하수 속 암모니아 소재 개발

하수 속 암모니아, 유용한 자원으로 재탄생

한국건설기술연구원(원장 김병석, 이하 건설연)은 하수에서 보다 간편하게 암모니아를 선택적으로 제거 및 활용할 수 있는 흡착소재를 개발했다고 밝혔다. 하수 속에는 다양한 오염물질들이 존재한다. 암모니아는 대표적 오염물질 중 하나로 깨끗하게 정화하지 않고 방류한다면 하천의 부영양화(녹조) 및 하수처리장의 악취 발생의 원인으로 작용하고 토양산성화를 일으키는 동시에 미세먼지의 원인이 되기도 한다.

하수 내 질소(N) 성분은 하수처리시설을 통해 암모니아로 전환된 후 질산화·탈질공정을 거쳐 처리되고 있지만 처리과정 중 에너지와 자원의 소비가 높아 문제가 되고 있다. 일례로 국내 하수처리시설에서 사용되는 전력 사용량(2019년 기준)은 3천650GWh로서 국내에서 공급된 총 전력량(52만499GWh)의 0.7%에 해당되며, 이 중 30% 이상의 전력이 수중 질소(암모니아 포함)를 제거하기 위해 사용된다.

비료나 요소수 생산 등 다양한 산업 활동에 사용되는 암모니아는 생산량이 지속적으로 증가하고 있다. 하지만 국내에서 소비되는 암모니아는 전량을 수입에 의존하고 있으며, 고온·고압의 조건이 요구되는 하버-보슈법(Haber-Bosch Process)을 통해 생산되므로 에너지 소모량이 높은 것으로 알려져 있다.

하수 내 암모니아를 제거하기 않고 회수해 사용할 수 있다면 하수처리와 암모니아 생산에 사용되는 에너지를 획기적으로 저감할 수 있으며, 결과적으로 탄소배출 저감에도 기여할 수 있다. 이를 위한 연구가 전 세계적으로 수행되고 있으나 회수 과정에서 발생하는 암모니아 누출로 인한 악취문제, 개발 소재의 기술적 한계 등으로 기술의 상용화가 어렵다.

하수처리장 전력소비량·온실가스 배출량 저감 기여

이에 건설연 환경연구본부 강성원 박사 연구팀은 제작과정이 단순하고 대량생산이 가능한 암모니아 흡착소재 개발에 성공했다. 이 흡착제는 다양한 오염물질이 섞여있는 조건에서도 암모니아 선택성이 높으며, 흡착 효율 또한 타 흡착제에 비해 월등히 높은 결과를 나타냈다.

흡착된 암모니아는 간단한 재생과정을 통해 하수로부터 분리가 가능해 고농도의 암모니아수를 회수할 수 있다. 또한 이 흡착제는 단단한 결합구조로 반영구적으로 사용할 수 있어 주목되고 있다.

개발된 흡착제는 이온교환수지에 구리 헥사시아노철산염(Copper hexacynoferrate, 이하 CuHCF)라는 나노복합체이다. 암모니아를 흡착하는 물질로 알려져 있는 CuHCF는 나노입자로 수처리에 직접 적용할 경우 사용 후 회수가 어려워 실용화에 한계가 있었다. 그러나 건설연에서 개발한 소재는 1〜2㎜ 입자로 수처리에 활용할 수 있으며, 방사성 세슘 흡착용 소재 개발 과정에서 도출된 나노복합체 합성 원천기술을 토대로 개발됐다.

기존의 보편적인 생물학적 처리기술은 하수 속 암모니아를 질산화·탈질공정을 통해 질소가스 형태로 대기 중으로 배출하여 암모니아를 제거했다. 그러나 건설연에서 개발한 기술은 물리적으로 암모니아를 하수로부터 분리하여 회수하고 자원화했다는 점에서 주목받고 있다.

개발된 기술은 암모니아의 처리과정에서 배출되는 온실가스 배출을 획기적으로 저감하여 탄소중립에도 크게 이바지할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 회수한 암모니아는 수소, 비료 등과 같은 유용한 물질을 생산하는 데 활용될 수 있을 것이다.

본 연구는 환경공학분야 세계 최고 수준의 저널인 『화학공학저널(Chemical Engineering Journal)』 2월호에 게재됐으며, 과학기술정보통신부의 지원으로 건설연 목적형 R&R사업 ‘탄소중립을 위한 차세대 환경기술 연구(2021〜2022)’ 과제를 통해 개발됐다.

김병석 원장은 “하수처리시설은 환경오염방지를 위해 필수적인 사회기반시설이나 운영과정 중에 전력이 많이 소모되고 많은 온실가스가 배출되어 탄소중립적 관점에서 개선의 여지가 큰 시설이었다”면서 “건설연에서 개발한 흡착제가 하수처리장에 상용화되어 보급된다면, 전력소비량과 온실가스 배출량을 획기적으로 저감할 수 있을 것”이라고 말했다.

비료나 요소수, 세정제 원료로 쓰이는 물질이 무엇일까요? 바로 '암모니아'인데요. 이 물질은 다양한 산업 활동에서 유용한 자원으로 쓰이고 있어요. 암모니아는 분뇨와 쓰레기가 섞인 오염물이 썩으면서 만들어져요. 다양한 오염 물질과 섞여 있는 거죠. 그래서 암모니아를 사용하려면 까다로운 처리 과정을 거쳐야 해요. 화학적인 방법으로 암모니아를 만들려면 고온, 고압 환경이 필요해 에너지가 어마어마하게 들어가고요. 하수에 있는 암모니아만 그대로 회수해 사용하는 방법은 없을까요?

한국건설기술연구원은 하수에서 암모니아만 골라 달라붙게 하는 '특수 흡착제'를 개발했어요. 하수 속 암모니아는 악취를 발생시키고 토양을 오염시키기도 하는데요. 연구진은 이 점에도 주목해 하수에 있는 암모니아를 깨끗하게 뽑아내면서도 활용까지 할 수 있는 방안을 찾은 거랍니다.

연구진이 만든 '특수 흡착제'엔 암모니아를 선택적으로 골라내는 나노물질이 결합됐어요. 그래서 하수에서 암모니아를 쉽게 분리할 수 있는 거죠. 이 흡착제는 결합 구조도 단단해 반영구적으로도 사용할 수 있답니다. 연구팀은 "개발한 흡착제로 회수한 암모니아는 유용하게 사용할 수 있을 것"이라며 "암모니아 처리 과정에 드는 비용도 줄일 수 있다"고 했어요.

암모니아

▷ 하수 속 대표적 오염물질

▷부영양화와 악취를 발생시키는 원인 물질

 

BUT, 비료나 요소수 생산 등 다양한 산업 활동에 필요한 주요 자원

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한국건설기술연구원, 이러한 암모니아를 하수로부터 선택적으로 제거

및 활용할 수 있는 흡착 소재 개발

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하수 내에 있는 암모니아를 회수하여 사용 가능

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하수처리와 암모니아 생산에 사용되는 에너지 획기적 감소

궁극적으로 탄소배출 저감 효과 기대 가능

 

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