해외신기술
CO2 흡수해 에너지 생성 폐수처리 공정 개발
미 콜로라도대학 연구진, 탄소-음성 공정 통해 온실가스 적극 포획
전기화학적 반응 이용해 환경친화적인 방식으로 폐수 정화 가능
에너지와 탄소 중성 폐수처리는 환경의 지속가능성을 위한 중요한 목표이지만, 현재의 공정은 적극적인 이산화탄소(CO2) 포획과 이용을 위해 폐수의 이용보다 CO2 배출을 억제하는 데 중점을 두고 있다. 도시 및 산업폐기물의 정화와 관련해 미국 콜로라도대학 볼더캠퍼스(University of Colorado Boulder) 소속 연구진은 혁신적인 폐수처리 공정을 개발했다. 이 공정은 CO2 배출을 완화시킬 뿐 아니라, 온실가스를 적극적으로 포획할 수 있다.
MECC(Microbial Electrolytic Carbon Capture)라고 알려진 처리방법은 CO2를 배출하는 대신 흡수하는 전기화학적 반응을 이용해 환경친화적인 방식으로 폐수를 정화하고 공정에서 재생에너지를 생산한다. 연구진이 제시한 새로운 MECC 접근은 폐수처리장을 탄소 음성 및 에너지 양성의 공정으로 전환시킬 수 있는 가능성이 있다. 양극에서 양성자(proton)와 음극에서 H2와 OH-의 전해질 생산(electrolytic production)을 미생물학적으로 지원하기 위하여 폐수는 전해질로 사용됐다.
이러한 에너지-양성, 탄소-음성 등의 방법은 배기가스 배출이 심한 다수의 산업에 많은 이윤을 발생시킬 가능성이 있다고 도시·환경 및 건축공학과(Civil, Environmental, and Architectural Engineering) 조교수이자 새로운 연구의 선임 저자인 Zhiyong Jason Ren은 밝혔다. 관련 연구는 『Environmental Science and Technology』에 발표됐으며, 논문의 제목은 「탄소-음성 및 에너지-양성 폐수처리를 위한 MECC (Microbial Electrolytic Carbon Capture for Carbon Negative and Energy Positive Wastewater Treatment)」이다.
폐수처리는 두 가지 경로로 CO2를 생성한다. 전형적으로 기계에 동력을 공급하기 위해 화석 연료를 연소시키는 경로와 폐수 자체 내에 함유되어 있는 유기물을 분해하는 경로이다. 이 밖에 기존 폐수처리기술은 많은 양의 에너지를 소비하는 것으로 조사됐다. 미국 공동시설은 매년 12조 갤런에 이르는 도시폐수를 처리하는 것으로 추산되며, 미국 전체 그리드 에너지의 약 3%를 소비하는 것으로 추정된다.
기존 탄소 포획기술은 에너지 집약적이며, 종종 높은 수송비용과 저장 공정이 수반된다. MECC는 물과 공기 모두로부터 CO2를 흡수하도록 고안된 전기화학적 반응을 촉진하기 위해 염류폐수(saline wastewater)의 자연적인 생성을 이용한다. 공정은 CO2를 건축산업에서 원료로 사용하거나, 폐수처리 순환 자체에서 화학적 완충제로 사용 및 해양에서와 마찬가지로 공정으로부터 산도 하류(acidity downstream)와 대응하는데 사용될 수 있는 안정적인 중탄산염(bicarbonate)과 탄산염 광물(mineral carbonates)로 전환한다.
용해된 규산염(dissolved silicate)과 OH-로 균형을 이루는 해리된 금속 이온은 금속 수산화물(metal hydroxide)을 생성하고 현장에서 CO2는 중탄산염으로 전환된다. 인위적 폐수와 산업용 폐수 모두를 이용한 결과는 CO2의 80∼93%가 유기 산화로부터 유래한 CO2와 부가적으로 투입된 CO2로부터 회수됐다는 것을 보여 주었으며, 따라서 이러한 공정은 탄소-음성이다.
H2의 높은 속도와 수율은 91∼95%의 회수 효율(recovery efficiency)로부터 달성됐으며, 순 에너지 회수율(net energy gain)은 57-62kJ/mol-이산화탄소 포획으로 나타났다. pH는 완충 추가 없이 안정된 상태로 남았으며, 독성의 염소를 함유하는 화합물은 검출되지 않았다. 생성된 중탄산염의 알칼리도(alkalinity)는 폐수처리에 유용하고, 해양에 장기적인 탄소 저장이 가능하다. 예비 평가는 다른 산업에 대해 유망한 경제적 이득과 환경 이득을 초래할 것이라는 것을 보여 주었다.
연구의 공동 저자이며, 캘리포니아대학 산타크루즈캠퍼스(University of California Santa Cruz) 산하 해양과학연구소(Institute of Marine Sciences) 소속의 선임연구원인 Greg Rau는 “이러한 처리 시스템은 전기화학적 수단을 통하여 알칼리도를 생성하고, 우리는 해양 산성화의 효과를 상쇄시키는 데 이러한 폐수처리 공정을 사용할 수 있는 가능성이 있다”며, “이는 몇 가지 환경친화적인 기술 중 하나”라고 덧붙였다.
[출처 = KISTI 미리안(http://mirian.kisti.re.kr) 『최신 모니터링정보』 2015년 8월 10일 / 원문출처 = http://www.nanowerk.com/news2/green/newsid=40960.php]
[『워터저널』 2015년 9월호에 게재]