미국에서 석유 및 가스 발굴에 연간 약 21억 배럴의 폐수가 발생한다. 폐수에 포함된 유기 오염물질과 염도는 이것을 처리하기 어렵게 만들고 비용이 많이 들게 한다.
콜로라도 대학의 볼더 캠퍼스(University of Colorado Boulder)의 연구진은 폐수에서 염과 유기 오염물질을 자발적으로 제거할 수 있으며 추가적으로 에너지를 얻을 수 있는 간단한 프로세스를 개발했다. 이 새로운 기술은 미생물 배터리(microbe-powered battery)를 기반으로 하고, 저널 Environmental Science Water Research & Technology에 게재되었다.
“이 기술은 한 개의 단일 시스템으로 두 개의 문제들을 해결할 수 있다”고 Zhiyong Jason Ren 조교수가 말했다. “우리의 시스템은 환경적인 문제도 해결할 뿐만 아니라 에너지도 생산할 수 있다”고 Ren 조교수가 덧붙였다. 새로운 처리 기술은 미생물 용량성 담수화(microbial capacitive desalination)라고 부르고, 기본적인 형태는 배터리와 동일하다. “기존의 배터리는 전류를 생성하는데 화학물질들을 사용하는데 반해서, 우리는 담수화에 사용될 수 있는 전류를 생성하기 위해서 미생물을 사용했다”고 Ren 조교수가 언급했다.
미생물을 이용하는 전기화학적 방법은 폐수 속에서 발견되는 오염물질이 에너지가 풍부한 탄화수소를 포함한다는 점을 이용했다. 탄화수소는 석유와 천연 가스를 구성하는 화합물질이다. 처리 프로세스에 사용되는 미생물은 탄화수소를 먹고 에너지를 방출한다. 그 후에 에너지는 저장되고, 폐수 처리 시에 필요한 장치 구동에 사용된다.
염은 물속에서 양과 음으로 대전된 이온으로 용해되기 때문에 높은 표면적을 가진 전극 위에 대전된 이온들을 흡착함으로써 폐수 속의 염을 제거할 수 있다. 이 시스템은 폐수에서 염을 제거할 수 있게 하고, 장치를 작동하는데 사용하는 추가적인 에너지를 생성한다. “석유 및 가스 기업들은 폐수를 처리하는데 에너지를 소비한다”고 Ren은 말했다. “우리는 에너지 소모 없이 이것을 처리할 수 있다”고 Ren 조교수가 덧붙였다.
일부 석유 및 가스 폐수가 현재 처리되고 있지만, 처리 프로세스는 다단계이고 디젤 발전기를 구동하는데 많은 에너지가 필요하다. 처리의 어려움과 고비용 때문에, 폐수는 깊은 지하에 종종 보관된다. 수압 파쇄 기술(hydraulic fracturing)이 점점 더 많이 사용되고 있기 때문에 폐수 처리의 필요성은 최근에 증가하고 있다. 수압 파쇄 기술은 석유와 천연 가스의 생산을 증가시키기 위해서 물, 모래, 화학물질의 슬러리를 주입한다.
수압 파쇄 작업에 물이 필요하기 때문에 물 자원의 부족을 발생시킬 수 있다. 이것은 특히 건조 지역의 국가에서 심각한 문제가 될 수 있다. 예를 들어, 서구의 수압 파쇄 기술을 사용하기 위해서 물을 찾는 작업은 점점 더 어렵고 비용이 많이 든다.
이번 연구진의 미생물 용량성 담수화는 물을 더 경제적으로 처리하고 재사용할 수 있는 가능성을 열어준다. 이 기술을 상용화하기 위해서, 이번 연구진은 BioElectric Inc.라고 하는 회사를 설립했다. 이번 연구진은 이 기술이 석유 및 가스 회사에 유용한지를 확인하기 위해서 규모를 확장하는 작업을 수행하고 있다.
이 기술을 확장하는 비용은 수압 파쇄 기술에 필요한 물 구매 비용보다 적어야 한다. 석유 및 가스 회사들이 폐수를 재사용하도록 지방 의회가 규제한다면, 이 기술은 더 매력적이게 될 것이다. 이 연구결과는 저널 Environmental Science: Water Research & Technology에 “Microbial capacitive desalination for integrated organic matter and salt removal and energy production from unconventional natural gas produced water”라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1039/C4EW00050A).
그림. 폐수를 재활용할 수 있는 장치의 구조도.
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 3월 4일]
[원문보기]
New technology could make treatment of oil and gas wastewater simpler, cheaper
Oil and gas operations in the United States produce about 21 billion barrels of wastewater per year. The saltiness of the water and the organic contaminants it contains have traditionally made treatment difficult and expensive.
Engineers at the University of Colorado Boulder have invented a simpler process that can simultaneously remove both salts and organic contaminants from the wastewater, all while producing additional energy. The new technique, which relies on a microbe-powered battery, was recently published in the journal Environmental Science Water Research & Technology ("Microbial capacitive desalination for integrated organic matter and salt removal and energy production from unconventional natural gas produced water") as the cover story.
"The beauty of the technology is that it tackles two different problems in one single system," said Zhiyong Jason Ren, a CU-Boulder associate professor of environmental and sustainability engineering and senior author of the paper. "The problems become mutually beneficial in our system--they complement each other--and the process produces energy rather than just consumes it."
The new treatment technology, called microbial capacitive desalination, is like a battery in its basic form, said Casey Forrestal, a CU-Boulder postdoctoral researcher who is the lead author of the paper and working to commercialize the technology. "Instead of the traditional battery, which uses chemicals to generate the electrical current, we use microbes to generate an electrical current that can then be used for desalination."
This microbial electrochemical approach takes advantage of the fact that the contaminants found in the wastewater contain energy-rich hydrocarbons, the same compounds that make up oil and natural gas. The microbes used in the treatment process eat the hydrocarbons and release their embedded energy. The energy is then used to create a positively charged electrode on one side of the cell and a negatively charged electrode on the other, essentially setting up a battery.
Because salt dissolves into positively and negatively charged ions in water, the cell is then able to remove the salt in the wastewater by attracting the charged ions onto the high-surface-area electrodes, where they adhere.
Not only does the system allow the salt to be removed from the wastewater, but it also creates additional energy that could be used on site to run equipment, the researchers said.
"Right now oil and gas companies have to spend energy to treat the wastewater," Ren said. "We are able to treat it without energy consumption; rather we extract energy out of it."
Some oil and gas wastewater is currently being treated and reused in the field, but that treatment process typically requires multiple steps--sometimes up to a dozen--and an input of energy that may come from diesel generators.
Because of the difficulty and expense, wastewater is often disposed of by injecting it deep underground. The need to dispose of wastewater has increased in recent years as the practice of hydraulic fracturing, or "fracking," has boomed. Fracking refers to the process of injecting a slurry of water, sand and chemicals into wells to increase the amount of oil and natural gas produced by the well.
Injection wells that handle wastewater from fracking operations can cause earthquakes in the region, according to past research by CU-Boulder scientists and others.
The demand for water for fracking operations also has caused concern among people worried about scarce water resources, especially in arid regions of the country. Finding water to buy for fracking operations in the West, for example, has become increasingly challenging and expensive for oil and gas companies.
Ren and Forrestal's microbial capacitive desalination cell offers the possibility that water could be more economically treated on site and reused for fracking.
To try to turn the technology into a commercial reality, Ren and Forrestal have co-founded a startup company called BioElectric Inc. In order to determine if the technology offers a viable solution for oil and gas companies, the pair first has to show they can scale up the work they've been doing in the lab to a size that would be useful in the field.
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