[독일] 프라운호퍼 환경연구소, 활성탄에 기초한 하·폐수 미량물질 제거 연구

하·폐수처리장은 오수·하수와 폐수를 처리하기 위해 다양하고 효과적이고 확립된 공정을 채택하고 있다. 그러나 아직까지 미량물질을 제거하는 데 이상적이고 균일하게 인식되는 방법은 없다. 프라운호퍼 환경안전에너지연구소(Fraun-hofer Institute for Environmental, Safety, and Energy Technology UMSICHT) 연구원들이 이를 바꾸려 하고 있다.

 '제로트라스(ZeroTrace)'라고 알려진 프로젝트에서, 그들은 자체 활성 탄소 합성물과 새로 개발된 전기 재생 과정을 결합하는 통합 접근법을 추구하고 있다. 그 결과는 효율성과 지속가능성 및 대규모 실행 가능성을 약속하는 방법이다.

독일 사람들이 수도꼭지를 틀 때, 그들은 일반적으로 흘러나오는 물이 마시기에 적합하다고 확신할 수 있다. 이것은 본질적으로 하·폐수에서 불순물을 제거하기 위해 매우 효과적인 다양한 기계적, 생물학적 및 화학적 방법을 사용하는 수많은 처리장에 달려 있다.

그러나 의약품 잔류 물, 가정용 화학물질 및 X-선 영상에 사용되는 조영제와 같은 미량 물질은 제거하기가 더 어렵다. 불행히도, 이는 매우 낮은 농도에서도 인간과 동물 모두에게 심각한 위험을 초래할 수 있다.

이 문제를 다루기 위해, 점점 더 많은 식물들이 현재 그러한 미량 물질을 제거하도록 설계된 추가적인 수준의 처리로 개조되고 있다.

여기에는 문제가 되는 부산물을 만들 수 있는 화학적 산화처리 과정이 포함된다. 그러나 대체로 선택 방법은 활성탄이다. 활성탄은 매우 다공성 구조를 가지고 있어 안팎으로 넓은 표면적을 제공한다.

활성탄 4g은 축구장 크기의 표면적을 가지고 있다. 충전 상태에 따라 다른 물질을 흡수 할 수 있다. 마치 스펀지가 액체를 흡수하는 것과 같다.

■지속가능성에 대한 관심 증가
일반적으로 활성탄은 하·폐수에서 미량물질을 효과적으로 제거하는 방법을 제공한다. 그러나 실제로는 종종 중요한 단점이 있다. 일카 게르케(Ika Gehrke)는 오버하우젠( Oberhausen)에 있는 프라운호퍼 환경안전에너지연구소(Fraun-hofer Institute for Environmental, Safety, and Energy Technology UMSICHT)의 환경자원 사용부서의 책임자이다.

그녀는 다음과 같이 설명한다. "현재 대부분의 공정은 활성탄을 분말 형태로 사용한다. 이물질이 최대한 많은 물질을 흡착하면 연소에 의해 폐기된다. 특히 활성탄은 종종 재생 불가능한 원료, 즉 표준 흑탄으로 만들어지기 때문에 지속 가능성 측면에서 분명히 큰 문제이다."

따라서 프라운호퍼 환경안전에너지연구소(Fraun-hofer Institute for Environmental, Safety, and Energy Technology UMSICHT)의 연구원들은 독일 연방 교육 연구부가 자금을 지원하는 공동 프로젝트에 많은 산업 파트너들과 협력해왔다.  '제로트라스(ZeroTrace)'는 하·폐수에서 미량물질을 제거하기 위해 활성탄 사용을 최적화하는 것을 목표로 한다.

연구팀은 혁신경영과 자원보전에 대한 조사도 포함하는 통합접근법을 추진 중이다. 따라서 처음부터 연구자들은 이 분야의 혁신을 추진하거나 방해하는 다양한 요인을 고려할 수 있었다.

일카 게르케(Ika Gehrke)와 연구팀은 나무나 코코넛 껍질과 같은 재생 가능한 물질로 만들어진 세밀한 활성탄의 사용을 조사하고 있다. 분말 형태의 활성탄과는 달리, 이 과립들은 매우 높은 온도에서 처리함으로써 다시 활성화될 수 있다.

이것은 흡착된 물질을 제거하여 재사용을 위해 재활성화 한다. 그러나 현재 이 사용된 탄소는 종종 재활성화를 위해 장거리로 운반되어야 한다. 게다가, 탄소 조각이 유동층에서 함께 혼합되면 마모가 심해 재료가 상당히 고갈된다.

