Dynamic adsorption and regeneration of gaseous ammonia on oxalic acid-modified corn-straw biochar

암모니아는 흔히 눈에 띄지 않다가 문제가 될 때가 많은 기체입니다. 암모니아는 농장, 가축의 배설물, 그리고 비료의 분해 과정에서 공기 중으로 방출되어 대기 중에서 미세 입자를 형성하는 오염 물질의 혼합물에 더해집니다. 이 아주 작은 입자들은 폐 깊숙이 침투하여 스모그를 유발할 수 있으며, 그 안에 포함된 질소는 토양을 산성화하고 수로를 질식시킬 수 있습니다. 이 가스를 공기 중에서 제거하는 것은 종종 낮은 농도로 존재하기 때문에 어렵지만, 여전히 중요한 환경적 과제로 남아 있습니다. 과학자들은 오랫동안 공기가 통과할 때 암모니아 분자를 잡아두는 스펀지 같은 역할을 할 수 있는 물질을 찾아왔습니다. 유망한 후보 중 하나는 식물성 물질을 산소가 없는 상태에서 가열하여 만든 숯 형태의 물질인 바이오차(biochar)입니다. 바이오차는 풍부하고 저렴하지만, 일반적인 버전은 암모니아를 효과적으로 붙잡는 데 필요한 특정한 화학적 특징이 부족한 경우가 많습니다. 이를 해결하기 위해 연구자들은 이러한 물질의 표면을 수정하여, 잡고자 하는 가스에 대해 더 화학적으로 매력적이도록 만드는 방법을 탐구하기 시작했습니다.

하얼빈 과학기술대학교의 연구팀은 옥수수 줄기 바이오차의 기체 암모니아 포집 능력을 향상시키기 위한 연구를 수행했습니다. 그들은 많은 식물에서 발견되는 흔한 유기산인 옥살산(oxalic acid)을 이용한 간단한 화학적 처리에 집중하여 숯의 표면을 변형했습니다. 목표는 이 처리가 암모니아를 잘 가둘 수 있을 뿐만 아니라, 세척하여 다시 사용할 수 있는 재료를 만들 수 있는지 확인하는 것이었습니다. 연구진은 먼저 말린 옥수수 줄기를 가져와 고운 가루로 갈아낸 뒤, 타는 것을 방지하기 위해 질소 가스가 흐르는 가마 안에서 가열했습니다. 그들은 최적의 기초 재료를 찾기 위해 다양한 가열 온도와 지속 시간을 테스트했습니다. 견고한 시작점을 확보한 후, 연구진은 옥살산 용액에 숯을 담가 몇 시간 동안 혼합물을 저어준 뒤 건조했습니다. 이 과정은 암모니아와 더 강하게 상호작용할 수 있는 새로운 화학적 그룹들을 숯에 코팅하도록 설계되었습니다.

완벽한 레시피를 찾기 위해 연구팀은 가열 온도, 가열 시간, 산 농도의 16가지 서로 다른 조합을 테스트하는 체계적인 접근 방식을 사용했습니다. 그들은 각 16가지 변형된 재료가 채워진 컬럼(column)을 통해 암모니아가 포함된 공기 흐름을 통과시켰고, 가스가 반대편으로 돌파하는 데 걸리는 시간을 측정했습니다. 결과는 명확한 승자를 가리켰습니다: 옥수수 줄기를 500도씨에서 4시간 동안 가열한 후 특정 농도의 옥살산으로 처리한 샘플이었습니다. 연구진이 CC-0.4-500-4라고 명명한 이 특정 재료는 다른 어떤 재료보다 암모니아를 훨씬 더 오래 붙잡았으며, 재료 1그램당 총 27.56밀리그램의 암모니아를 포집했습니다. 이 성능은 10분도 채 되지 않아 가스를 붙잡는 데 어려움을 겪었던 처리되지 않은 숯에 비해 현저히 우수했습니다.

과학자들이 이 승리한 재료를 자세히 관찰했을 때, 옥살산 처리가 물리적 및 화학적 구성을 유익한 방향으로 변화시켰음을 발견했습니다. 숯은 단단한 덩어리가 아니라 마치 스펀지와 같은 다공성 네트워크 구조였으며, 가스가 내부로 쉽게 흐를 수 있게 해주는 많은 수의 중간 크기 기공을 가지고 있었습니다. 재료의 표면은 카르복실(carboxyl) 및 카르보닐(carbonyl) 그룹과 같은 산소 기반의 화학적 그룹이 풍부했는데, 이들은 암모니아 분자를 끌어당기는 작은 자석처럼 작용합니다. 이러한 그룹들은 화학적 인력을 통해 암모니아가 표면에 달라붙게 했고, 기공은 가스가 재료 내부 깊숙한 곳의 이 끈적한 지점들에 도달할 수 있는 경로를 제공했습니다. 또한 연구진은 표면이 다른 화학 물질과 어떻게 반응하는지에 영향을 줄 수 있는 불안정한 원자인 잔류 자유 라디칼(persistent free radicals)의 존재를 감지했으며, 이는 잠재적으로 포집 과정을 도울 수 있습니다.

이 연구의 중요한 부분은 이 재료를 여러 번 사용할 수 있는지 결정하는 것이었습니다. 흡착제는 효과를 잃지 않고 세척하여 재사용할 수 있어야 실용적입니다. 연구팀은 암모니아로 포화된 숯을 물과 에탄올로 씻어내어, 포집된 가스를 방출하고 재료의 포집 능력을 회복할 수 있는지 실험했습니다. 그들은 에탄올로 10분 동안 짧게 씻어내는 것이 가장 효과적인 방법임을 발견했으며, 이를 통해 원래 용량의 거의 3분의 2를 회복했습니다. 포집과 세척의 두 주기를 거친 후에도 이 재료는 초기 포집 능력의 거의 절반을 유지했습니다. 이는 암모니아를 붙잡고 있는 화학 결합이 부드러운 용매로 끊을 수 없을 만큼 강하지도 않았고, 그렇다고 재료가 분해될 만큼 약하지도 않았음을 시사합니다.

연구는 이 재료의 성공이 여러 요인의 결합에서 비롯되었다고 결론지었습니다. 기공은 가스를 활성 부위로 운반하는 데 도움을 주었고, 산소가 풍부한 표면 화학은 암모니아를 붙잡는 데 필요한 움켜쥐는 힘을 제공했습니다. 자유 라디칼의 존재와 표면에 형성된 특정 질소 함유 화합물은 이 상호작용이 복잡하고 화학적인 성질을 띠고 있다는 생각을 더욱 뒷받받했습니다. 비록 반복적인 사용 과정에서 표면 화학 및 기공 구조의 변화로 인해 용량이 다소 감소하기는 했으나, 결과적으로 옥살산으로 변형된 옥수수 줄기 바이오차는 암모니아 포집을 위한 실행 가능한 옵션임을 보여주었습니다. 이는 농업 폐기물을 대기 중의 가스를 관리하기 위한 유용한 도구로 전환하는 방법이며, 단순한 용매로 세척하고 재사용할 수 있어, 제거하기 까다로운 가스를 관리하는 데 있어 실질적인 단계가 될 수 있습니다.