphene oxide)

- rGO: 환원된 그래핀 산화물(reduced graphene oxide)

- PF: 페놀 폼(phenolic foam)

- LCPF: 긴 원기둥형 페놀 폼(long cylindrical phenolic foam)

- PFn: 높이가 n(cm)인 PF - LCPFn: 높이가 n(cm)인 LCPF

- rGO/PF: PF의 상부 표면에 rGO 시트가 형성된 복합 구조체(부유형)

- rGO/LCPF: LCPF의 상부 표면에 rGO 시트가 형성된 복합 구조체(스탠딩형)

이하의 실시예에서 사용한 재료는 다음과 같다:

- PF 및 LCPF의 제조를 위한 페놀 폼을 Oasis Economy에서 구매하였다.

- 흑연 분말 및 염화나트륨(NaCl)을 Bay Carbon Inc. 및 삼전화학사에서 각각 구매하였다.

- 모든 화학물질을 추가 정제없이 사용하였다.

이하의 실시예에서 사용한 측정기기는 다음과 같다:

- 주사전자현미경(scanning electron microscopy, SEM): Hitach High-Technologies사의 S-4800

- 투과전자현미경(transmission electron microscopy, TEM): JEOL사의 JEM-2100

- 라만 분광법(Raman spectroscopy): WITec사의 alpha300R

- X선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS): Thermo Fisher사의 Kalpha

- 자외선-가시광선 분광법(UV-Vis spectroscopy): Agilent사의 Cary 5000

- 이온 크로마토그래피: 양이온-ICP 1600, 음이온-ICP 2100

이하의 실시예에서, 물의 증발에 따른 온도 및 질량 변화는 1 kW/㎡의 전력 밀도의 모의 태양 조명(Sol2A class ABA 94062A, 1000W 제논 램프, Newport사) 하에서 측정되었다.

또한, 열화상 카메라를 이용하여 상부 표면의 온도를 측정하고, 0.1 mg의 오차를 갖는 전자 미세 저울을 이용하여 매 1분 간격으로 증발에 의한 질량 변화를 측정하였다. 실험 제어를 위해, 1 cm 두께의 폴리스티렌을 외부 단열층으로 활용하였다(도 9의 (b) 참조).

실시예 1: 복합 구조체(rGO/LCPF)의 제조

펀치를 이용하여 페놀 폼을 다양한 높이(3 cm, 4 cm 및 5 cm)를 갖는 직경 2 cm의 원기둥 형태로 재단하여 긴 원기둥형 페놀 폼(LCPF)을 제작하였다.

휴머(Hummer)법에 의해 흑연 분말로부터 그래핀 산화물(GO)을 제조하였다. 그래핀 산화물을 1 중량% HCl로 세척하고 충분한 증류수로 여과하였다. 이후 그래핀 산화물을 용액의 pH가 중성이 될 때가지 증류수로 수 회 원심분리하고 동결 건조하였다.

200W 전력의 초음파 처리 후에, 히드라진 수화물 용액 및 암모니아 용액을 이용하여 95℃에서 3시간 동안 격렬히 교반하면서 화학적 환원반응을 수행하였다.

이후, 환원된 그래핀 산화물(rGO)이 분산된 수용액을 LCPF 상에 드롭 캐스팅(drop casting)하여 석출시킴으로써 환원된 그래핀 산화물(rGO) 시트(20 mg, 약 20 ㎛) 를 적층시켰다.

비교예 1: 복합 구조체(rGO/PF)의 제조

다양한 높이(1.5 cm, 2 cm 및 2.5 cm)를 갖는 직경 2 cm의 원기둥 형태로 페놀 폼(PF)을 제작하였다. 상기 PF 상에 상기 실시예 1과 동일한 방식으로 환원된 그래핀 산화물(rGO) 시트를 적층시켰다.

실험예 1: 부유형과 스탠딩형의 비교

도 1의 (a)에서, 실시예 1의 방식에 따라 LCPF(높이 5 cm)에 rGO가 증착된 스탠딩형의 복합 구조체를, 비교예 1의 방식에 따라 PF(높이 1.5 cm)에 rGO가 증착된 부유형의 복합 구조체와 비교하였다.

3 cm 깊이로 물이 담긴 비커에 1.5 cm 높이의 PF를 부유시킬 경우, 물에 담그자마자 수면 위로 약간 노출(약 2 mm가 외부에 노출)된 반면에, 3 cm 깊이의 물이 담긴 비커에 5 cm 높이의 LCPF를 세울 경우, 수면 위로 원기둥 상단 2 cm가 외부에 노출되었다.

