셀 리포트 피지컬 사이어스(Cell Reports Physical Science)에 발표된 논문에서 연구원들은 산화환원 흐름 담수화(RFD) 시스템의 염 제거율을 약 20% 높이는 동시에 유체 흐름 속도를 최적화하여 에너지 수요를 낮췄다.

RFD는 다양한 이점을 제공한다. 이러한 시스템은 에너지 저장에 대한 확장 가능하고 유연한 접근 방식을 제공하여 태양광 및 풍력과 같은 간헐적인 재생 에너지원을 효율적으로 활용할 수 있도록 한다. RFD는 또한 글로벌 물 위기에 대한 완전히 새로운 솔루션을 약속한다.

"에너지 저장과 담수화를 완벽하게 통합함으로써 우리의 비전은 증가하는 담수 수요를 충족할 뿐만 아니라 환경 보존과 재생 에너지 통합을 옹호하는 지속 가능하고 효율적인 솔루션을 만드는 것이다."라고 뉴욕 대학교 탄돈 공과대학의 화학 및 생체분자 공학 교수이자 DC-MUSE(지속 가능한 전기화를 이용한 탈탄소화 화학 제조) 이사인 안드레 테일러(André Taylor)는 말한다.

RFD는 기존 전력망에 대한 의존도를 줄이고 탄소 중립적이고 친환경적인 담수화 공정으로의 전환을 촉진할 수 있다. 또한, 레독스 흐름 배터리와 담수화 기술의 통합으로 시스템 효율성과 신뢰성이 향상된다.

풍부한 기간 동안 초과 에너지를 저장하고 피크 수요 동안 이를 방전하는 산화환원 흐름 배터리의 고유한 능력은 담수화 공정의 변동하는 에너지 요구 사항과 완벽하게 일치한다.

A/A*가 포함된 단일 통과 모드의 4채널 RFD에 대한 도식으로, 전도성 염 용액에 용해된 산화환원종의 전기화학 반응과 양이온 교환막(CEM) 및 음이온 교환막(AEM)으로 분리된 채널을 나타낸다. (제공: NYU)

시스템의 복잡함은 유입되는 해수를 두 개의 하천, 즉 염류화 흐름(위 이미지, CH 2)과 담수화 흐름(위 이미지, CH 3)으로 나누는 것과 관련된다. 두 개의 추가 채널에는 전해질과 산화환원 분자가 들어 있다(위 이미지, A). 이러한 채널은 양이온 교환막(CEM) 또는 음이온 교환막(AEM)에 의해 효과적으로 분리된다.

CH 4에서는 음극에서 산화환원 분자로 전자가 공급되어 CH 3에서 확산되는 Na+를 추출한다. 그런 다음 산화환원 분자와 Na+는 CH 4로 이동하고, 여기서 산화환원 분자에서 전자가 양극으로 공급되고 Na+는 CH 2로 확산되도록 허용된다. 이 전체 전위 하에서 Cl- 이온은 CH 3에서 AEM을 통해 CH 2로 이동하여 농축된 염수 흐름을 형성한다. 결과적으로 CH 3는 담수 흐름을 생성한다.

"우리는 시스템을 단일 패스 또는 배치 모드로 작동함으로써 식수를 생산하기 위해 들어오는 해수 체류 시간을 제어할 수 있다."라고 화학 및 생체분자 공학 분야의 탄돈 박사 과정 제1저자인 스티븐 아크웨이 맥클린(Stephen Akwei Maclean)이 말했다.

소금물과 담수가 혼합되는 역운전에서는 저장된 화학 에너지를 재생 가능한 전기로 변환할 수 있다. 본질적으로 RFD 시스템은 태양광 및 풍력 에너지원에서 저장된 잉여 에너지를 포착하는 독특한 형태의 "배터리" 역할을 할 수 있다.

이렇게 저장된 에너지는 필요에 따라 방출될 수 있으며 필요할 때 다른 전력원에 다양하고 지속 가능한 보충을 제공한다. RFD 시스템의 이중 기능은 담수화뿐 아니라 재생 에너지 솔루션에 대한 혁신적인 기여자로서의 잠재력을 보여준다.

추가 연구가 필요하지만 이번 연구 결과는 더욱 비용 효과적인 RFD 프로세스를 향한 유망한 길을 제시한다. 이는 식수 증가를 위한 전 세계적 탐구에서 중요한 발전이다.

기후 변화와 인구 증가가 심화됨에 따라 더 많은 지역에서 물 부족 문제를 겪고 있으며 혁신적이고 효율적인 담수화 방법의 중요성이 강조되고 있다.

NYU와 중국 상하이 교통대학교의 추가 연구원들이 이 작업에 기여했다.

출처: 뉴욕대학교