~ 환경영향이 적은 자원굴삭 ~

신슈대학 COI 연구그룹은 해수의 담수화를 비롯한 광범위한 오염수 등을 정화할 수 있는 선진 막기술을 연구개발하고 있다. 석유 및 천연가스, 셰일오일, 가스 굴삭에 따른 부차적으로 산출되는 수반수 처리용의 강인성을 갖춘 막개발도 수행하고 있지만, 수반수에 포함된 유분을 제거하는 수반수 일차처리법의 개발이 막을 사용한 고도 수처리를 수행하기 위해서는 중요하다. 때문에 본 연구그룹이 높은 잠재력을 가진 탄소과학을 살려 특수한 탄소체를 이용한 수반수 일차처리법의 개척을 시도하였다.

프로젝트 팀이 전 세계적인 물 부족을 해소하기 위해 주목한 것이 해수, 수반수, 암반수 등 3개의 수원인데 이것은 모두 염분을 포함하고 있다. 염분을 없애기 위해 착수한 기술이 종래의 폴리아미드를 대체하는 나노 카본을 사용한 역삼투(ＲＯ)막의 연구 개발이다. 그러나 수반수에는 기름 가스 성분을 포함하여 염분, 다양한 종류에 걸친 유기물, 무기물, 귀금속류, 자연 기원의 방사성 물질 등이 있어서 그대로 RO막에 통과하는 것은 현실적으로 없기 때문에 그 전처리에 관해서도 검토하였다.

지금까지의 조사에서 수반수의 배출량은 석유의 3~6배, 1일당 수천만 톤에 이른다. 수반수는 각지에서 조성되었기 때문에 오더메이드 처리 방법이 취해졌다. 또한 기름 생산 때문에 유정에 재주입되거나 해양이나 지하에 폐기되고 있다. 현재 처리방법은 비중차 분리나 여과 등 3단계를 거쳐 유분의 농도를 5ppm 이하까지 낮출 수 있으나 해상으로부터 해저 유전의 굴삭에서는 처리기기를 설치할 공간이 없어서 15ppm 정도가 한계이다.

석유, 천연가스 등의 자원 산출량은 앞으로 더 늘어날 전망으로 효과적인 수반수 처리법의 개발 요청이 많아지고 있다. 따라서 본 연구 성과는 이러한 자원 산출에 관한 환경보전 대책에 크게 공헌할 것으로 보인다. 구체적으로 유분 농도를 1ppm 이하로 낮추어 새롭게 개발되는 강인한 RO막을 사용하여 염분을 제거하면 유정에 재주입하는 등의 재이용이 비약적으로 발전할 것으로 예상된다.

이번에 이용한 팽창흑연(EG)은 천연에서 산출된 흑연을 황산 처리하여 발포화한 것이다. 모델 수반수(증류수에 엔진오일을 혼합한 것) 중에 EG를 첨가하여 섞어 유분 흡수성능을 평가한 결과, 수중에 함유되어 있던 100ppm의 유분을 0.1ppm 수준까지 줄일 수 있었다. 이것은 종래의 수반수 1차 처리에서 얻을 수 있는 유분농도를 수십 분의 1 수준으로 낮춘 농도로 나노여과(NF)막, 역삼투(R0)막 등으로의 처리가 가능한 유분수분이다. 또한 EG는 매우 저렴한 가격(1kg-1,000엔)으로 천연 소재 유래의 탄소체이므로 수반수 처리의 1차 처리 프로세스로서 실용화가 기대된다.

ＥＧ내의 흡착 유분량을 조사하여 ＥＧ에 유분이 선택적으로 흡수되고 유분이 적어도 수중에 250배 이상의 농도로 EG 중에 포함되어 있다는 점이 확실시되었다. 또한 EG의 유분 흡수 기능은 3.5%의 식염수를 엔진오일과 혼합시킨 다른 모델 수반수에서도 발휘되어 종래 이용되고 있던 활성암 등과 비교해도 흡수성능이 뛰어난 것으로 확인되었다. 또한 슈퍼컴퓨터를 이용한 수치해석에서 EG의 틈에 들어간 모델 수반수로부터 유분만 선택적으로 EG 분자의 틈에 노출시켜 그래핀 표면에 흡수시킨 메커니즘을 해명하였다.

유분 흡수 후, EG를 회수하는 방법에 관해서도 검토하고 미리 EG에 철분자를 첨가하여 자기성을 부여함으로써 유분을 흡수시킨 후, 자기장을 이용하여 EG를 높은 효율로 회수 가능하다는 것도 알아내었다. 유분과 수분을 흡수한 EG로부터 유분을 회수하는 방법 및 화력발전용의 연료로 사용하는 것도 기대할 수 있다. 원료인 천연 흑연은 특히 아시아, 남미지역에서 널리 산출되고 있어 자원적, 비용적으로 문제가 없는 유효한 활용법으로서 발전이 기대된다.

(그림 1) 팽창흑연의 전자 현미경 사진
(그림 2) 100ppm의 모델 수반수에서 팽창흑연을 투입, 교반했을 때 유분 농도의 경과 변화
(그림 3) 슈퍼컴퓨터에 의한 팽창흑연(그래핀)의 유분 흡착 시뮬레이션

 

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 10월 19일]