이때 상기 부유형 페놀 폼은 상단 표면에 증착된 rGO(영역 I)만을 갖는 증기 발생기에 해당하고, 상기 스탠딩형 페놀 폼(LCPF)은 상단에 증착된 rGO(영역 I: 광열 증발 영역) 및 추가적으로 외부에 노출된 원기둥형 다공성 측면(영역 II: 조명 하에서도 비광열 증발 영역)의 2종의 노출 영역을 갖는 증기 발생기에 해당한다.

실제로, LCPF의 측면은 현저한 증기 발생 영역(2πrh, 여기서 h는 노출된 영역의 높이, r은 LCPF의 반경)을 제공하므로, 조명의 유무와 관계없이 많은 양의 물을 증발시킬 수 있다.

LCPF의 다공성 구조 및 친수성 표면에 의한 강한 모세관 힘은 증산 작용과 유사한 과정에 의해 손쉽게 물을 수송할 수 있게 한다.

도 1의 (b)에서 보듯이, 5 cm 높이의 LCPF를 3 cm 높이의 물이 담긴 비커에 가만히 세워둘 경우, LCPF의 상단 및 측면의 모든 표면으로 단 1분 만에 물이 수송되어 전체적으로 빠르게 적실 수 있었고, 해수가 LCPF에 완전히 흡수된 후에는 3 cm 깊이의 물이 1 cm 깊이가 되었다.

또한, 도 1의 (c)에서 보듯이, 상단에서 해수로의 열 수송이 완전히 차단되어, 스탠딩형 LCPF가 높은 단열재로 작용함을 확인할 수 있었다.

흡광체에서 해수로의 열 손실은, 흡광체와 해수 사이에 목재, 셀룰로오스 막, 폴리우레탄 폼 등의 단열재를 배치하여 감소시킬 수 있다. 그러나, 부유형 단열재는 해수에 상당 부분 침지되므로, 흡광체와 해수 간에 거의 근접하여 열 손실을 효과적으로 줄일 수 없다.

도 5은 부유형 재료(PF, 목재, 종이)를 물에 놓았을 때의 사진이다. 검은 화살표는 흡광체의 위치를 나타내고, 파란 화살표는 수면을 나타낸다. 부유된 재료들은 흡광체의 위치와 수면 위치 사이의 간격만큼 단열성을 발휘하나, 이 간격이 대략 2 mm로 매우 가까우므로 열 손실이 발생할 수 있다.

도 1의 (c)의 좌측 열화상 이미지에서 부유형 PF의 물에 잠긴 영역이 오렌지색으로 나타났으므로, 낮은 단열성을 명확히 확인할 수 있었다.

또한, 도 1의 (c)의 우측 열화상 이미지에서 스탠딩형 LCPF의 외부 노출 영역이 진한 파란색으로 나타났으므로, 흡광체와 해수 간의 이격으로 인한 단열 효과를 확인할 수 있었고, 이 영역에서 물이 흡열 증발됨을 알 수 있었다.

즉 증발 영역이 2D 평면에서 3D 원기둥으로 확장됨에 따라, 흡광체와 해수 간의 단열을 확보하고, LCPF의 측면에서 추가적인 증기 발생을 구현할 수 있었다.

실험예 2: 구조 분석

도 2의 (a)는 PF의 다공성 구조 이미지로서, 수백 미크론 크기의 기공 프레임 내에 수십 미크론 미만의 많은 기공들이 관찰되며, 이와 같은 3D 네트워크 통로를 통해 물이 쉽게 수송될 수 있다. 이러한 미크론 크기의 기공을 갖는 PF는 표면적이 매우 크므로, 수송된 해수가 증발하여 증기의 형태로 공기 중으로 방출될 수 있는 영역이 넓다.

도 2의 (b)는 다공성 PF 상의 rGO의 형상 이미지이다. rGO는 PF의 프레임 구조를 따라 잘 증착되었고, PF의 기공 구조를 유지하고 있었다.

도 6은 (a) rGO의 표면적 및 (b) 기공 크기 분포를 측정한 결과이다. 상기 rGO의 표면적 및 기공 크기 분포는 각각 BET(Brunauer-Emmett-Teller) 및 BJH(Barrett-Joyner-Hallender)법에 의해 측정되었다. 도 6을 통해 rGO가 많은 미세 기공으로 인해 약 90.6 ㎠/g의 표면적을 갖는 것을 알 수 있으며, 이들 기공은 공기-물 계면에서 증발을 활성화하여 증기를 생성해 외부로 배출하는 역할을 할 수 있다.

