[미국] 톨레도대, 수압파쇄 폐수서 다양한 환경오염물질 발견

석유·천연가스 시추시 파쇄과정서 나오는 우물에서 266종의 유기화합물 등 발견

지온프리도 연구팀, 자체 개발한 박막 · 고체상 미세추출 접근법 사용

수압 파쇄(fracking)를 이용해 석유와 천연가스를 시추하는 업체들은 파쇄 과정에서 우물에서 나오는 폐수를 재활용해 재사용하는 방안을 검토하면서, 톨레도대학교(University of Toledo)의 화학자들은 새롭고 탐사되지 않은 폐기물에 유기화학물질과 금속원소 등 환경오염물질이 다수 포함되어 있다는 것을 발견했다.

미국 오하이오주에 소재한 톨레도대학교(University of Toledo)의 물 화학 및 환경 분석(Water Chemistry and Environmental Analysis) 박사의 연구 과학자들은 텍사스 알링턴 대학교(University of Texas Arlington)와 공동으로 텍사스에서 추출된 생산된 물 샘플의 화학 성분을 포괄적으로 특성화하여 처리되지 않은 샘플에 독성 및 발암성 오염물질이 존재 함을 밝혀냈다. 이 물질은 야생동물과 인간의 건강에 위협이 될 수 있다.

 

톨레도대학교(University of Toledo)의 에마누엘라 기온프리도 박사(왼쪽) 등 화학자들은 새롭고 탐사되지 않은 폐기물에 유기화학물질과 금속원소 등 환경오염물질이 다수 포함되어 있다는 것을 발견했다. [사진출처(photo source) = 톨레도대학교(University of Toledo)]

 

특수 추출 방법론으로 생산된 물의 복잡한 구성을 밝혀낸 이번 연구는 『환경과학기술(Environmental Science and Technology)』에 게재되었는데, 그 결과는 식수원을 보호하기 위해 폐수의를 수압 파쇄(fracking)하는  안전한 처리 및 처리와 관련된 제안된 지침을 규제기관이 미세 조정하는 데 도움이 되는 중요한 정보를 제공한다.

톨레도대학교(University of Toledo)의 화학 및 생화학부 분석화학 조교수인 에마누엘라 지온프리도(Emanuela Gionfriddo) 박사는 “생산된 물에서 이러한 화학물질이 발견됐다는 것은 세계보건기구(WHO)가 이들 화학물질이 인간의 건강에 위험하다고 보고하고 있기 때문에 더 많은 모니터링과 치료 노력이 필요하다는 것을 시사한다"고 말했다.

지온프리도 박사는 이어 “우리의 포괄적인 특성은 유압파쇄 과정에서 일어나는 과정과 각 유정 지형의 형성에 대한 통찰력을 제공한다”라고 덧붙였다.

시추작업(Drilling operation)은 종종 시추과정을 돕기 위해 공개적으로 알려지지 않은 다양한 첨가물이 포함된 처리된 물을 지하에 주입함으로써 수행된다. 주입된 물은 지하수와 혼합된 후 시추 장소와 사용된 첨가물을 포함하는 폐기물 부산물로 다시 나타난다.

화학자들은 2020년 지온프리도(Gionfriddo) 연구팀이 개발한 박막(thin-film), ‘고체상 미세추출(solid-phase microextraction)’이라는 접근법을 사용해 텍사스의 퍼미안 분지(Permian Basin)와 이글포드 층(Eagle Ford formation)에서 생산된 8개의 물 샘플에서 유기용해를 추출했다.

분석 결과 △아트라진(atrazine)이라는 농약, △눈과 호흡기를 자극하는 유기화합물인 1,4-다이옥산(1,4-dioxane), △간을 손상시킬 우려가 있는 피리딘(pyridine), △피부·폐·방광·간·스토마 등과 연계된 다환 방향족탄화수소(PAHs ; polycyclic aromatic hydrocarbons) 등 총 266종의 용해된 유기화합물이 발견됐다.

