황산(H2SO4)은 세계에서 가장 많이 사용되는 화학 물질이다. 황산은 많은 산업에서 사용되는 중요한 시약이며 종이, 의약품 및 화장품에서 배터리, 세제 및 비료에 이르기까지 모든 제조산업에 사용된다고 해도 과언이 아니다.

따라서 황산에 가장 독성이 강한 물질 중 하나인 수은이 포함돼 있다는 사실은 전 세계적으로 해결해야 할 과제 중 하나이다. 스웨덴 찰머스 공과 대학교(Chalmers University of Technology)의 연구팀은 황산의 수은 수치를 낮은 수준에서도 90% 이상 줄일 수 있는 방법을 개발했다고 밝혔다.

비외른 위크만(Björn Wickman) 찰머스 대학 물리학과의 부교수는 “지금까지 황산을 정제하는 실행 가능한 방법이 전혀 없었다"며 "이번 연구를 통해 황산 내 수은 함량을 급격하게 감소시켜 현재 제한 값보다 훨씬 낮은 수준의 황산을 생산할 수 있으며, 이러한 순수한 고품질의 황산은 산업 응용 분야에서 수요가 높고 환경 영향 또한 줄이는 데 도움이 된다”고 설명했다.

황산은 석유 산업의 황이나 광산 산업의 제련소에서 부산물로 생산된다. 후자의 경우, 수은이 자연적으로 광석에 존재할 수 있으며, 제련소의 재활용수에도 수은이 포함될 수 있다.

수은은 휘발성이고 넓은 지역에 걸쳐 공기에 분산될 수 있기 때문에 세계적인 문제가 되고 있다. 수은은 비가 올 때 강과 호수로 유입되며, 이는 토양, 물 및 살아있는 유기체에 잔재해 전체 먹이 사슬에 영향을 미친다. 이로 인해 인간과 동물의 뇌와 중추신경계를 손상시킬 수 있다.

유엔환경계획(United Nations Environment Program, UNEP)의 보고서에 따르면 대기 중 수은의 방출량은 2010년에서 2015년 사이에 약 20% 증가했다고 한다. 2015년에는 시멘트 제조, 소규모 금 채굴, 석탄 연소, 금속 생산 및 기타 제조 산업과 같은 인간 활동의 결과로 약 2천200톤의 수은이 대기 중으로 배출됐다.

게다가, 약 1천800톤의 수은이 같은 해 결국 토양과 물에 들어갔다. 이 보고서에 따르면 대기 중의 수은 농도가 지난 세기에 450% 증가했을 수도 있다고 한다.

전기화학을 사용해 금속 흡착

5년 전 찰머스 대의 연구팀은 전기화학 공정을 사용해 물에서 수은을 제거하는 선구적인 방법을 발표했다. 이 방법은 독성 금속을 흡착하고 합금을 형성하는 금속 전극을 기반으로 한다.

그 다음으로 수은을 안전하게 제거하고 전극을 재사용할 수 있다. 이제 연구원들은 이 기술을 한 단계 더 발전시켰고 새로운 연구에서 농축된 황산에서 수은을 제거할 수 있는 방법을 보여줬다.

황산에 대한 실험은 물과 화학물질에서 수은을 제거하는 것을 목표로 찰머스 기업가 정신 학교에서 파생된 광산 및 금속 정제 회사인 볼리덴(Boliden)과 아티윰(Atium)과 협력해 물과 화학 물질에서 수은을 제거하는 것을 목표로 수행했다. 연구팀은 이제 파트너사와 함께 황산이 흐르면서 동시에 정제될 수 있는 반응기 유형을 개발할 수 있기를 기대한다.

비용 및 환경 영향 감소 가능성

오늘날 수은은 대부분 황산이 생산되기 전에 농축물과 제련소의 재활용수 초기 단계에서 제거된다. 이는 확립된 공정이지만 최종 제품의 미량의 수은을 남긴다.

본 연구의 제1저자인 베라 로스(Vera Roth) 찰머스 대의 박사 과정생은 황산을 정제하는 것은 추가적인 수은 배출을 방지하는 동시에 산업계가 보다 비용 효율적으로 운영하고 고순도 무독성 제품을 생산할 수 있도록 한다"면서 "다음 단계는 이 방법을 수천 톤의 실제 용량에 더 가까운 파일럿 공정로 확장하는 것이다"라고 말했다.

황산, 수은 함유량에 대한 한계값

스타티스타(Statista) 데이터베이스에 따르면 전 세계 황산 시장 규모는 연간 약 2억6천만 톤에 달한다. 2029년까지 이 수치는 3억1천400만 톤으로 증가할 것으로 예상된다. 황산의 수은 함량이 낮을수록 더 가치가 있다.

