미국 라이스대학(Rice University) 소속의 연구진은 오일 유출(oil spills)로 오염된 토양을 더 적은 에너지를 사용하여 복원하고, 토양의 생식력(fertility)을 회복할 수 있는 정화 방안을 개발했다.

연구진은 산소 존재 조건 하에서 오염된 토양을 가열하는 공정이 포함된 열분해(pyrolysis)라고 알려진 공정을 이용했다. 이 접근은 신속한 복원을 위한 표준 소각 기술(standard incineration technique)보다 환경에 더 유익하다고 라이스 대학 환경공학자인 Pedro Alvarez는 밝혔다.

연구진의 본래의 목표는 오일 유출에 대한 반응 속도를 높이는 것이었지만, 연구진의 염원은 오염된 토양(contaminated soil)을 비옥한 토양(fertile soil)으로 전환하는 것으로 바뀌었다고 라이스 대학 도시 환경공학부 소속의 Alvarez는 밝혔다. Alvarez와 그의 동료 연구진은 관련 연구 논문을 Environmental Science and Technology 저널에 발표했다.

연안 오일 유출이 가장 관심을 끄는 경향이 있지만, 오일 유출의 98%는 육지에서 발생한다. 전 세계 산업계와 정부는 오일 유출을 정화하는 데 연간 100억 달러 이상의 비용을 지출하고 있다.

연구진이 제안한 공정에 따르면, 420℃에서 오염된 토양의 열분해가 다루기 힘든 무거운 탄화수소를 석유 코크스와 같은 탄소를 함유한 재료인 숯으로 전환시키고, 토양 비옥도(soil fertility)를 강화시켰다. 열분해 처리는 전체 석유 탄화수소(TPH; total petroleum hydrocarbon)를 600~1200℃에서 소각에 필요한 에너지의 단 40~60%만을 이용하여 3시간 이내에 일반적으로 중량당 0.1% 미만의 규제 수준(regulatory standards) 이하로 감소시켰다. 뿐만 아니라 남아 있는 탄소를 유익한 숯(char)으로 전환함으로써 토양 비옥도를 강화시킨다.

다환 방향족 탄화수소(PAHs; polycyclic aromatic hydrocarbons)의 형성은 관찰되지 않았지만, 열분해 후 수준은 적용 기준(applicable standards) 이하였다. 식물 성장 연구는 오염된 토양 또는 소각된 토양에서보다 열분해 된 토양에서 애기 장대(Arabidopsis thaliana)와 상추(Lactuca sativa)의 보다 더 높은 바이오매스 생산을 보여 주었다.

원소 분석은 열분해 된 토양이 소각된 토양보다 더 많은 탄소(각각 1.4-3.2%와 0.3-0.4%)를 함유한다는 것을 보여주었다. 열분해된 토양과 소각된 토양 사이의 극명한 색상 차이는 열분해를 통하여 생성된 탄소를 함유한 재료가 코팅된 토양 입자 층의 형태에서 분산됐다는 사실을 제안했다.

초기에 연구진은 탄화수소를 생물 숯으로 전환시킬 수 있을 것으로 생각했다고 Alvarez는 밝혔다. 연구진은 부분적으로 오류를 겪어서 생물 숯을 얻을 수 없었지만, 숯이라고 부르는 코크스(coke)와 유사한 탄소를 함유하는 재료(carbonaceous material)를 얻었다.

그러나 연구진은 독성 오염물질과 식물이 필요한 물을 반발시키는 소수성(hydrophobicity)을 제거한다는 생각이 옳았으며, 탄소와 영양분의 일부를 보유함으로써 식물 성장을 강화할 수 있었다고 Alvarez는 밝혔다.

연구진은 실험실에서 개간지에서 상추를 성공적으로 재배함으로써 이론을 입증했다. 석유 독성을 테스트하기 위한 표준으로 공식적으로 승인된 식물은 없었지만, 상추는 독소, 특히 석유에 매우 민감한 것으로 공인되어 왔다고 라이스 대학 석사 과정 학생이며 이 논문의 주저자인 Julia Vidonish는 밝혔다. 개간지 토양은 식량을 재배하는데 사용될 필요는 없지만, 재녹화에 사용될 수 있을 것이다. 부식을 최소화하고, 식생을 복원하기 위하여 풀을 식수했다고 Alvarez는 밝혔다.

연구진의 공정은 부분적인 열 탈착(thermal desorption)이지만, 석유 화학을 이용하는 것이라고 라이스대학 화학 공학과 소속이며 공동 저자인 Kyriacos Zygourakis는 밝혔다. 산소 존재 하에 약 420℃로 오염된 토양을 가열함으로써, 연구진은 먼저 더 가벼운 탄화수소를 제거했다. 이 공정은 탈착 부분이다. 그러나 온도가 350℃ 이상이 되었을 때, 높은 분자량을 가지는 탄화수소인 레진과 아스팔텐(asphaltene)은 일련의 부서짐 반응과 중합 반응을 겪게 되어 정제 공정에서 생성되는 석유 코크스와 유사한 고체의 숯을 형성한다.

연구진은 처리된 토양에서 탄화수소를 일부 남겼지만 보다 더 우호적인 형태인 고체를 형성했다고 그는 밝혔다. 미국 환경보호청(EPA; Environmental Protection Agency)은 유해한 폐기물로 석유 코크스를 분류하고 있지 않다. 반면에 만약 당신이 모든 것을 제거하기를 바란다면, 당신은 온도를 더 높여야만 하고, 숯을 소각시키기 위하여 산소를 도입해야 한다. 그러나 당신은 토양을 파괴할 수 있으며, 40~60% 더 많은 에너지를 사용해야 한다.