■ 적절한 재생 방법이 올바른 시동 제품으로 이어졌다.
따라서 연구원들은 하·폐수처리장에서 직접 수행할 수 있는 재생 프로세스를 개발하는 데 초점을 맞췄다. 이 과정은 전기장의 물리적 효과를 이용한다고 일카 게르케(Ika Gehrke)는 설명한다. 가스정화와 관련해 다른 이들이 이미 추진해온 아이디어다. 프로젝트를 위해, 우리는 많은 원칙들을 유동적인 시나리오로 옮길 수 있었다.

당시에는 전기 공정이 매우 비쌌기 때문에 결국 연구는 보류되었다. 하지만 이제 우리는 재생 가능한 에너지에서 생산되는 잉여 전력을 점점 더 활용할 수 있게 될 것이다. 미래에는, 우리는 피크 발전 시 값싼 전력을 이용할 수 있게 될 것을 기대할 수 있다.

이 새로운 과정의 이면에 있는 아이디어는 전기장 스윙 흡착(EFSA)이라고 알려진 현상에 기초한다: 사용 후 탄소는 흡착된 오염물질이 탈취되거나 연소될 정도로 전기적으로 가열된다.

이것이 작동하려면 활성탄과 원자로가 모두 특정 규격을 충족해야 한다. 활성탄은 필요한 양의 전력을 전도할 수 있도록 충분히 높은 전기 전도성을 가져야 한다.

그러나 동시에 전류가 흐를 때 필요한 온도로 가열될 수 있도록 전기 저항도 충분히 높아야 합니다. 이 목적을 위해 일카 게르케(Ika Gehrke)와 연구팀은 그들만의 활성탄소 화합물을 개발했다.

기본 재료는 흑연과 혼합된 가루 숯이다. 이것은 흡착 성질에 아무런 저하 없이 정상적인 활성탄의 3배에 달하는 전기 전도성을 가지고 있다.

원자로는 최대 섭씨 650도까지 견딜 수 있는 방식으로 시공하는 것이 가장 큰 어려움이었다. 일카 게르케(Ika Gehrke)와 연구팀은 지속적인 재생 과정을 선택했다. 컨베이어를 통해 정착 탱크에서 소량의 사용 후 탄소를 지속적으로 제거하고 이를 재생한 후 다시 탱크에 주입하는 것이 아이디어다.

이것은 한 번에 총 사용 후 탄소의 일부 이상을 처리할 필요가 없기 때문에 상대적으로 작은 원자로만 필요로 하며, 재생 자체는 몇 분밖에 지속되지 않기 때문이다.

그리고 사용 후 탄소가 원자로 내에서 이동하지 않기 때문에, 최소한의 마모만 있기 때문에, 우리는 사이클당 최대 10%의 새로운 활성탄만 보충하면 된다고 추정한다.

■ 잠재력이 큰 유망한 결과
이 활성탄 합성물의 사용은 산업 파트너인 우페르탈 부첸호펜(Wuppertal-Buchenhofen)의 하수처리장에서 테스트를 거쳤으며, 이 처리장에서 미량물질을 성공적으로 흡착하는 것으로 나타났다.

재생 과정을 시험하기 위해, 연구원들은 처리장에서 제거된 장소에 원형 원자로를 설치했다. 40∼50리터의 용량을 가진 이 원자로도 고무적인 결과를 가져왔다.

거의 3년간의 프로젝트 단계가 끝나면 일카 게르케(Ika Gehrke)는 다음과 같이 자신 있게 대답한다. "우리의 테스트 결과 우리의 프로세스가 자원을 보존할 뿐만 아니라 경제적이고 경쟁력 있는 것으로 나타났다. 현재 협력사는 하수처리장 현장에 위치한 스케일업 파일럿이 참여하는 후속 사업을 논의하고 있다."

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An Integrated Approach Based On Activated Carbon Removes Trace Substances From Wastewater

Wastewater plants employ a variety of effective and established processes to treat sewage and wastewater. As yet, however, there is no ideal, uniformly recognized method for removing trace substances. Researchers from the Fraun-hofer Institute for Environmental, Safety and Energy Technology UMSICHT are seeking to change this.

In a project known as ZeroTrace, they are pursuing an integrated approach that combines their very own activated carbon composite with a newly developed electrical regeneration process. The result is a method that promises efficiency, sustainability and large-scale viability.

When people in Germany turn on the faucet, they can usually be confident that the water flowing out is more than fit to drink. This is essentially down to the large number of treatment plants, which employ a variety of highly effective mechanical, biological and chemical methods to rid our wastewater of impurities.

Yet trace substances such as pharmaceutical residues, household chemicals and the contrast agents used in X-ray imaging are more difficult to remove. Unfortunately, these can pose a serious danger to both humans and animals, even in very low concentrations.