상업용 목적의 황산은 수은 함량이 킬로그램당 0.30밀리그램 미만일 때 허용 가능한 품질로 간주된다. 함량이 0.08mg/kg 미만이면 황산은 순도가 높은 것으로 간주된다. 새로운 방법으로 연구팀은 파일럿 연구에서 수은 수치를 황산 1kg당 0.02mg으로 저감시켰다.

위크만 교수는 “황산 수은의 함유량에 대한 한계값은 현재 사용 가능한 기술을 기반으로 한다"며, "황산을 처리하는 새로운 방법을 통해 우리는 수은 수치가 일반적으로 훨씬 더 높은 전 세계적 관점에서 한계값에 대한 법률이 강화되기를 희망한다”라고 강조했다.

연구 방법 및 추가 정보

처리 방법은 먼저 수은 이온을 금속 형태로 환원시킨 다음 금속 수은을 백금과의 합금으로 결합시켜 전극 표면에 코팅함으로써 황산에서 수은을 제거한다. 그 다음 수은을 제거하고 제어된 방식으로 전극을 재생할 수 있다. 이는 전극을 재사용할 수 있고, 독성 물질을 안전하게 폐기할 수 있음을 의미한다. 또한 이 공정은 에너지 효율 또한 매우 높다. 

'백금의 전기화학 합금 형성에 의한 농축 황산에서 수은 제거(Mercury Removal from Concentrated Sulfuric Acid by Electrochemical Alloy Formation on Platinum)'라는 제목의 논문은 과학 저널인 『ACS ES&T 엔지니어링(ACS ES&T Engineering)』에 게재됐으며, 베라 로스(Vera Roth), 줄리아 옐레바크(Julia Järlebark), 알렉산더 아르넨스(Alexander Ahrnens),  옌스 나이버그(Jens Nyberg), 저스틴 살미넨(Justin Salminen), 테오도라 레테간 볼머(Teodora Retegan Vollmer) 및 비외른 위크먼 교수가 저술했다. 

이 연구의 다음 단계는 이 방법을 산업 응용 분야에서 일반적인 실제 용량에 더 까운 파일럿 프로젝트로 확장하는 것이다.

[원문보기]

How mercury emissions from industry can be greatly reduced

Sulphuric acid is the world’s most used chemical. It is an important reagent used in many industries and it is used in the manufacture of everything from paper, pharmaceuticals and cosmetics to batteries, detergents and fertilisers. It is therefore a worldwide challenge that sulphuric acid often contains one of the most toxic substances – mercury. Researchers at Chalmers University of Technology, Sweden, have now developed a method that can reduce the levels of mercury in sulphuric acid by more than 90 per cent – even from low levels. 

“Until now, there has been no viable method for purifying finished sulphuric acid at all. With such a radical reduction in the mercury content, we come well below the current limit values. Such pure high quality sulphuric acid is in high demand in industrial applications and an important step in reducing environmental impact,” says research leader Björn Wickman, Associate Professor at the Department of Physics at Chalmers. 

Sulphuric acid is produced either from sulphur from the petroleum industry or as a by-product in the mining industry’s smelters. In the latter case, mercury, which is naturally present in the ore, can end up in the finished products. Also recycled streams in the smelters can contain mercury. 

Toxic emissions that affect all life on Earth

Mercury dispersal is a worldwide problem, as the substance is volatile and can be dispersed by air over large areas. This toxic heavy metal is then washed into streams and lakes when it rains. It is stored in the soil, water and living organisms, impacting the entire food chain. It can damage the brains and central nervous systems of humans and animals.  

According to a report from the United Nations Environment Programme (UNEP), emissions of mercury to the atmosphere increased by an estimated 20 per cent from 2010 to 2015. In 2015, about 2,200 tonnes of mercury were emitted into the air as a result of human activities such as cement manufacture, small-scale gold mining, coal burning, metal production and other manufacturing industries. In addition, an estimated 1,800 tonnes of mercury ended up in the soil and water in that same year. According to the report, mercury concentrations in the atmosphere may have increased by 450 per cent in the last century.

“Any and all ways we can reduce mercury emissions are good, because any mercury that is emitted accumulates in the environment and continues to pose a health threat for thousands of years,” says Wickman.

Captures the metal using electrochemistry

Five years ago, his research team at Chalmers presented a pioneering method for removing mercury from water using electrochemical processes. The method is based on a metal electrode taking up the toxic metal and forming an alloy. The mercury can then be safely removed, and the electrode reused. Now the researchers have taken this technology one step further, and in a new study they have shown how mercury can be removed from concentrated sulphuric acid.

The experiments with sulphuric acid were done in collaboration with mining and metals refining company Boliden and the company Atium, a spin-off from the Chalmers School of Entrepreneurship with the aim of bringing the removal of mercury from water and chemicals to market. The researchers now hope to be able to move forward with their partners and develop a type of reactor through which sulphuric acid can flow and be purified at the same time.