물 수송 재료 및 흡광체의 친수성은 효율적인 증기 발생에 중요하다. PF 및 rGO의 X-선 광전자 분광법(XPS)에 따른 광역 스펙트럼은 약 532 eV 및 약 285 eV에서 두 개의 다른 피크(뾰족한 O1s 및 C1s 피크)를 나타내며(도 2의 (c) 참조), 이로부터 재료의 관능기에 의한 친수성을 확인할 수 있다.

도 2의 (d) 및 (e)는 C1s의 피팅 곡선을 나타내고, 이는 4개의 카본 피크로 역필터링(deconvolution)된 것이며, 구체적으로 약 284.2 eV에서의 C-C(방향족) 피크, 약 285.7 eV에서의 C-O(하이드록실 및 에폭시), 및 약 288.5 eV에서의 O-C=O(카복실)을 나타낸다.

산소 함유기가 많은 비율을 차지하는 것은 친수성의 rGO 및 PF의 표면 특성이다. rGO 및 PF 상에 물방울을 떨어뜨릴 경우 즉시 사라져서 거의 0°의 접촉각을 나타내었고(도 2의 (d) 및 (e)의 삽입 이미지 참조), 이는 이들 표면의 친수성이 매우 높음을 의미하며 앞서의 XPS 결과와도 일치한다.

실험예 3: 증기 발생 평가

광열 증발을 통해 해수로부터 효과적으로 증기를 발생시키기 위해서는, 태양광 담수화 장치의 흡광체 소재의 태양광에 대한 흡광률과 광-열 에너지 전환율이 높아야 한다.

흡광 재료의 광학적 특성을 알아보기 위해, 광대역 태양광 스펙트럼(파장 300~2500 nm)에 대한 rGO 및 PF의 흡수 스펙트럼을 분광기로 측정하여 도 3의 (a)에 나타내었다.

PF가 가시광선과 근적외선 대역에서 69%의 평균 흡수율을 나타낸 반면, rGO 시트는 스펙트럼의 모든 파장 대역에서 약 90%에 달하는 높은 흡수율을 나타내었다.

태양광 담수화 성능을 평가하기 위해, 먼저 앞서 제조된 담수화 장치를 약 22℃ 및 20% 미만 습도 조건에 배치하여 증발에 의해 상부의 흡광체가 충분히 젖게 한 뒤, 이를 태양광 시뮬레이터(AM 1.5, 1000 W 제논 램프, Newport사)에 배치하였다. 해수의 수심은 3 cm로 조절하였다.

태양광 조도 하에 1시간 노출한 뒤, 담수화 장치를 상단 온도를 측정하여 도 3의 (b)에 나타내었다. rGO/PF 샘플에서 가장 높은 온도(22℃에서 41.9℃까지)가 측정되었으며, 이는 rGO의 높은 흡광률과 부유형 PF 상단에 열이 모이는 특성이 복합된 것으로 추측된다. rGO/LCPF의 경우 rGO/PF에 비해서는 약간 낮은 열 상승(22℃에서 37.6℃까지)을 나타내었다.

rGO/LCPF의 낮은 열 상승은 LCPF의 측면에서 발생하는 흡열성 증발에 의한 것으로 풀이된다. 다만, LCPF 기반의 구조체(rGO/LCPF 및 LCPF)가 PF 기반 구조체(rGO/PF 및 PF)에 비해 최초 5분 동안은 높은 열 상승을 나타내었고, 이 시간 동안에는 LCPF 측면의 흡열성 증발에 의한 냉각 효과에 비해 상단의 열 응집 효과가 더욱 컸던 것으로 보인다. 그러나, 5분 이후에는, 계속적인 측면 증발로 인한 냉각 효과로, LCPF의 상단의 온도가 점차 감소하였다.

rGO가 형성되지 않은 PF 및 LCPF의 상단의 온도는 34.5℃ 및 30.7℃까지 증가하였고, 이와 같은 경향은 rGO가 형성된 PF 및 LCPF의 경우와 동일하였으며, 이는 PF의 흡광률이 도 3의 (a)에서 보듯이 약 69%로 비교적 높기 때문이다. 반면 단순히 물만 존재할 경우에 광열 전환이 개입되지 않으므로 온도가 26.8℃로 계속 유지되었다.