오일을 함유한 토양을 열분해시킴으로써 생성된 숯은 생물 숯과는 다르다고 라이스 대학 생물지구화학자이며 공동 저자인 Caroline Masiello는 밝혔다. 생물 숯이 입자 자체인 반면, 코크스와 유사한 숯은 기존 토양 입자를 코팅하는 것처럼 보인다.

생물 숯은 토양의 광조(mineral grains)로부터 분리된 입자라고 Masiello는 밝혔다. 생물 숯은 물과 영양분을 보유할 수 있으며, 미생물에 서식지를 제공하는 내부 물리적 구조를 가진다. 그러나 이 연구에서, 연구진은 생물 숯과 같은 것을 만드는 것이 아니라 광물을 코팅하는 유기막(organic film)을 만들었다.

Vidonish는 이 공정이 규모 확대가 가능하고, 기존 복원 장치로 작동할 수 있다고 밝혔다. 소각과 열 탈착은 이미 확립된 기술이지만 다른 기술이며 유사성이 있다고 그녀는 밝혔다. 연구팀은 기업이 휴대가 가능한 현장 규모의 열 탈착 유닛을 가지고 다니면서, 열분해를 적용하기 위하여 수정할 수 있기를 기대한다고 Vidonish는 밝혔다.

연구진이 유해한 오염물질을 제거하는 동시에 농업적 가치가 있는 최종 제품을 확보할 수 있다는 것을 증명했다고 Zygourakis는 밝혔다. 공정을 최적화하는데 많은 연구가 남아 있다고 Vidonish는 밝혔다. 연구진은 향후 열분해 시간과 온도가 토양에서 숯의 질에 어떻게 영향을 끼칠 것인가를 연구할 계획이다.
그림1> 오염된 토양을 열분해 공정을 이용하여 전체 석유 탄화수소를 연방 기준 이하로 낮추는 한편, 토양에 유익한 탄소를 남긴다.

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 8월 27일]

 

 

They use a process known as pyrolysis, which involves heating contaminated soils in the absence of oxygen. This approach is much better for the environment than standard incineration techniques for fast remediation, said Rice environmental engineer Pedro Alvarez.

"Our original goal was to speed the response to oil spills, but our aspiration was to turn contaminated soil into fertile soil," said Alvarez, the George R. Brown Professor and chair of Rice's Civil and Environmental Engineering Department.

The new paper by Alvarez and his Rice colleagues in the American Chemical Society journal Environmental Science and Technology demonstrates how they've done just that.

Off-shore oil spills tend to get the most attention, Alvarez said, but 98 percent of spills - more than 25,000 per year—occur on land. Industry and governments worldwide spend more than $10 billion annually to clean up oil spills.

The Rice team found that pyrolyzing contaminated soil for three hours not only reduced the amount of petroleum hydrocarbons left to well below regulatory standards (typically less than 0.1 percent by weight), but also enhanced the soil's fertility by turning the remaining carbon into beneficial char.

"We initially thought we could turn the hydrocarbons into biochar," Alvarez said. "We turned out to be partly wrong: We didn't get biochar, but [we got] a carbonaceous material that we call char and resembles coke.

"But we were correct in thinking that by removing toxic pollutants and the hydrophobicity that repels water that plants need, and by retaining some of the carbon and perhaps some of the nutrients, we would enhance plant growth," he said.

The researchers proved that by successfully growing lettuce in reclaimed soil in the lab. "There's no one plant officially accepted as the standard for testing petroleum toxicity, but lettuce has been accepted by the community as very sensitive to toxins, especially petroleum," said Rice graduate student Julia Vidonish, the paper's lead author. "Reclaimed soil may not necessarily be used to grow food, but it certainly could be used for re-greening: planting grass to minimize erosion and to restore vegetation," Alvarez said.

"Our process is part thermal desorption, but it takes advantage of petroleum chemistry," said Rice chemical engineer and co-author Kyriacos Zygourakis. "By heating the contaminated soils to about 420 degrees Celsius in the absence of oxygen, we first drive out the lighter hydrocarbons. That's the desorption part. But when the temperature gets above 350 degrees, the high-molecular-weight hydrocarbons, the resins and asphaltenes, undergo a series of cracking and condensation reactions to form solid char, similar to the petroleum coke produced in refineries.

"We leave some of the hydrocarbons in the treated soil but in a solid, more benign form," he said. "The Environmental Protection Agency does not classify petroleum coke as hazardous waste. If, on the other hand, you want to remove everything, you have to raise the temperature even higher and introduce oxygen to incinerate the char. But you destroy the soil and use 40 to 60 percent more energy."

The char produced by pyrolyzing oil-soaked soil is different from biochar, Rice biogeochemist and co-author Caroline Masiello said. Where biochar is a particle unto itself, the coke-like char appears to coat existing soil particles.

"Biochar is a particle that is separate from the soil's mineral grains," she said. "It has an internal physical structure that allows it to hold water and nutrients and provides a home for microbes, but here, we're not making any of those things. We're making an organic film that coats the minerals."

Vidonish said the process is scalable and should work with existing remediation equipment. "Incineration and thermal desorption are established technologies, and while this is different, there are similarities," she said. "We expect companies can take a mobile, field-scale thermal desorption unit and make a couple of modifications to do pyrolysis."

"We proved we can remove all the bad actors and all the contaminants and at the same time have a final product with agricultural value," Zygourakis said. "We don't just turn it into desert sand."

Much work remains to optimize the process, Vidonish said. "Moving forward, we want to understand how the pyrolysis time and the temperature affect the quality of the char in the soil," she said.

 

 

[원문출처 : http://phys.org/news/2015-08-scientists-oily-soil-fertile-ground.html]