[미국] 펜실바니아대, "농수산물 바이오숯이 하·폐수 오염물질 흡착 가능"

주로 농업 폐기물로 만든 숯과 같은 물질인 바이오숯(Biochar)은 처리된 하·폐수에서 의약품과 같은 새로운 오염물질을 제거할 수 있는 가능성을 가지고 있다.

이것이 면진(cotton gin) 폐기물과 과율 바게스(guayule bagasse)라는 두 가지 흔한 잔류 농자재에서 추출한 바이오숯(biochar)를 수용액에서 세 가지 일반 의약품 화합물을 흡착하는 데 평가하고 비교하는 새로운 연구를 수행한 펜실베이니아 주립대학교(Pennsylvania State University) 연구팀의 결론이다.

흡착에서 한 물질은, 제약 화합물처럼 고체 바이오숯(biochar) 입자와 같은, 다른 물질의 표면에 달라붙는다. 반대로 흡수 시 한 물질은 내부적으로 다른 물질로 흡수된다. 예를 들어 스펀지는 물을 흡수한다.

건조한 남서쪽에서 자라는 관목인 과율(Guayule)은 연구에서 실험한 바이오숯(Biochar) 중 한 마리에게 폐기물을 제공했다. 파르테늄 아르젠타툼(Parthenium argentatum)이라고 더 적절하게 불리며, 그것은 고무(rubber)와 라텍스(latex)의 원천으로 재배되었다.

그 식물은 땅으로 잘라서 가지를 으깨어 라텍스를 추출한다. 줄기를 으깨어 라텍스를 추출한 후에도 남아 있는 건조하고 맥이 빠르며 섬유질 잔류물을 바가세(bagasse)라고 한다.

펜실베이니아 주립대학교(Pennsylvania State University) 농생명공학과 허셜 엘리엇(Herschel Elliott) 교수에 따르면, 그 결과는 농생명공학이 풍부한 폐기물로 만든 바이오숯(그렇지 않으면 폐기해야 하는 것)가 저비용의 환원처리로 작용한다는 가능성을 입증하기 때문에 중요하다. 관개를 위해 사용되는 처리된 하·폐수 오염물질에 담근다.

허셜 엘리엇(Herschel Elliott) 교수는 이어 "현재 대부분의 하·폐수처리장은 의약품 등 신흥 오염물질을 제거할 수 있는 시설이 갖춰져 있지 않고, 바이오숯(Biochar)으로 유독성 화합물을 제거할 수 있다면 관개시설에서 폐수를 재활용할 수 있다"라면서 "그 유익한 재사용은 물의 부족이 농작물 생산을 방해하는 미국 남서부와 같은 지역에서 매우 중요하다"라고 말했다.

바이오숯(biochar)이 수용액에서 흡착하는지 여부를 테스트하기 위해 연구에 사용된 약물 화합물은 다음과 같다. 술파피리딘(sulfapyridine), 더 이상 인간의 감염 치료를 위해 처방되지 않고 수의학에서 일반적으로 사용되는 항균 약물; 완하제 및 대변 연화제로 의약품에 널리 사용되는 도쿠세이트(docusate); 감염 및 여드름 치료에 사용되는 항생제인 에리트로마이신(erythromycin) 등이다.

11월 16일 바이오숯(biochar)에서 발표된 이 결과는 농업용 폐자재로 만든 바이오숯(biochar)들이 관개 전에 재활용된 물에서 의약품들을 제거하는 효과적인 흡착제 역할을 할 수 있을 것으로 시사했다. 그러나 면진(cotton gin) 폐기물에서 파생된 바이오숯(biochar)는 훨씬 효율적이었다.

이번 연구에서는 도쿠세이트(docusate) 98%, 에리트로마이신(erythromycin) 74%, 술파피리딘(sulfapyridine) 70%를 수용액에 흡착했다. 이에 비해 과율 바게스(guayule bagasse)에서 추출한 바이오숯(biochar)는 도쿠세이트(docusate)의 50%, 에리트로마이신(erythromycin)의 50%, 술파피리딘(sulfapyridine)의 5%만 흡착했다.

