[미국] 오수 정화와 수소 생산을 동시에
미국 캘리포니아공대(California Institute of Technology) 마이클 R. 호프만(Michael Hoffmann) 교수 연구진이 일상생활에서 발생되는 생활폐수를 처리해서 물과 수소로 전환하는 전기화학적 처리기술 개발에 성공했다.
사람이 활동하는 곳엔 어디에나 항상 폐기물이 발생하기 마련이다. 하지만 이를 재처리해서 생활에 필요한 물과 에너지를 얻을 수 있다면 폐기물의 양을 줄여서 환경오염을 줄이고 자원과 에너지의 활용 효율을 높일 수 있다는 점에서 지속가능한 선순환 체계 확립에 크게 기여할 전망이다.
지난 12일 미국의 세계자원연구소(World Resources Institute; WRI)가 공개한 물 부족 스트레스에 대한 세계지도는 우리나라도 물 부족 스트레스가 매우 높은 수준이라는 사실을 명확하게 보여주었다. WRI는 물 부족 스트레스를 5단계로 나누어 지도에 표시했다.
우리나라는 5 단계 중 4번째 단계로 물 부족 스트레스가 심각한 수준에 있는 것으로 나타났다. 지역별로 우리나라의 물 부족 스트레스 정도를 살펴보면 대도시가 밀집되어 있는 지역의 스트레스가 매우 높았다.
물 부족 현상은 비단 어제 오늘의 일이 아니다. 물 부족 현상의 원인은 자연적인 수자원 공급량이 적은 경우와 수자원에 대한 수요 증가로 부족현상이 나타나는 경우 두 가지로 크게 구분될 수 있다. 우리나라 물 부족 현상의 경우, 급격한 산업화와 인구 증가로 인한 수요 증가의 영향이 큰 것으로 보인다.
WRI가 발표한 내용은 물 부족 현상은 일부 지역에 국한된 것이 아니라 전 세계적인 현상임을 나타내고 있다. 세계 굴지의 기업들이 해수담수화 사업에 많은 투자를 하고 있는 것도 이러한 배경에서 이해할 수 있다.
해수 담수화 기술이 인류에게 필요한 수자원 중 부족한 부분에 약 80%를 해결해 줄 것이라는 예측 결과가 있기는 하지만 자원의 ‘효과적인 사용’ 이라는 측면에서 보면 사용하고 버려지는 폐수를 잘 활용하는 것이 매우 중요하다. 경제적으로 낙후되고 안전하게 먹을 수 있는 물이 부족한 지역에 거주하는 사람들의 경우 이는 더욱 중요하다.
한 조사에서 개인위생을 유지하는데 필요한 충분한 양의 물을 공급받지 못하는 사람의 수가 27억 명에 이르는 것으로 나타났다. 호프만 교수 연구진은 이러한 사람들에게 보다 나은 환경을 제공할 목적으로 기술 개발에 임했다.
생활 폐수를 깨끗하게 정화해서 생활에 필요한 수자원을 확보하고, 그 과정에서 부가적으로 에너지를 얻어 열악한 환경에 처해 있는 사람들에게 보다 나은 환경을 제공하고 싶었던 것이다.
호프만 교수 연구진은 전기분해 기술을 이용해 생활 폐수를 정화하면서 수소를 생산해서 에너지와 물을 동시에 확보할 수 있는 수질정화기술을 개발했다. 전기분해는 일종의 전기화학적 처리 과정이다. 즉, 전기를 매질에 주입해 전기화학적인 반응을 일으켜서 일련의 목적을 달성하는 과정인 것이다.
연구진이 개발한 시스템은 지속가능성을 극대화시키는데 초점을 맞추고 있다. 태양전지나 풍력발전 등으로 생산한 전력을 이용해서 생활 폐수를 처리하고, 그 과정에서 생활에 다시 사용할 수 있는 수자원과 에너지를 추가적으로 얻는 것을 목적으로 하였다.
보통 전기분해법을 사용해서 폐수를 처리한다고 하면 단순히 물을 수소와 산소로 분해하는 과정을 생각할 수 있다. 하지만 연구진이 개발한 방법은 단순히 전기분해로 산소를 생산하는 과정이 아니다.
전기로 물을 분해하면 `히드록시 라디칼(hydroxy radical)`이라는 매우 반응성이 높은 산소계 화학종을 생성하도록 했기 때문이다. 히드록시 라디칼은 폐수 속에 포함되어 있는 다양한 유기계 오염물질을 파괴하는 역할을 한다.
전기분해 시스템의 핵심은 비스무스를 도핑한 이산화티탄 전극(bismuth-doped titanium dioxide electrode)이다. 전극에서 생성된 히드록시 라디칼을 비롯한 산소계 화학종은 폐수 속에 포함되어 있는 염소 음이온(Cl-)과 반응해서 반응성 염소 화학종(reactive chloride species)을 생성한다.
이 화학종은 물 속에 존재하는 바이러스나 병원성 세균을 살균하는 역할을 한다. 보통 염소는 폐수에 섞여 있는 소변(urine)에 많이 함유되어 있다. 이렇게 전기분해 시스템으로 처리하고 남은 물은 수세식 화장실의 세척 용수나 작물 제배용으로 사용될 수 있다.
전기분해 시스템으로 폐수를 처리하는 과정에서 나오는 가스는 기본적으로 질소와 수소가 섞여 있는 혼합물이다. 이 가스로 연료전지를 가동하면 전기도 얻을 수 있다.
따라서 태양전지나 풍력발전 시스템을 접목시키고 전기분해 시스템 가동 과정에서 생산되는 전기에너지를 활용하면 시스템을 운용하는데 큰 어려움이 없어서 비용적 부담을 크게 줄일 수 있을 것으로 예상된다.
이상의 연구 성과는 영국화학회에서 발행하는 RSC 어드밴스(RSC Advances) 저널 최신호에 게재되었다.
[원문보기]
Toilet purification system doubles as hydrogen fuel cell
Electrochemical approaches to water purification are not unknown but often focus on wastewater in industrially developed areas.
Michael Hoffmann, and colleagues at the California Institute of Technology in the US, hope their electrochemical water splitting method for purifying human waste, at the same time as generating hydrogen gas, will eventually be introduced into areas with underdeveloped infrastructure.
Hoffmann says the inspiration for the work stemmed from their research into solar fuel production. ‘It did not make sense to simply discharge the oxygen generated during water splitting. We wanted to use the reactive oxygen species generated to oxidise organic chemical contaminates in wastewater.’
A bismuth-doped titanium dioxide electrode is central to the electrochemical reaction. In addition to hydrogen, the reaction also produces a series of reactive oxygen species.
These reactive oxygen species react with chloride ions in urine to generate reactive chlorine species that disinfect the wastewater by killing any bacteria or viruses present in it, to leave water that is suitable for toilet flushing or crop irrigation.
Effluent gases – primarily hydrogen and nitrogen – produced by the electrochemical cell are run through a high temperature solid state fuel cell via a proton transfer membrane.
These react with water vapour and oxygen at around 200 °C to produce an electrical current, which can be stored in batteries and the exothermic reaction is used maintain the temperature needed for this reaction.
Diogo Santos, an electrochemical water splitting expert at the University of Lisbon in Portugal says the study ‘brings important advances to the use of electrochemical treatment for the conversion of waste to energy in a simple and low-cost way.’
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