도 3의 (c)는 부유형 PF(1.5 cm 두께) 및 스탠딩형 LCPF(5 cm 두께)에 rGO를 형성하거나 형성하지 않은 채로 태양광 조도에 1시간 노출한 뒤 표면의 온도를 비교한 열화상 이미지이다. rGO/PF 복합 구조체가 가장 높은 온도를 나타내었으며, 광흡수체를 형성하지 않은 LCPF 구조체가 가장 낮은 온도를 나타내었다.

도 3의 (d)는 PF 또는 LCPF 상에 20 mg의 rGO를 증착하고 태양광 조도 하에 놓았을 때 증기 발생에 따른 질량 변화를 나타낸 것이다. rGO 표면에 입사하는 광의 강도는 1 kW/㎡로 조절되었다.

rGO/LCPF를 이용했을 경우 약 2.38 kg/㎡·h의 질량 변화율을 나타내었으며, 이는 염수의 자연 증발에 따른 질량 변화율(약 0.37 kg/㎡·h)에 비해 6.43배에 달하는 것이다. 또한 이는 이론적인 최대 질량 변화율의 약 1.53배에 해당하기도 하며, 이와 같은 향상은 태양광이 열에너지로 전환됨으로써 달성된 것이다. rGO/LCPF의 증기 발생 성능은 rGO/PF에 비해 훨씬 우수하였는데, 이는 LCPF의 측면의 넓은 증발 영역에 기인한 것이다.

일반적으로, 온도가 높아질수록 광열 증발 효과가 증대될 수 있다. 그러나, rGO/PF 및 rGO/LCPF에 대한 도 3의 (b)에서의 온도 변화(단 최초 5분 제외)와 도 3의 (d)에서의 광열 증기 발생률을 보면, 이와 같은 일반적인 경향이 나타나지 않았다.

이는 상부 표면에서 전환된 열이 해수로 버려지는 대신, LCPF의 다공성 측면을 통한 흡열 증발에 활용되었기 때문이다. 이에 따라, 측면에서 비광열 증발이 일어나는 과정에서 상부 표면의 온도가 약간 감소하더라도, 전체적인 물 증발량은 증가할 수 있다.

또한, rGO/LCPF는 상단과 해수면 사이의 간격(2 cm)가 rGO/PF 경우의 간격(2 mm)에 비해 훨씬 커서, 보다 높은 단열성을 발휘할 수 있었다.

또한 앞서 알아본 바와 같이, LCPF 기반의 구조체는 주위에 잔류하는 열을 활용함으로써, 밤 시간이나 흐린 날과 같이 조명이 거의 없는 조건에서도 증기를 발생시킬 수 있다(도 11의 (a) 참조).

태양광이 없는 조건에서 LCPF의 측면을 통한 증발률을 알아보기 위해, 서로 다른 높이의 LCPF에 rGO를 형성한 뒤 암 조건에서 질량 변화를 측정하여, 도 3의 (e)에 나타내었다.

모세관 힘에 의한 증발을 고려할 때, 수심 3 cm의 해수에서 PF의 최대 높이가 5.8cm로 예상되므로, 본 실시예에서는 rGO/LCPF의 높이를 약 5 cm까지 설계하였다.

도 9의 (a)는 다양한 높이의 LCPF를 수심 3 cm 해수에 넣었을 때의 사진이다. 도 9의 (a)에서 보듯이, 수심 3 cm 해수에 1.5 cm 높이의 PF를 부유시킨 결과, 측면이 2 mm 노출되고 나머지 1.3 cm는 수면 아래 가라앉았다. 또한 3 cm 해수에 3 cm, 4 cm, 5 cm 높이의 rGO/LCPF(각각 rGO/LCPF3, rGO/LCPF4, rGO/LCPF5로 표기)를 세운 결과, 해수 위로 각각 측면이 0 cm, 1 cm, 2 cm 노출되었다.

LCPF의 높이가 증가함에 따라, 측면의 면적이 증가하여 비광열 증기 발생 성능도 향상되었으며, rGO/LCPF의 경우 0.57 kg/㎡·h, rGO/LCPF5의 경우 1.02 kg/㎡·h에 달하였다. 이로부터 측면의 증발 영역을 확장하는 간단한 방식에 의해, 비광열 증발 성능을 현저히 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.

태양광 조도 하에서의 질량 변화율이 2.38 kg/㎡·h임을 고려할 때, rGO/LCPF5이 밤 시간에 발생하는 증기량이 낮 시간의 약 43%임을 알 수 있다.

