[뉴테크] 폐수 재활용해 암모니아 만든다… “지속 가능한 연료·비료 생산”

美연구진, 질산염 포함 폐수에서 암모니아, 물, 산소 얻는 장치 개발

일본 아이치현에 위치한 화력 발전소의 암모니아 탱크./로이터 연합뉴스

미국 연구진이 질산염이 포함된 폐수를 암모니아와 물, 산소로 전환하는 방법을 발견했다. 암모니아는 대표적인 비료 성분이고 태워도 이산화탄소가 나오지 않는 친환경 선박 연료로도 쓰인다. 앞으로 폐수를 처리하면서 에너지가 많이 들지 않는 친환경 공정으로 암모이나를 생산할 수 있을 것으로 기대된다.

미국 라이스대 연구진은 농업이나 산업 공정에서 나오는 폐수에서 암모니아를 얻을 수 있는 장치를 개발했다고 13일 발표했다. 연구 결과는 이날 국제 학술지 ‘네이처 촉매(Nature Catalysis)’에 공개됐다.

암모니아는 세계에서 가장 많이 생산되는 화학 물질 중 하나로 연료나 비료로 쓰인다. 비료로 쓰이는 암모니아의 양만 1억 8000만t에 달한다. 냉장 시스템, 종이, 세척용품을 포함한 다양한 산업에서 쓰는 양까지 합하면 매년 수억 t씩 사용된다. 고온, 고압 조건에서 생산하다 보니 전 세계 에너지 소비량의 약 2%가 쓰인다. 전 세계 이산화탄소 배출량으로 보면 전체의 1.4%를 차지한다.

연구진은 질산염이 섞인 산업, 농업 하수를 상온에서 암모니아와 물로 전환할 수 있는 장치를 설계했다. 폐수 속 질산염은 전기를 흘리는 전해질이 있는 조건에서 암모니아와 물, 수소로 전기분해된다. 펭양 첸 라이스대 연구원은 “비슷한 반응기가 이전에도 나왔지만, 폐수에 산과 염기성 이온이 결합한 염을 전해질로 계속 첨가해야만 전기분해 전극이 제대로 작동했다”며 “이번에 구멍이 숭숭 뚫린 다공성 고체 전해질을 사용해 첨가제 없이도 폐수를 바로 분해할 수 있었다”고 설명했다.

이번에 개발한 장치는 약 1시간 만에 폐수 100mL를 처리했다. 10일 동안 연속으로 가동하는 데에도 성공했다. 생산된 암모니아는 바로 연료, 비료로 활용할 수 있었고, 정제수는 세계보건기구(WHO)의 식수 규정을 충족할 만큼 깨끗했다. 연구진은 “폐수를 활용해 더 지속 가능한 방법으로 암모니아를 생산할 수 있다”고 설명했다.

연구진은 실제 환경에 장치를 적용할 수 있을지 평가할 계획이다. 첸 연구원은 “궁극적으로 농장이 태양광이나 풍력으로 작동하는 장치로 지역 폐수를 처리해 암모니아를 연료, 비료로 바로 재사용하는 것”이라며 “지역 기업이나 농장에 적용할 수 있도록 장치를 개선하겠다”고 밝혔다.

참고 자료

Nature Catalysis(2024), DOI: https://doi.org/10.1038/s41929-024-01200-w

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