연구결과, 농폐물을 바이오숯(biochar)로 전환하는 데 사용되는 무산소 열분해 공정에서 화씨(F) 약 650도에서 약 1,300도로 온도가 상승하여 제약화합물을 흡착할 수 있는 용량이 크게 향상된 것으로 나타났다.

펜실베이니아 주립대학교(Pennsylvania State University) 농생명공학과 박사과정인 말렌 은둔(Marlene Ndoun) 연구원은 "이 연구에서 가장 혁신적인 부분은 과율 바게스(guayule bagasse)의 사용이었다"고 말했다.

면진(cotton gin) 폐기물도 마찬가지 - 다른 오염물질을 제거할 수 있는 잠재적 방법에 대한 연구가 이루어졌지만, 특히 면진(cotton gin) 폐기물을 물에서 약품을 제거하기 위해 사용한 연구는 이번이 처음이다.

말렌 은둔(Marlene Ndoun) 연구원에게 있어서, 그 연구는 이론 이상의 것이다. 말렌 은둔(Marlene Ndoun)은 기술을 확장하고 세상을 변화시키고 싶다고 말했다. 면진(cotton gin) 폐기물은 가장 가난한 지역에서도 널리 이용가능하기 때문에, 말렌 은둔(Marlene Ndoun)은 면진(cotton gin) 폐기물이 물을 오염시킬 수 있는 바이오숯(Biochar) 원천으로서 약속을 지킨다고 믿고 있다.

말렌 은둔(Marlene Ndoun) 연구원은 "나는 원래 카메룬 출신인데, 내가 여기 있는 이유조차 내가 자란 곳과 같은 자원 제한 공동체에서 물을 걸러내는 방법을 찾고 있기 때문"이라면서 "우리는 만약 이것이 확장될 수 있다면, 사람들이 물을 정화하기 위한 정교한 장비에 접근할 수 없는 사하라 이남의 아프리카 국가들에서 사용하기에 이상적일 것이라고 생각한."고 말했다.

다음 단계는 물에서 다양한 오염물질을 흡착할 수 있는 바이오숯(Biochar) 물질을 혼합하여 개발하는 것이라고 은 설명했다.

말렌 은둔(Marlene Ndoun) 연구원은 "제약 등 신흥 오염물질 제거 외에도 박테리아나 유기물 등 물에서 발견되는 대표적인 오염물질을 제거할 수 있는 저비용 필터를 갖출 수 있도록  바이오숯(Biochar) 소재를 혼합하는 데 관심이 있다"고 말했다.

또한 펜 스테이트(Penn State)의 이 연구에는 헤더 프리젠단츠(Heather Preisendanz) 농생명공학과 부교수, 잭 왓슨(Jack Watson) 토양과학·토양물리학·생물지화학과 교수, 그리고 미 농무부 농업연구국 아리드 랜드스(Arid Lands) 아그리컬처스 리서치(Agricultural Research)의 클린턴 윌리엄스(Clinton Williams)와 앨런 노프(Allan Knopf) 과학자들 및 아리조나 마리코파(Maricopa, Arizona)의 연구원들도 참여했다

또한 미국 농무부 국립식량농업연구원(U.S. Department of Agriculture’s National Institute of Food)과 USDA 농업연구원이 이 연구를 지원했다.

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Biochar From Agricultural Waste Products Can Adsorb Contaminants In Wastewater

Biochar - a charcoal-like substance made primarily from agricultural waste products - holds promise for removing emerging contaminants such as pharmaceuticals from treated wastewater.

That’s the conclusion of a team of researchers that conducted a novel study that evaluated and compared the ability of biochar derived from two common leftover agricultural materials - cotton gin waste and guayule bagasse - to adsorb three common pharmaceutical compounds from an aqueous solution.

In adsorption, one material, like a pharmaceutical compound, sticks to the surface of another, like the solid biochar particle. Conversely, in absorption, one material is taken internally into another; for example, a sponge absorbs water.