도 3의 (f)는 다양한 높이의 rGO/PF에 대해 태양광 조도에 1시간 노출시킨 뒤, 이의 측면을 관찰한 열화상 이미지이다.

이를 볼 때, 수면 위로 노출된 측면의 면적이 증가할수록 조명 하에서 높은 단열성을 나타냄을 확인할 수 있다. 구체적으로, 측면의 온도는 rGO/LCPF5 < rGO/LCPF4 < rGO/PF < rGO/LCPF3 순으로 측정되었다.

이와 같은 결과는 암 조건에서의 질량 변화와도 일치하며, 즉 비광열 증발이 실제로 단열성을 향상시킬 뿐만 아니라 광 조건 하에서의 물 증발에 의한 질량 변화도 증가시킴을 의미한다.

실험예 4: 담수화 성능 평가

높은 흡광률을 갖는 rGO 시트와 낮은 열전도도로 인해 열 손실이 최소화된 LCPF가 복합된 구조체(rGO/LCPF)는, 태양광 증기 발생에 유용하게 활용될 수 있다.

태양광 조도(1 kW/㎡) 하에서의 LCPF의 증기 발생 성능을 평가하기 위해, 3.5% 염수의 질량 변화, 장시간 내구성, 사이클 안정성, 담수화 이후의 염도 변화를 측정하여, 그 결과를 도 4에 나타내었다. LCPF 기반의 구조체들은 외부 노출 면적이 증가할수록 질량 변화가 커졌으며, rGO/LCPF5의 경우에 최대 2.38 kg/㎡·h에 달하였다.

rGO/PF의 질량 변화는 rGO/LCPF3에 비해서는 더 컸는데, 이는 rGO/PF의 경우 비광열 증발이 가능한 측면이 2 mm 노출된 반면에, rGO/LCPF3는 수심 3 cm의 염수에 세워져 모든 측면이 수면 아래로 잠겼기 때문이다.

광-증기 전환 효율(η)은 아래 식으로 계산되었다.

(

)

상기 식에서, A는 조명의 단면적(㎡)이고, C_opt는 광학 농도이며, Q_s는 광조사 강도(1 kW/㎡)이고, m은 광열 변환 에너지에 의한 물의 증발률(kg/㎡·h)이고, λ는 물의 증기로의 상변화 시의 잠열(2255.2 J/g)이며, C는 물의 비열용량(4.2 J/g·K)이고, △T는 생성된 증기의 온도 증가분(K)이다.

상기 식에 따라 계산한 결과, 1 kW/㎡의 광 조건에서 염수와 rGO/LCPF5의 광-증기 전환 효율(η)은 각각 8.85% 및 86.2%로 현저한 차이를 나타내었다. 또한 LCPF의 측면의 증기량은 LCPF의 측면에 노출된 높이에 비례하는 것으로 확인되었다.

LCPF를 이용하여 실제로 담수화를 수행할 때 내구성이 매우 중요하다. 기존의 담수화 장치들은 흡광체의 부식, 폐색 등의 많은 문제가 있었다. 그러나 상기 실시예에 따른 LCPF는 해수와 흡광체 간에 일정 간격 떨어져 있어서 부식을 방지할 수 있다.

또한 페놀 폼의 기공이 수 미크론 이상이기 때문에 태양광 조도에서 6시간 작동시켜도 유로가 막히지 않고, 도 4의 (b)에서 보듯이 높은 증기 발생률을 유지할 수 있다.

도 4의 (c)는 태양광 조도 하에서 rGO/LCPF5의 사이클 특성(1시간씩 20 사이클)을 평가한 결과이다. 증발률이 약 2.24 kg/㎡·h로 높게 유지되었으며, 이는 rGO/LCPF가 높은 성능으로 재활용될 수 있음을 의미한다.

담수화 성능을 좀 더 구체적으로 확인하기 위해, rGO/LCPF에 의해 발생한 증기와 해수 간에 염도 변화를, ICP-MS(inductively coupled plasma mass-spectroscopy) 장비에 의해 측정하여 도 4의 (d)에 나타내었다. rGO/LCPF에 의해 발생한 증기 내의 나트륨 및 염소 이온의 농도는, 해수 내의 농도와 비교하여 현저히 감소하였다.

담수화를 통해 얻은 증기의 염도는, WHO(World Health Organization) 및 EPA(US Environmental Protection Agency) 표준에 따른 먹는 물의 안전 기준이 되는 염도보다도 낮았다.

