[미국] 비소를 청소하면서 수소 연료를 생성하는 전기화학적 전지
물 처리: 장비가 비소로 오염된 물을 개선하는 비용을 줄여줄 수 있을 것이다.
비소는 아시아의 많은 곳에서 마시는 물을 오염시키고, 광산으로부터 나오는 산성 배수나 산업 폐수에 많이 존재할 수 있다.
이제, 연구자들이 정화를 수소 연료 생성과 연결시킴으로써 물에서 독성 비소를 제거하는 비용-효과성을 늘리는 방법을 고안해냈다(Environ. Sci. Technol. 2014, DOI: 10.1021/es4046814).
비소로 오염된 물을 개선하기 위해서, 공학자들은 아비산염(arsenite , As(III))이라고 불리는 이 준금속의 독성이 더 큰 형태를 독성이 덜한 형태인 As(V)로 산화시키는 다양한 방법들을 사용한다.
As(V)는 쉽게 입자들 위에 흡착되거나 다른 화학 종들과 엉겨서 비용해성 복합체들을 형성하기 때문에 물에서 제거하기도 더 쉽다. 공학자들은 이 산화를 수행하기 위해서 전기화학적, 광화학적, 생물학적, 전통적인 화학적 접근법들에 의존한다.
캘리포니아공대(California Institute of Technology)의 환경공학자인 Michael R. Hoffmann과 그의 동료들은 그 방법들이 As(III)을 산화시키면서 연료를 생산한다면, 이 과정들이 더 비용-효과적일 수 있을 것이라고 생각했다.
이 아이디어는 태양에서 동력을 얻는 화장실을 위한 그들의 디자인으로부터 생겼는데, 이것은 2012년에 빌 멜린다 게이츠재단(Bill and Melinda Gates Foundation) 경쟁에서 수상했었다.
이 화장실은 광전압-동력 전기화학 전지를 사용해서 인간 배설물을 분해하고 수소 연료를 생산한다. 그러한 전기화학 전지 시스템에서, 유기 화합물들의 산화는 수소 생성을 증가시킨다. 그래서 연구자들은 아비산염 산화도 그 연료의 생산을 촉진시킬지도 모른다고 생각했다.
이러한 생각을 시험하기 위해서, 그들은 아비산염을 그들의 태양-동력 화장실에 있는 것과 비슷한 전기화학 전지에 더했다. 그것은 NaCl 전해질의 존재 시에 물로부터 수소를 생산하는 스테인리스-강(stainless-steel) 음극과 비스무스로 도핑된 산화티타늄(bismuth-doped titanium dioxide)으로 이루어진 반도체 양극을 가진다.
연구자들이 전해질 용액에 As(III)를 더했을 때, 그것은 양극에서 As(V)로 산화되었다. 1밀리몰 (mM) As(III)를 더하는 것이 수소 생산의 에너지 효율성을 거의 18퍼센트 늘렸다.
연구자들은 아비산염이 그 전지의 양극에서 염화물의 산화에 의해서 생성되는 염소 라디칼(chlorine radicals)과 차아염소산(hypochlorous acid)과 같은 반응성 염소 화학종들을 청소함으로써 수소 생산을 가속시킨다고 가설을 세웠다. 이들 화학종들은 보통 그 음극에서 환원되는데 물 분자들과 경쟁해서, 수소 생성을 제한한다.
그 원형은 아시아에서 마시는 물을 정화하는 것에 비해서, 산 광산 배수와 산업 폐수로부터 아비산염을 청소하는데 가장 잘 맞을 것이라고 Hoffmann은 말했다. 그것은 이 전지의 수소 생산이 광산 배수에서 종종 발견되는 밀리몰 수준의 아비산염 농도에서 가장 효율적이기 때문이다.
그것은 인도나 방글라데시, 아시아의 다른 지역들의 지하수에서 발견되는, 이 이온의 마이크로몰 농도에서는 덜 효율적이다. 여전히, 그 시스템은 오랜 기간 동안 반응하게 한다면, 마시는 물을 처리할 수 있을 것이라고 그는 말했다. 그리고 그는 생산된 수소가 그 개선과정에 동력을 제공하는 것을 도울 수 있을 것이라고 지적했다. 그와 그의 팀은 올해 인도에서 그 원형을 시험할 계획이다.