Guayule, a shrub that grows in the arid Southwest, provided the waste for one of the biochars tested in the research. More properly called Parthenium argentatum, it has been cultivated as a source of rubber and latex.

The plant is chopped to the ground and its branches mashed up to extract the latex. The dry, pulpy, fibrous residue that remains after stalks are crushed to extract the latex is called bagasse.

The results are important, according to researcher Herschel Elliott, Penn State professor of agricultural and biological engineering, College of Agricultural Sciences, because they demonstrate the potential for biochar made from plentiful agricultural wastes - that otherwise must be disposed of - to serve as a low-cost additional treatment for reducing contaminants in treated wastewater used for irrigation.

“Most sewage treatment plants are currently not equipped to remove emerging contaminants such as pharmaceuticals, and if those toxic compounds can be removed by biochars, then wastewater can be recycled in irrigation systems,” he said.

“That beneficial reuse is critical in regions such as the U.S. Southwest, where a lack of water hinders crop production.”

The pharmaceutical compounds used in the study to test whether the biochars would adsorb them from aqueous solution were: sulfapyridine, an antibacterial medication no longer prescribed for treatment of infections in humans but commonly used in veterinary medicine; docusate, widely used in medicines as a laxative and stool softener; and erythromycin, an antibiotic used to treat infections and acne.

The results, published today (Nov. 16) in Biochar, suggest biochars made from agricultural waste materials could act as effective adsorbents to remove pharmaceuticals from reclaimed water prior to irrigation. However, the biochar derived from cotton gin waste was much more efficient.

In the research, it adsorbed 98% of the docusate, 74% of the erythromycin and 70% of the sulfapyridine in aqueous solution. By comparison, the biochar derived from guayule bagasse adsorbed 50% of the docusate, 50% of the erythromycin and just 5% of the sulfapyridine.

The research revealed that a temperature increase, from about 650 to about 1,300 degrees F in the oxygen-free pyrolysis process used to convert the agricultural waste materials to biochars, resulted in a greatly enhanced capacity to adsorb the pharmaceutical compounds.

“The most innovative part about the research was the use of the guayule bagasse because there have been no previous studies on using that material to produce biochar for the removal of emerging contaminants,” said lead researcher Marlene Ndoun, a doctoral student in Penn State’s Department of Agricultural and Biological Engineering.

“Same for cotton gin waste - research has been done on potential ways to remove other contaminants, but this is the first study to use cotton gin waste specifically to remove pharmaceuticals from water.”

For Ndoun, the research is more than theoretical. She said she wants to scale up the technology and make a difference in the world. Because cotton gin waste is widely available, even in the poorest regions, she believes it holds promise as a source of biochar to decontaminate water.

“I am originally from Cameroon, and the reason I'm even here is because I'm looking for ways to filter water in resource-limited communities, such as where I grew up,” she said.

“We think if this could be scaled up, it would be ideal for use in countries in sub-Saharan Africa, where people don't have access to sophisticated equipment to purify their water.”

The next step, Ndoun explained, would be to develop a mixture of biochar material capable of adsorbing a wide range of contaminants from water.

“Beyond removing emerging contaminants such as pharmaceuticals, I am interested in blending biochar materials so that we have low-cost filters able to remove the typical contaminants we find in water, such as bacteria and organic matter," said Ndoun.

Also involved in this research at Penn State were Heather Preisendanz, associate professor of agricultural and biological engineering, and Jack Watson, professor of soil science, soil physics and biogeochemistry; and Clinton Williams and Allan Knopf, scientists at the U.S. Department of Agriculture’s Agricultural Research Service Arid Lands Agricultural Research Center, Maricopa, Arizona.

The U.S. Department of Agriculture’s National Institute of Food and Agriculture and USDA’s Agricultural Research Service supported this research.

[출처=워터온라인(https://www.wateronline.com/doc/biochar-from-agricultural-waste-products-can-adsorb-contaminants-in-wastewater-0001) /2020년 11월 17일]