[캐나다] 나노입자로 물속 오염물질을 제거할 수 있는 저렴한 방법
캐나다 연구진은 단지 태양광과 나노입자를 사용해서 오일 샌드 폐수 속의 오염물질을 제거할 수 있는 새로운 프로세스를 개발했다. 이 프로세스는 기존의 처리 방법보다 더 효율적이고 더 저렴하다.
워털루 대학(University of Waterloo)과 캐나다 리서치 체어(Canada Research Chair in Nanotechnology Engineering)의 연구진은 광촉매(나노입자에 의한 광 흡수가 포함된 화학 반응)가 오일 샌드 폐수 속의 나프텐산(naphthenic acid)을 수 시간 내에 완벽하게 제거할 수 있다는 것을 최초로 발견했다. 나프텐산은 생태계와 인간 건강에 해로운 영향을 끼친다. 나프텐산이 포함된 물은 환경 속에서 자연적으로 나프텐산을 천천히 생분해하지만 수십 년이 걸린다.
“앨버타주(Alberta)의 인공호 속에 저장된 수십 억 톤의 물에서 나프텐산을 제거하는 것은 캐나다의 가장 큰 환경적 이슈 중의 하나”라고 이 연구의 주저자인 Tim Leshuk가 말했다. “기존의 처리 방법은 잘 작동하지 않거나 이런 문제를 해결하는데 고가의 비용이 든다. 우리의 기술은 매우 실용적이고 청정한 처리 방법을 위한 첫 번째 단계”가 Leshuk가 덧붙였다.
염료 또는 멤브레인 필터로 오염된 물을 처리하는 것과 달리, 이번 연구진의 기술은 에너지 효율적이고 상당히 저렴하다. 나노입자들은 태양광에 노출될 때 큰 반응을 발생시키고, 각각의 원자 속의 오염물질을 지속적으로 분해해서 그들을 물속에서 완전히 제거한다. 이런 처리 프로세스에는 태양광 에너지만을 사용하고, 나노입자들은 회수되어서 재사용될 수 있다.
이번 연구진의 다음 단계 연구는 처리된 물이 캐나다 환경 법규 및 규정에 모두 충족하는지를 확인하는 것이 될 것이다. 또한 인공호보다 더 큰 규모의 수원에서도 안전하게 적용될 수 있는지를 확인할 필요가 있다.
캐나다 오일 샌드 속의 비투멘 채굴(Bitumen mining)은 오일 샌드를 처리한 물(oil sands process-affected water, OSPW)을 대량으로 생성한다. 이것은 나프텐산과 산에서 추출된 유기물(acid extractable organic, AEO)의 영향 때문에 독성을 가진다. 이 연구의 목적은 OSPW에서 AEO를 제거하기 위해서 광촉매인 TiO2의 잠재력을 평가하는 것이다. 자연광(하루 14시간 동안에 25 MJ/m2 이상)은 OSPW에서 AEO를 근절했고, 비브리오 피셔리(Vibrio fischeri)에 대한 OSPW의 급성 독성을 제거했다.
거의 완벽한 유기 탄소의 광물화는 1~7일의 태양광 노출 하에서 달성되었고, 분해는 과산화물 매개된 산화 경로를 통해서 진행되었다. 산화된 중간체 화합물의 고분해능 질량 분석(High resolution mass spectrometry)은 더 무겁고 더 순환적인 나프텐산(더 높은 수의 이중 결합을 가지고 있음)을 우선적으로 분해한다는 것을 보여주었다. 이것은 가장 친환경적인 방법이다. 광촉매는 다중 용도로 재활용될 수 있다. 이번 연구진은 광촉매가 OSPW 처리를 위한 유망한 첨단 산화 프로세스에 적용될 수 있다는 것을 증명했다.
이 연구결과는 저널 Chemosphere에 “Solar photocatalytic degradation of naphthenic acids in oil sands process-affected water”라는 제목으로 게재되었다.
그림. TiO2를 이용한 광촉매 과정을 보여주는 이미지.
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 11월 27일]
[원문보기]
New, inexpensive way to clean water from oil sands production with nanoparticles
Researchers have developed a process to remove contaminants from oil sands wastewater using only sunlight and nanoparticles that is more effective and inexpensive than conventional treatment methods (Chemosphere, "Solar photocatalytic degradation of naphthenic acids in oil sands process-affected water").
Frank Gu, a professor in the Faculty of Engineering at the University of Waterloo and Canada Research Chair in Nanotechnology Engineering, is the senior researcher on the team that was the first to find that photocatalysis -- a chemical reaction that involves the absorption of light by nanoparticles -- can completely eliminate naphthenic acids in oil sands wastewater, and within hours. Naphthenic acids pose a threat to ecology and human health. Water in tailing ponds left to biodegrade naturally in the environment still contains these contaminants decades later.
"With about a billion tonnes of water stored in ponds in Alberta, removing naphthenic acids is one of the largest environmental challenges in Canada," said Tim Leshuk, a PhD candidate in chemical engineering at Waterloo. He is the lead author of this paper and a recipient of the prestigious Vanier Canada Graduate Scholarship. "Conventional treatments people have tried either haven't worked or if they have worked they've been far too impractical or expensive to solve the size of the problem. Waterloo's technology is the first step of what looks like a very practical and green treatment method."
Unlike treating polluted water with chlorine or membrane filtering, the Waterloo technology is energy-efficient and relatively inexpensive. Nanoparticles become extremely reactive when exposed to sunlight and break down the persistent pollutants in their individual atoms, completely removing them from the water. This treatment depends on only sunlight for energy, and the nanoparticles can be recovered and reused indefinitely.
Next steps for the Waterloo research include ensuring that the treated water meets all of the objectives Canadian environmental legislation and regulations required to ensure it can be safely discharged from sources larger than the samples, such as tailing ponds.
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