“이 개념은 매우 매력적이다. 만약 그것이 에너지 생성을 늘리고 동시에 오염 정도를 개선할 수 있다면, 그것은 확실히 좋은 소식”이라고 워싱턴대(University of Washington)의 환경 공학자인 Gregory V. Korshin이 말했다.
그러나, Korshin은 그 효과를 결정하기 위해서 그 장비를 현장시험해봐야 한다고 지적했다. 유기 물질과 같이 환경수에 있는 자연적 성분들이 그 시스템에서 아비산염과 경쟁해서 그 개선의 효율을 떨어뜨릴 수 있을 것이라고 말했다.
[그림] 비소 해독. 이 전기화학적 연료 전지가 수소 기체를 생산하면서, 아비산염(arsenite)을 독성이 덜한 형태로 산화시킨다.
[원문보기]
Electrochemical Cell Generates Hydrogen Fuel While Cleaning Up Arsenic
Arsenic taints drinking water in many parts of Asia, and the element can be abundant in industrial wastewaters or acidic drainage from mines. Now researchers have designed a way to increase the cost-effectiveness of removing toxic arsenic from water by
coupling the cleanup with hydrogen fuel generation
To remediate arsenic-laced waters, engineers use a variety of methods to oxidize the more toxic form of the metalloid, called arsenite or As(III), to its less toxic form, As(V). As(V) also is easier to remove from water, because it readily adsorbs onto particles or coagulates with other chemical species to form insoluble complexes.
The engineers rely on electrochemical, photochemical, biological, and conventional chemical approaches to carry out this oxidation.
Michael R. Hoffmann, an environmental engineer at
California Institute of Technology, and his colleagues thought these processes could be more cost-effective if the methods produced fuel as they oxidized As(III).
The idea grew out of their design for a
solar-powered toilet, which won a Bill and Melinda Gates Foundation competition in 2012.
The toilet uses a photovoltaic-powered electrochemical cell to break down human waste and produce hydrogen fuel. In such electrochemical systems, oxidation of organic compounds enhances the generation of hydrogen. So the researchers thought that arsenite oxidation might also boost production of the fuel.
To test the idea, they added arsenite to an electrochemical cell similar to the one in their solar-powered toilet. It has a semiconductor anode made of bismuth-doped titanium dioxide and a stainless-steel cathode that produces hydrogen from water in the presence of a NaCl electrolyte.
When the researchers added As(III) to the electrolyte solution, it was oxidized to As(V) at the anode. Adding 1 mM As(III) increased the energy efficiency of hydrogen production by nearly 18%.
The researchers hypothesize that arsenite speeds up hydrogen production by scavenging reactive chlorine species, such as chlorine radicals and hypochlorous acid, that are produced by oxidation of chloride at the cell’s anode. These species normally compete with water molecules to be reduced at the cathode, limiting hydrogen generation.
The prototype would be best suited for scrubbing arsenite from acid mine drainage and industrial wastewaters, Hoffmann says, compared to cleaning up drinking water in Asia.
That’s because the cell’s hydrogen production is most efficient at the millimolar-level arsenite concentrations often found in mine drainage.
It is less efficient at micromolar concentrations of the ion, which are found in groundwater in India, Bangladesh, and other parts of Asia.
Still, he says that the system could treat drinking water if allowed to react over long periods. And he points out that the hydrogen produced could help power the remediation. He and his team plan to test the prototype in India later this year.
“The concept is very appealing,” says
Gregory V. Korshin, an environmental engineer at the
University of Washington. “If it can enhance energy generation and simultaneously improve the degree of contamination, it would certainly be good news.”
However, Korshin notes that the device must be field-tested to determine its effectiveness. He says natural components in environmental waters, such as organic matter, could compete with arsenite in the system, reducing the efficiency of remediation
즐겨찾기 추가 
시작페이지로 설정
