Performance of a Two-Stage Ammonia Removal Technology Based on Advanced Oxidation Processes: Effects of Operating Conditions

암모니아 냄새가 나는 공기는 단순히 불쾌한 골칫거리에 그치는 것이 아니라, 환경적 해악의 중요한 원인이 됩니다. 주로 농업 활동으로부터 대기 중으로 방출되는 이 가스는 미세 입자를 형성하여 공기 질을 저하시키고, 토양과 물을 산성화하며, 생태계에 영양 과다를 유발합니다. 환경 규제가 엄격해짐에 따라, 과제는 단순히 폐기물 스트림에서 이 가스를 제거하는 것뿐만 아니라, 값비싼 폐수나 높은 에너지 비용과 같은 새로운 문제를 일으키지 않으면서 이를 제거하는 것입니다. 과학자들은 해결책으로 고급 산화 공정(advanced oxidation processes)을 오랫동안 주목해 왔습니다. 이는 강력한 화학 반응을 사용하는 방법으로, 흔히 빛에 의해 촉발되어 오염 물질을 분해합니다. 목표는 해로운 암모니아를 안정적인 산화 질소 형태로 변형시켜, 잠재적으로 포집하고 재사용할 수 있는, 즉 폐기물을 자원으로 바꾸는 것입니다.

오스트라바 공과대학교(Technical University of Ostrava)의 연구팀과 데콘타(Dekonta) 사는 이 문제를 해결하기 위해 설계된 특정 2단계 시스템을 테스트해 왔습니다. 그들의 연구는 먼저 자외선을 사용하여 암모니아가 함유된 공기를 처리한 다음, 포집된 화합물을 액체 단계로 이동시켜 과산화수소와 더 많은 빛으로 처리하는 기술에 초점을 맞추고 있습니다. 연구진은 운영 조건이 암모니아 제거 능력에 어떻게 영향을 미치는지, 그리고 어떤 특정 질소 화합물이 남게 되는지를 정확히 이해하고자 했습니다. 그들은 특히 원치 않는 부산물의 혼합물을 만드는 대신, 유용하고 회수 가능한 질소 종을 생산하도록 공정을 제어할 수 있는지에 관심을 가졌습니다.

실험은 암모니아가 포함된 공기로 시작되었으며, 이 공기는 암모늄 수산화물 용액에 공기를 불어넣음으로써 생성되었습니다. 이 공기는 먼저 특정 파장의 저압 수은 램프가 장착된 스테인리스 스틸 반응기를 통과하여 시스템의 첫 번째 단계로 들어갔습니다. 연구진은 이 단계에서 수증기의 존재가 매우 중요하다는 것을 발견했습니다. 공기에 습기를 공급했을 때 암모니아 제거 효율이 크게 향상되었습니다. 이는 수증기가 암모니아를 분해하는 데 필요한 반응성 종을 만드는 데 도움을 준다는 것을 시사합니다. 자외선이 없더라도 단순히 물에 흡수됨으로써 일부 암모니아가 제거되었지만, 빛은 이 과정을 훨씬 더 효과적으로 만들었습니다. 이 첫 번째 단계는 제어된 수분이 다음 단계를 위한 암모니아 준비의 핵심 요소임을 입증했습니다.

이 기술의 두 번째 단계는 실제적인 변형이 일어나는 곳입니다. 이제 암모니아 유도 생성물을 운반하게 된 공기는 습식 스크러버로 이동한 후 일련의 관형 반응기를 통과합니다. 여기서 시스템은 강력한 산화제인 과산화수소 용액을 자외선과 결합하여 사용합니다. 이 조합은 암모니아 유도 화합물을 공격하는 매우 반응성이 높은 분자인 하이드록실 라디칼을 생성합니다. 연구진은 과산화수소를 추가하는 방식이 매우 중요하다는 것을 발견했습니다. 더 자주 추가함으로써 산화제를 지속적으로 공급할 수 있었고, 이는 공정을 더 효율적으로 만들었습니다. 또한 그들은 유입되는 암모니아의 양이 결과에 변화를 준다는 것을 관찰했습니다. 초기 암모니아 부하가 높을 때 시스템은 더 많은 산화 질소를 생성했지만, 균형이 깨졌습니다. 모든 것을 안정적인 형태인 질산염(nitrate)으로 전환하는 대신, 공정은 더 많은 아질산염(nitrite)을 남겼습니다. 이는 암모니아 수치가 높을 때 시스템이 아질산을 질산염으로 바꾸는 마지막 단계를 완료하는 데 어려움을 겪는다는 것을 나타냅니다.

연구팀은 또한 측정 과정에서의 실질적인 장애물을 해결해야 했습니다. 처음에 그들은 표준 화학 테스트를 사용하여 물속에 남아 있는 암모니아를 직접 측정하려고 시도했으나, 용액 속의 과산화수소가 결과에 간섭하여 데이터를 신뢰할 수 없다는 것을 발견했습니다. 이를 피하기 위해 그들은 물속의 총 질소량을 측정하고 특정 아질산염과 질산염의 양을 추적했습니다. 이러한 화합물들의 균형을 살펴봄으로써, 그들은 암모니아가 얼마나 전환되었는지 정확하게 결정할 수 있었습니다. 그들은 단순히 반응기 안에서 물을 더 오래 두는 것이 결과를 자동으로 개선하지 않는다는 것을 발견했습니다. 이 발견은 액체의 물리적 움직임과 산화제의 가용성이 빛이 혼합물에 비치는 시간만큼이나 중요하다는 점을 강조합니다.

연구는 이 2단계 기술이 효과적이긴 하지만, 최적의 성능을 발휘하기 위해서는 세심한 조율이 필요하다는 결론을 내립니다. 연구진은 첫 번째 단계에서 공기에 습기를 공급하는 것이 성능을 높이며, 두 번째 단계에서 과산화수소를 투입하는 전략이 반응의 효율성을 결정한다는 것을 발견했습니다. 그러나 시스템에는 한계가 있습니다. 너무 많은 암모니아가 유입되면 공정은 질산염보다 아질산염 형성을 선호하게 됩니다. 저자들은 향후 개선 방향이 흐름과 화학적 조건을 최적화하여 전환을 질산염까지 완전히 밀어붙임으로써, 최대한의 질소를 안정적이고 유용한 형태로 회수하는 데 집중되어야 한다고 제안합니다. 이 연구는 공기를 정화하는 동시에 폐기물로부터 가치 있는 자원을 회수할 수 있는 기술을 정교화하기 위한 명확한 로드맵을 제공합니다.