[미국] 이산화탄소를 포획하여 에너지를 생성하는 폐수 처리 공정


에너지와 탄소 중성 폐수 처리는 환경적인 지속 가능성을 위한 중요한 목표이지만, 현재의 공정은 적극적인 이산화탄소 포획과 이용을 위하여 폐수를 이용하기 보다는 이산화탄소 배출을 억제하는 데 중점을 두고 있다.

도시 및 산업 폐기물의 정화는 어려운 사업이지만, 미국 콜로라도 대학 볼더 캠퍼스(University of Colorado Boulder) 소속의 연구진은 혁신적인 폐수 처리 공정(wastewater treatment process)을 개발했다. 이 공정은 이산화탄소 배출(carbon dioxide emissions)을 완화시킬 뿐 아니라, 온실가스를 적극적으로 포획할 수 있다.

MECC(Microbial Electrolytic Carbon Capture)라고 알려진 처리 방법은 이산화탄소를 배출하는 대신 흡수하는 전기화학적 반응을 이용하여 환경 친화적인 방식으로 폐수를 정화하는 한편, 공정에서 재생 에너지를 생산한다.

연구진이 제시한 새로운 MECC 접근은 폐수 처리장을 탄소 음성 및 에너지 양성의 공정으로 전환시킬 수 있는 가능성이 있다. 양극에서 양성자(proton)와 음극에서 H2와 OH–의 전해질 생산(electrolytic production)을 미생물학적으로 지원하기 위하여 폐수는 전해질로 사용됐다.

이러한 에너지-양성이며 탄소-음성의 방법은 배기가스 배출이 심한 다수의 산업에 엄청난 이득을 발생시킬 가능성이 있다고 도시, 환경 및 건축 공학과(Civil, Environmental, and Architectural Engineering) 조교수이며, 새로운 연구의 선임 저자인 Zhiyong Jason Ren은 밝혔다. 관련 연구는 Environmental Science and Technology 저널에 발표됐으며, 논문의 제목은 “탄소-음성 및 에너지-양성 폐수 처리를 위한 MECC(Microbial Electrolytic Carbon Capture for Carbon Negative and Energy Positive Wastewater Treatment)”이다.

폐수 처리는 전형적으로 두 가지 경로로 이산화탄소를 생성한다. 기계에 동력을 공급하기 위하여 화석 연료를 연소시키는 경로와, 폐수 자체 내에 함유되어 있는 유기물을 분해하는 경로에서 이산화탄소가 생성된다. 그 이외에 기존 폐수 처리 기술은 높은 양의 에너지를 소비한다. 미국에서 공동 시설은 매년 12조 갤런에 이르는 도시 폐수를 처리하는 것으로 추산되며, 미국 전체 그리드 에너지의 약 3%를 소비하는 것으로 추정된다.

기존 탄소 포획 기술은 에너지 집약적이며, 종종 높은 수송비용과 저장 공정이 수반된다. MECC는 물과 공기 모두로부터 이산화탄소를 흡수하도록 고안된 전기 화학적 반응을 촉진하기 위하여 염류 폐수(saline wastewater)의 자연적인 생성을 이용한다. 공정은 이산화탄소를 건축 산업에서 원료로 사용되거나, 폐수 처리 순환 자체에서 화학적 완충제로 사용 및 해양에서와 마찬가지로 공정으로부터 산도 하류(acidity downstream)와 대응하는데 사용될 수 있는 안정적인 중탄산염(bicarbonate)과 탄산염 광물(mineral carbonates)로 전환한다.

용해된 규산염(dissolved silicate)과 OH–로 균형을 이루는 해리된 금속 이온은 금속 수산화물(metal hydroxide)을 생성하고 현장에서 이산화탄소는 중탄산염으로 전환된다. 인위적 폐수와 산업용 폐수 모두를 이용한 결과는 이산화탄소의 80~93%가 유기 산화로부터 유래한 이산화탄소와 부가적으로 투입된 이산화탄소로부터 회수됐다는 것을 보여 주었으며, 따라서 이러한 공정은 탄소-음성이다.