이상 실험예를 통해, 본 발명의 실시예에 따른 LCPF는 3D 다공성 표면에 의해 기존의 태양광 증기 발생의 최대량을 초과(153%)하는 약 2.38 kg/㎡·h의 높은 증기 발생율을 달성하였음을 알 수 있었다. 이는, 태양 아래에서 일차적으로 발생하는 LCPF 상부의 광열 증발(1.36 kg/㎡·h)에 더하여, LCPF의 측면에서도 밤낮으로 비광열 작용에 의한 증기 발생율이 1.02 kg/㎡·h에 달하였기 때문이다.

또한, LCPF 폼의 측면이 노출됨으로써 흡광체와 해수면 사이에 큰 간극을 제공하고, 흡열성인 비광열 증발 영역을 제공하며, 해수로의 열 손실이 최소화될 수 있었다. 또한 상기 실시예에 따른 LCPF에 좀 더 효과적인 흡광재료를 적용할 경우, 광열 증발 성능을 보다 향상시킬 수 있을 것으로 예상된다. 따라서, 상기 실시예에 따른 3D 증기 발생 장치는 전세계적으로 심각한 물 부족 문제를 해결할 수 있을 것으로 기대된다.

Claims (14)

1. 표면 및 내부에 서로 연결된 다수의 기공을 갖는 기둥 형상의 지지체; 및
   상기 지지체의 하나의 밑면 상에 형성된 흡광체층을 포함하는, 복합 구조체.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 지지체가 밑면의 직경보다 높이가 더 긴 기둥 형상을 갖는, 복합 구조체.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 복합 구조체가, 복합 구조체의 높이보다 낮은 수심의 해수에 상기 흡광체층이 형성된 밑면이 위로 향하도록 세워져, 태양광을 이용한 해수의 담수화에 사용되는, 복합 구조체.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 복합 구조체가 상기 해수의 수심보다 1 cm 이상 높은 높이를 갖는, 복합 구조체.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 지지체가 물에 대한 10°이하의 접촉각 및 0.1 W/m·K 이하의 열전도율을 갖는, 복합 구조체.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 지지체가 다공성 페놀 폼을 포함하는, 복합 구조체.
   
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 흡광체층이 파장 250~2500 nm의 모든 대역에서 85% 이상의 흡광율을 갖는, 복합 구조체.
   
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 흡광체층이 환원된 그래핀 산화물을 포함하는, 복합 구조체.
   
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 흡광체층이 10 ㎛ 내지 100 ㎛ 범위의 두께를 갖는, 복합 구조체.
   
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 복합 구조체가
    1 kW/㎡ 세기의 광 조건에서 2.0 kg/㎡·h 이상의 물 증발률을 나타내고,
    암 조건에서 0.5 kg/㎡·h 이상의 물 증발률을 나타내는, 복합 구조체.
    
11. 제 1 항에 있어서,
    상기 지지체가 다공성 페놀 폼이고,
    상기 흡광체층이 환원된 그래핀 산화물을 포함하며,
    상기 복합 구조체가, 상기 흡광체층이 형성된 밑면이 위를 향하면서 수면 위로 1 cm 이상 노출되도록 해수에 세워져, 태양광을 이용한 해수의 담수화에 사용되는, 복합 구조체.
    
12. 제 1 항에 있어서,
    상기 복합 구조체가 하기 수학식 1로 계산되는 광-증기 전환 효율(η)에서 80% 이상을 나타내는, 복합 구조체:
    [수학식 1]
    

    

    
    상기 수학식 1에서, A는 조명의 단면적(㎡)이고, C_opt는 광학 농도이며, Q_s는 광조사 강도(1 kW/㎡)이고, Q_e는 하기 수학식 2로 계산되며,
    [수학식 2]
    

    

    
    상기 수학식 2에서, m은 광열 변환 에너지에 의한 물의 증발률(kg/㎡·h)이고, λ는 물의 증기로의 상변화 시의 잠열(2255.2 J/g)이며, C는 물의 비열용량(4.2 J/g·K)이고, △T는 생성된 증기의 온도 증가분(K)이다.
    
13. 제 1 항의 복합 구조체를 포함하는 담수화 장치.
    
14. 제 1 항의 복합 구조체를, 흡광체층이 형성된 밑면이 위로 향하면서 수면 위로 1 cm 이상 노출되도록, 해수에 세워 놓는 것을 포함하는, 담수화 방법.

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