In order to deal with this problem, more and more plants are now being retrofitted with an additional level of treatment, designed to remove such trace substances. This includes the use of chemical-oxidative processes, which can create problematic byproducts.

By and large, however, the method of choice is activated carbon. Activated carbon has an extremely porous structure, which gives its a huge surface area, inside and out. Four grams of activated carbon has a surface area the size of a soccer field. It is able to adsorb other substances - according to their charged state - like a sponge soaking up a liquid.

Increased focus on sustainability
Generally speaking, activated carbon offers an effective way of removing trace substances from wastewater. In practice, however, there is often a key drawback. Ilka Gehrke is head of the environment and resource usage department at the Fraunhofer Institute for Environmental, Safety and Energy Technology UMSICHT in Oberhausen. She explains.

"At present, most processes use activated carbon in powder form. Once this has adsorbed as much material as it can, it is disposed of by combustion. Now that’s obviously a big problem in sustainability terms, especially since activated carbon is often made from a nonrenewable raw material - namely, standard black coal."

Researchers from Fraunhofer UMSICHT have therefore teamed up with a number of industrial partners on a joint project funded by the German Federal Ministry of Education and Research. ZeroTrace aims to optimize the use of activated carbon for the removal of trace substances from wastewater.

The research team is pursuing an integrated approach that also includes an investigation into innovation management and resource conservation. From the very beginning, researchers have therefore been able to take into account the various factors driving or inhibiting innovation in this field.

Gehrke and her team are investigating the use of granular activated carbon made of renewable materials such as wood or coconut husks. Unlike activated carbon in powder form, these granules can be reactivated by treatment at a very high temperature.

This removes the adsorbed substances, thereby reactivating the spent carbon for reuse. At present, however, this spent carbon often has to be transported over long distances for reactivation. Moreover, when the pieces of carbon are mixed together in a fluidized bed, there is high abrasion, leading to a substantial depletion of material.

A suitable regeneration method led to the right starting product
The researchers therefore focused on developing a regeneration process that could be carried out directly at wastewater treatment plants. The process uses a physical effect of electrical fields, Gehrke explains. It’s an idea that others have already pursued in relation to gas purification. For our project, we were able to transfer a lot of the principles to a liquid-based scenario.

Back then, electrical processes were highly expensive, so the research ended up being shelved. But now we’re going to be able to make increasing use of the surplus power produced from renewable sources. In the future, we can expect to see cheap power becoming available at times of peak generation.

The idea behind the new process is based on a phenomenon known as electric field swing adsorption (EFSA): the spent carbon is heated electrically to the point where the adsorbed pollutants are either desorbed or combusted. For this to work, both the activated carbon and the reactor must meet certain specifications.

The activated carbon has to have a sufficiently high electrical conductivity, so that it conducts the required amount of power. At the same time, however, it must also have a sufficiently high electrical resistance, so that it heats up to the required temperature as the current flows through it. For this purpose, Gehrke and her team developed their very own activated carbon composite.

The base material is powdered charcoal, which is mixed with graphite. This endows it with an electrical conductivity three times that of normal activated carbon, without any diminution in its adsorption properties. As for the reactor, the chief difficulty was to construct it in such a way that it could withstand temperatures of up to 650 degrees Celsius. Gehrke’s team have opted for a process of continuous regeneration.

"The idea is to continuously remove small quantities of spent carbon from the settling tank by means of a conveyor, to regenerate this and then feed it back into the tank. This only requires a relatively small reactor, because it never has to process more than a fraction of the total spent carbon at any one time, and the regeneration itself only lasts a few minutes. And, as the spent carbon does not move around within the reactor, there is minimal abrasion, so we estimate that we will only have to replenish it with a maximum of 10 percent new activated carbon per cycle."

Promising results with big potential
Use of this activated carbon composite has undergone trials at the wastewater treatment plant of industrial partner Wuppertal-Buchenhofen, where it was shown that it successfully adsorbs trace substances. To test the regeneration process, the researchers set up a prototype reactor at a location removed from the treatment plant. This reactor, which has capacity of 40 to 50 liters, also delivered encouraging results.

At the end of an almost 3-year project phase, Gehrke is therefore confident: "Our tests have shown not only that our process conserves resources but also that is economical and competitive." At present, the partners are discussing possible follow-up projects involving scaled-up pilots located on site at the wastewater treatment plant.

{출처=워터온라인(https://www.wateronline.com/doc/an-integrated-approach-based-carbon-removes-trace-substances-wastewater-0001) / 2021년 2월 1일]