Potential to reduce costs and environmental impact

Today, mercury is mostly removed at an earlier stage – from the concentrates and recycled streams at the smelter before sulphuric acid is produced. This is an established process, but leaves trace amounts of mercury into final products. 

“Purifying the sulphuric acid as well prevents additional mercury emissions, while allowing industry to operate more cost-effectively and produce a high-purity, non-toxic product. The next step will be to scale up the method into a pilot process that is closer to real-world volumes of thousands of tonnes,” says Vera Roth, doctoral student at Chalmers and first author of the recently published article in the journal ACS ES&T Engineering.

Hoping for lower limit values

According to the Statista database, the worldwide market volume for sulphuric acid amounts to around 260 million tonnes per year. By 2029, this figure is expected to rise to 314 million tonnes. The lower the mercury content of the sulphuric acid, the more valuable it is. Sulphuric acid for commercial purposes is considered to be of acceptable quality when its mercury content is below 0.30 milligrams per kilogram. If the content is below 0.08 milligrams per kilogram, the sulphuric acid is considered to have a high purity. With the new method, the researchers have reduced the level of mercury to 0.02 milligrams per kilogram of sulphuric acid in their pilot study. 

“The limit values for how much mercury sulphuric acid may contain are based on the technology available today. With the new method for purifying sulphuric acid, our hope is that the legislation around the limit values will be tightened in a global perspective where mercury levels are generally much higher,” says Wickman.

Caption: Sulphuric acid is an important industrial chemical, but it often contains one of the world’s most toxic substances: the volatile heavy metal mercury, which can pollute both the air and water. Researchers at Chalmers University of Technology have shown that it is possible to reduce the levels of mercury in sulphuric acid by more than 90 per cent – even from low levels. The study was conducted in collaboration with the spin-off company Atium and mining and metals refining company Boliden. 

Image: Boliden/Unsplash, Nazrin Babashova 

More information about the method and the study:

The purification method removes mercury from the sulphuric acid by first reducing the mercury ions to metallic form and then binding the metallic mercury into an alloy with platinum, which coated onto the electrode surface. It is then possible to remove the mercury and regenerate the electrode in a controlled way. This means that the electrode can be reused, and the toxic substance can be safely disposed of. The process is also highly energy-efficient. In an episode of the program UR Samtiden from the Swedish Educational Broadcasting Company (UR), Björn Wickman demonstrates how the method works for removing mercury from water. 

The article Mercury Removal from Concentrated Sulfuric Acid by Electrochemical Alloy Formation on Platinum is published in the scientific journal ACS ES&T Engineering and was authored by Vera Roth, Julia Järlebark, Alexander Ahrnens, Jens Nyberg, Justin Salminen, Teodora Retegan Vollmer and Björn Wickman. The authors are active at the Department of Physics and the Department of Chemistry and Chemical Engineering at Chalmers University of Technology, at Atium, and at Boliden.

Sulphuric acid is the world’s most used chemical. It is an important reagent used in many industries and it is used in the manufacture of everything from chemicals, paper, pharmaceuticals and cosmetics to batteries, detergents and fertilisers. It is an ingredient also for many recycling processes contributing into circular economy and extractive metallurgy.

The experiments in the study were performed in a lab environment, in a 50 millilitre beaker and subsequently in a 20 litre reactor. The next step will be to scale up the method into a pilot project that is closer to the actual volumes that are usual in industrial applications. 

The research was funded by Formas and by the strategic innovation programme Swedish Mining Innovation – a joint venture involving Vinnova, Formas and the Swedish Energy Agency.

More about heavy metals in the environment:

Heavy metals in water and watercourses are an enormous environmental problem that affects the health of millions of people worldwide. Heavy metals are toxic to all living organisms and accumulate in the food chain. According to the World Health Organization, mercury is one of the most harmful substances to human health. Among other things, it affects our nervous system and the brain’s development. The substance is therefore especially dangerous for children and foetuses.

Today, there are strict regulations governing the handling of toxic heavy metals to prevent their dispersal in the natural environment. However, there are plenty of places that have already been contaminated or are affected by the deposition of airborne mercury that may have come from other countries. As a result, there are areas in our natural environment where the amounts of heavy metals have reached toxic concentrations. For example, high levels of mercury in freshwater fish is a well-known environmental problem. Even in Sweden heavy metal pollution is a serious problem, and the fish in the majority of the lakes contain more mercury than the limit value. In industries where heavy metals are used, as well as in recycling, wastewater treatment and decontamination, there is a great need for new and better methods for removing toxic heavy metals from water.

The study "Mercury Removal from Concentrated Sulfuric Acid by Electrochemical Alloy Formation on Platinum" has been published in ACS ES&T Engineering.

[출처 = Chalmers University of Technology(https://www.chalmers.se/en/current/news/how-mercury-emissions-from-industry-can-be-greatly-reduced,c3792792/) / 2023년 7월 4일]