[미국] 로드아일랜드 대학 연구팀, 새로운 수처리 기술 밝혀내

빛에 노출된 페레이트의 화학 반응으로 수처리 시스템에 적용 범위 넓혀

증가하는 세계 인구가 깨끗한 물에 접근할 수 있도록 보장하기 위해 새로운 수처리 방법의 필요성이 대두되고 있다. 차세대 수처리 방법 중 하나는 페레이트(ferrate, 철산염)라고 불리는 철의 형태를 이용하는 것으로, 염소와 같은 화학 물질보다 독성 부산물을 적게 생성하고 복잡한 오존처리 시스템보다 잠재적으로 저렴하고 배치하기 쉬운 이점이 있다.

 

그러나 페레이트의 최적의 작용을 위해서는 다른 화합물과 결합하거나 빛 에너지에 의해 가열(excited)되어야 한다. 로드아일랜드 대학교(University of Rhode Island, URI)의 연구팀은 초고속 레이저와 X선 펄스(pulses)를 포함하는 기술을 사용하여 페레이트가 가시광선과 자외선에 노출될 때 발생하는 화학 반응에 대한 새로운 세부 사항을 밝혀냈다. 『미국 화학 학회(American Chemical Society)』 저널에 발표된 연구 결과는 연구원들이 수처리 응용 분야에서 페레이트의 사용을 최적화하는 데 도움이 될 수 있다.

 

듀간 헤이즈(Dugan Hayes) URI의 화학과 조교수이자 이 연구의 교신 저자는 "페레이트의 광활성화는 실제로 자세히 조사된 적이 없다"라며, "이 연구에서 우리는 처음으로 그러한 광물리학적 특성들 중 일부를 밝힐 수 있었다"고 설명했다.

 

듀간 헤이즈 교수와 칼리 안톨리니 박사과정 생은 약 수천조 분의 1초 간격으로 발사된 레이저 펄스를 사용하는 기술을 사용해 빛에 의한 화학 반응을 조사할 수 있다. [사진제공 = URI/미카엘 살레르노(MICHAEL SALERNO)]

산화제인 페레이트는 전자를 빼앗아 오염물질을 분해할 수 있는 그 자체로 상당히 강한 산화제이다. 그러나 빛에 의해 가열되면 Fe(V)(또는 iron-5+)로 알려진 훨씬 더 강력한 산화제를 생성한다. 그러나 이 연구 이전에는 Fe(V)를 생산하는 데 얼마나 많은 에너지가 필요한지, 얼마나 많은 양으로 생산될 수 있는지에 대해 알려지지 않았다.

이를 알아내기 위해 헤이즈 교수 연구실의 박사과정 생인 칼리 안톨리니(Cali Antolini)는 초고속 레이저 펄스를 사용하여 광화학 반응을 조사하는 기술인 과도 흡수 분광법(transient absorption spectroscopy)을 사용하여 이 실험을 주도했다. 초기 펄스는 반응을 시작하고 후속 펄스는 반응 단계가 진행되는 동안 조사한다. 약 수천조 분의 1초 정도의 펄스 속도는 연구자에게 수명이 가장 짧은 반응 생성물에 대한 자세한 기록을 제공한다.

안토리니는 URI의 시설을 이용해 자외선 및 가시 광선 펄스를 사용하여 실험을 수행했다. 안토리니가 에너지학과 학생 연구 프로그램의 일환으로 일하고 있는 시카고의 아르곤 국립 연구고(Argonne National Laboratory)의 첨단 광자원(Advanced Photon Source)에서 X선을 사용하여 유사한 실험을 수행했다.

연구 결과, 페레이트에서 반응성이 높은 Fe(V)로의 전환율이 약 15%로 나타났다. 이는 오존정화 시스템의 급진적인 생산과 비슷한 수치이다. 이 연구는 또한 반응성이 더 강한 철 종을 생산하는 데 필요한 빛의 유형과 관련된 놀라운 결과를 낳았다. 연구팀은 자외선 스펙트럼에서 가시광선 스펙트럼에 이르는 다양한 빛 파장의 범위가 Fe(V)를 생성할 수 있어야 한다는 것을 발견했다. 그것은 두 가지 이유로 중요한 발견이라고 연구원들은 말한다. 가시광선은 자외선을 생성하는 데 더 적은 에너지를 소비하며, 이는 페레이트의 가열을 가정했던 것보다 더 에너지 효율적으로 만들 수 있음을 뜻한다. 게다가, 흐린 물에서는 가시광선이 덜 산란하므로, Fe(V)가 매우 다양한 물의 조건에서 생성될 수 있다는 것을 의미한다.

URI의 토목 및 환경 공학 조교수이자 연구 공동 저자인 조셉 굿윌(Joseph Goodwill)은 이 연구 결과를 통해 고무되었다. 그의 연구 프로그램의 일부는 더 큰 도시 수처리 시스템과 소규모 시골 시스템 사이의 "깨끗한 물 격차"를 줄이는 방법을 찾는 것이다.