연구팀은 2021년 톨레도대학교에서 개발한 새로운 고분자를 이용해 희토류 원소(rare earth elements), 셀레늄(selenium ; Se), 크롬(chromium ; Cr), 카드뮴(cadmium ; Cd), 납(lead Pb), 우라늄(uranium ; U) 등 유해금속 등 29개 원소의 존재도 확인했다.

연구원들은 또한 생산된 물에 대한 포괄적인 분석에 사용되는 기술이 석유와 가스 생산자들에 의한 적절한 재사용이나 폐기에 필수적이라고 제안했다.

톨레도대학교(University of Toledo)의 화학 및 생화학과 학장인 존 키르히호프 박사는 “우리는 고해상도 질량 분석법을 포함하는 더 비싼 작업흐름에 비해 복잡한 샘플의 분석에서 더 접근하기 쉬운 도구를 사용하는 방법을 발견했다”라고 말했다.

[원문보기]

Chemists Discover Range of Environmental Contaminants in Fracking Wastewater

As companies that drill for oil and natural gas using hydraulic fracturing consider recycling and reusing wastewater that surfaces from wells during the fracking process, chemists at The University of Toledo discovered that the new and unexplored waste contains many environmental contaminants including organic chemicals and metallic elements.

Research scientists at UToledo’s Dr. Nina McClelland Laboratory for Water Chemistry and Environmental Analysis in collaboration with the University of Texas Arlington achieved a comprehensive characterization of the chemical composition of produced water samples extracted in Texas, indicating the presence of toxic and carcinogenic contaminants in untreated samples, which can pose a threat to wildlife and human health.

Unraveling the complex composition of produced water by specialized extraction methodologies, the results published in Environmental Science and Technology provide critical information that can help regulatory agencies fine-tune proposed guidelines related to the safe treatment and disposal of fracking wastewater to protect drinking water sources.

“The discovery of these chemicals in produced water suggests that greater monitoring and remediation efforts are needed since many of them are listed to be dangerous for human health by the World Health Organization,” said Dr. Emanuela Gionfriddo, assistant professor of analytical chemistry in the UToledo Department of Chemistry and Biochemistry, and the School of Green Chemistry and Engineering. 

“Our comprehensive characterization sheds insight into the processes taking place during hydraulic fracturing and the nature of the geologic formation of each well site.”

Drilling operations are often performed by injecting treated water into the subsurface that contains various publicly undisclosed additives to assist in the drilling process. The injected water mixes with groundwater and then resurfaces as waste byproduct containing contaminants both from the drilling site and the additives used.

The chemists used an approach developed by Gionfriddo’s research team in 2020 called thin-film, solid-phase microextraction to extract organic solubles from eight produced water samples from the Permian Basin and Eagle Ford formation in Texas.

Analysis found a total of 266 different dissolved organic compounds, including a pesticide called atrazine; 1,4-dioxane, an organic compound that is irritating to the eyes and respiratory tract; pyridine, a chemical that may damage the liver; and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), which have been linked to skin, lung, bladder, liver and stomach cancers.

Using a new polymer developed in 2021 at UToledo, the team also confirmed the presence of 29 elements, including rare earth elements, selenium and hazardous metals such as chromium, cadmium, lead and uranium.

The researchers also suggest the technology used for their comprehensive analysis of produced water is essential for proper reuse or disposal by oil and gas producers.

“We found a way to use more accessible instrumentation in the analysis of such complex samples compared to more expensive workflows involving high-resolution mass spectrometry,” said Dr. Jon Kirchhoff, Distinguished University Professor and chair of the UToledo Department of Chemistry and Biochemistry.

[출처=톨레도대학교(Chemists Discover Range of Environmental Contaminants in Fracking Wastewater | UToledo News) / 2022년 2월 18일자 보도자료]