H2의 높은 속도와 수율은 91~95%의 회수 효율(recovery efficiency)로부터 달성됐으며, 순 에너지 회수율(net energy gain)은 57–62 kJ/mol-이산화탄소 포획으로 나타났다. pH는 완충 추가 없이 안정한 상태로 남아 있었으며, 독성의 염소를 함유하는 화합물은 검출되지 않았다. 생성된 중탄산염의 알칼리도(alkalinity)는 폐수 처리에 유용하고, 해양에 장기적인 탄소 저장이 가능하다. 예비 평가는 다른 산업에 대하여 유망한 경제적 이득과 환경 이득을 초래할 것이라는 것을 보여 주었다.

이러한 처리 시스템은 전기화학적 수단을 통하여 알칼리도를 생성하고, 우리는 해양 산성화의 효과를 상쇄시키는 데 이러한 폐수 처리 공정을 사용할 수 있는 가능성이 있다고 이 연구의 공동 저자이며, 캘리포니아 대학 산타크루즈 캠퍼스(University of California Santa Cruz) 산하 해양 과학 연구소(Institute of Marine Sciences) 소속의 선임 연구원인 Greg Rau는 밝혔다. 이것이 몇 가지 환경 친화적인 기술 중 하나라고 Rau는 덧붙였다.

수많은 폐수 처리장은 해안에 위치해 있으며, 이러한 폐수 처리장에서 미래 MECC 수행 가능성 증가는 이산화탄소와 해양 산성도 완화를 결합시킬 수 있을 것이다.

 

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 8월 10일]

 

Cleaning up municipal and industrial wastewater can be dirty business, but engineers at the University of Colorado Boulder have developed an innovative wastewater treatment process that not only mitigates carbon dioxide (CO2) emissions, but actively captures greenhouse gases as well.

The treatment method, known as Microbial Electrolytic Carbon Capture (MECC), purifies wastewater in an environmentally-friendly fashion by using an electrochemical reaction that absorbs more CO2 than it releases while creating renewable energy in the process.

"This energy-positive, carbon-negative method could potentially contain huge benefits for a number of emission-heavy industries," said Zhiyong Jason Ren, an associate professor of Civil, Environmental, and Architectural Engineering at CU-Boulder and senior author of the new study, which was recently published in the journal Environmental Science and Technology ("Microbial Electrolytic Carbon Capture for Carbon Negative and Energy Positive Wastewater Treatment").

Wastewater treatment typically produces CO2 emissions in two ways: the fossil fuels burned to power the machinery, and the decomposition of organic material within the wastewater itself. Plus, existing wastewater treatment technologies consume high amounts of energy. Public utilities in the United States treat an estimated 12 trillion gallons of municipal wastewater each year and consume approximately 3 percent of the nation's grid energy.

Existing carbon capture technologies are energy-intensive and often entail costly transportation and storage procedures. MECC uses the natural conductivity of saline wastewater to facilitate an electrochemical reaction that is designed to absorb CO2 from both the water and the air. The process transforms CO2 into stable mineral carbonates and bicarbonates that can be used as raw materials by the construction industry, used as a chemical buffer in the wastewater treatment cycle itself or used to counter acidity downstream from the process such as in the ocean.

The reaction also yields excess hydrogen gas, which can be stored and harnessed as energy in a fuel cell.

The findings offer the possibility that wastewater could be treated effectively on-site without the risks or costs typically associated with disposal. Further research is needed to determine the optimal MECC system design and assess the potential for scalability.

"The results should be viewed as a proof-of-concept with promising implications for a wide range of industries," said Ren. Power companies have many reasons to perk up at the possibility of a carbon-negative wastewater treatment solution. The Environmental Protection Agency's Clean Power Plan, expected to take full effect in the year 2020, will require power plants to comply with reduced CO2 emission levels.

The study may also have positive long-term implications for the world's oceans. Approximately 25 percent of CO2 emissions are subsequently absorbed by the sea, which lowers pH, alters ocean chemistry and hence threatens marine organisms, especially coral reefs and shellfish. Dissolved carbonates and bicarbonates produced via MECC, however, could act to chemically counter these effects if added to the ocean.

"This treatment system generates alkalinity through electrochemical means and we could potentially use that to help offset the effects of ocean acidification," said Greg Rau, a senior researcher at the Institute of Marine Sciences at the University of California Santa Cruz and a co-author of the study. "This is one of several environmentally-friendly things this technology does."

Many wastewater treatment plants are located on coastlines, raising the possibility that future MECC implementation in these facilities could couple both CO2 and ocean acidity mitigation.

 

[원문출처 : http://www.nanowerk.com/news2/green/newsid=40960.php]