페레이트 기반 정화 시스템은 비싸고 정교한 오존시스템이 실용적이지 않은 소규모 시스템에 유망한 옵션이라고 굿윌 교수는 말한다. 페레이트는 또한 염소와 같은 독한 화학 물질에 대한 의존도를 줄일 수 있는 잠재력을 갖고 있으며, 염소로도 제거할 수 없는 완고한 오염물질을 제거할 수도 있다. 여기에는 미국 전역의 관정과 물 시스템에서 점점 더 많이 발견되는 화학 물질 종류인 PFAS가 포함된다. 그러나 페레이트 시스템이 널리 사용되기 전에 과학자들은 페레이트 화학에 대한 더 갚은 이해가 필요하다.

굿윌 교수는 "페레이트에서 강력한 산화제의 형성되는 것은 기계적으로 이해하기 어려웠으며, 이는 수처리 응용 분야에서 공정 최적화 및 본격적인 구현을 가로막고 있다"라며, "이 논문에 제시된 결과는 응용의 문을 여는 페레이트 시스템에 대한 근본적인 이해를 향상시킨다"고 말했다.

연구원들은 페레이트 광화학이 어떻게 작용하는지에 대한 이러한 새로운 발견이 철을 기반으로 하는 수처리의 사용을 확대하는 데 도움이 될 것으로 기대하고 있다.

이 연구는 미국 에너지부(DE-SC0019429 및 DE-AC02-06CH11357)와 국립과학재단(2046383)의 지원을 받아 진행됐다.

[원문보기]

Researchers shed (laser) light on emerging water treatment technique

New details about the chemical reaction that occurs when a form of iron called ferrate is exposed to light could broaden its application in water treatment systems.

 

Assuring that a growing global population has access to clean water will require new water treatment methods. One of these next-generation methods involves a form of iron called ferrate, which creates fewer toxic byproducts than chemicals like chlorine and is potentially cheaper and easier to deploy than complex ozone treatment systems.

For ferrate to work best, however, it needs to be combined with other compounds or excited by light energy. Now, using a technique involving ultra-fast laser and X-ray pulses, a team of University of Rhode Island researchers has revealed new details about the chemical reaction that occurs when ferrate is exposed to visible and ultraviolet light. The findings, published in the Journal of the American Chemical Society, could help researchers to optimize its use in water treatment applications.

“The light activation of ferrate has really never been investigated in detail,” said Dugan Hayes, an assistant professor of chemistry at URI and the study’s corresponding author. “In this study, we were able to reveal some of those photophysical properties for the first time.”

Ferrate is an oxidant, meaning it can break down contaminants by stealing their electrons. On its own, ferrate is a fairly strong oxidant. But when excited by light, it produces an even more powerful oxidant known as Fe(V) (or iron-5+). Before this new study, however, it wasn’t known just how much energy was required to produce Fe(V), and in what quantities it could be produced.

To find those things out, Cali Antolini, a Ph.D. student in Hayes’ lab, led experiments using transient absorption spectroscopy, a technique that investigates photochemical reactions using ultra-fast laser pulses. An initial pulse initiates a reaction, while subsequent pulses probe the reaction steps as they play out. The speed of the pulses—on the order of a few quadrillionths of a second—gives researchers a detailed record of even the shortest-lived reaction products.

Antolini carried out experiments using ultraviolet and visible light pulses using facilities at URI. She performed similar experiments using X-rays at Argonne National Laboratory’s Advanced Photon Source in Chicago, where Antolini works as part of a Department of Energy student research program. 

The work showed that the conversion rate from ferrate to the highly reactive Fe(V) was about 15%. That’s roughly similar to the radical production of ozone purification systems. The research also produced surprising results related to the type of light needed to produce the more reactive iron species. The team found that a range of light wavelengths, stretching from ultraviolet spectra nearly into the visible, should be able to produce Fe(V). That’s an important finding for two reasons, the researchers say. Visible light takes less energy to produce that ultraviolet light, which could make ferrate excitation more energy efficient than had been previously assumed. Plus, visible light scatters less in cloudy water, meaning Fe(V) can be produced in a wide variety of water conditions.

The results are encouraging to Joseph Goodwill, an assistant professor of civil and environmental engineering at URI and a study coauthor. Part of his research program is finding ways to bridge the “clean water gap” between larger urban water treatment systems and small rural systems.

Ferrate-based purification systems are a promising option for smaller systems, where expensive and elaborate ozone systems aren’t practical, Goodwill says. Ferrate also has the potential to decrease reliance on harsh chemicals like chlorine, and may even eliminate stubborn contaminants that chlorine can’t remove. Those include per-/polyfluoroalkyl substances (PFAS), a class of chemicals increasingly found in wells and water systems across the U.S. But before ferrate systems can be widely deployed, scientists need a better understanding of ferrate chemistry. 

“The formation of powerful oxidants from ferrate has been difficult to understand mechanistically, and this has blocked process optimization and full-scale implementation in water treatment applications,” Goodwill said. “The results presented in this paper improve our fundamental understanding of the ferrate system, which opens doors for applications.”

The researchers are hopeful that these new findings on how ferrate photochemistry works will help in expanding the use of iron-based water treatment.

The research was supported by the U.S. Department of Energy (DE-SC0019429 and DE-AC02-06CH11357) and the National Science Foundation (2046383).

[출처 = URI(https://www.uri.edu/news/2022/12/researchers-shed-laser-light-on-emerging-water-treatment-technique/) / 2022년 12월 8일]