폐수를 돈으로 바꾼다: 태양열 '인공 잎'이 하수를 암모니아로 전환한다.

뉴사우스웨일즈 대학교(UNSW) 시드니의 연구원들은 햇빛을 사용하여 폐수의 질산염을 유용한 암모니아로 전환하는 '인공 잎'을 개발했다. 암모니아를 만드는 산업적 공정과 달리 이 방법은 온실 가스 배출을 일으키지 않으며 비료 생산에 대한 친환경적 접근 방식을 위한 길을 열 수 있다.

작은 땅에서 많은 수확량을 생산할 수 있는 현대 농업 방법은 암모니아와 같은 화학 비료에 의존한다. 암모니아 생산 공정에는 화씨 752~932도(섭씨 400~500도)의 고온, 고압 및 수소 생산이 필요하다.

전통적으로 이는 화석 연료를 사용하여 달성되었다. 그러나 암모니아에 대한 수요가 증가함에 따라 화석 연료 사용량이 증가했다. 추정에 따르면 전 세계 온실 가스 배출량의 최대 5%가 암모니아 생산 및 사용 활동에서 발생한다.

따라서 UNSW의 교수인 로지 아말(Rosie Amal)이 이끄는 연구팀은 암모니아 생산을 보다 친환경적인 공정으로 전환할 방법을 모색했다. 그들의 질문에 대한 간단한 답은 변형된 태양 전지였다.

암모니아를 만드는 태양 전지

햇빛에서 물과 이산화탄소를 설탕과 산소로 전환하는 천연 잎에서 영감을 얻은 연구자들은 폐수의 질산염을 질산 암모늄으로 전환하는 방법을 모색했다.

이 팀은 UNSW의 광전지 및 재생 에너지 공학 대학과 화학 공학 대학의 입자 및 촉매 그룹의 연구자들의 전문 지식을 결합하여 탄소 배출 없이 이 공정을 수행할 수 있는 태양 전지를 변형했다.

"우리는 몇 가지 특수 나노 구조를 가진 매우 효율적인 촉매를 개발했고, 이를 전통적인 실리콘 태양 전지 패널에 통합하여 매우 효과적인 공정을 만들어냈다."라고 UNSW에서 박사 학위를 취득하고 이 작업에 참여한 첸 한(Chen Han)이 설명했다.

이 팀은 태양 전지 패널에 구리와 수산화 코발트의 얇은 나노 구조 층을 도입하여 화학 반응 촉매 역할을 했다.

나노 구조의 얇은 구리와 수산화 코발트 층을 활용한 광전극은 태양만을 사용하여 폐수에서 암모니아를 생성하는 데 도움이 된다. 이미지 출처: Chen Han/UNSW

과학자들이 광전기 촉매(PEC)라고 부르는 이 반응은 6제곱인치(40제곱센티미터) 크기의 인공 잎에서 입증되었지만, 약 16제곱피트(1.49제곱미터)의 농경지에 필요한 비료를 충족할 만큼 충분한 암모늄 이온을 생성했다.

폐수에서 관개수로

비료의 암모니아 농도는 비교적 낮다. 따라서 연구자들은 이 공정이 실제 상황에서 시스템을 작동시키기에 충분한 암모니아를 생성할 수 있다고 확신한다.

인공 잎에 공급되는 폐수는 도시 폐기물에서 직접 공급되지 않는다. 그래도 유기물과 기타 입자를 제거하기 위해 처리해야 한다. 연구원들은 시스템이 물에서 암모늄을 추출하면 나머지는 작물 관개에 사용할 수 있기를 바라고 있다.

"우리는 이 새로운 기술이 농업 지역에서 비교적 소규모로 구현되어 현장에서 암모늄을 생산할 수 있다고 생각한다. 이를 통해 생산 공정이 분산되고 운송 공정과 관련된 CO2 배출이 더욱 줄어들 것이다."라고 아말은 보도 자료에서 말했다.

"우리는 CO2 배출을 최소화하는 더 깨끗하고 친환경적인 방식으로 암모니아를 생산하고 싶다. 업계 파트너가 이 장치를 확장하는 데 도움을 줄 것이고, 우리는 확실히 우리의 응용 프로그램에 전통적인 크기의 전체 규모의 태양 전지 패널을 사용하고 싶다."라고 교수는 덧붙였다.

"이것은 우리가 2030년과 2040년의 배출 목표를 달성하고 궁극적으로 2050년까지 순제로를 달성하는 데 도움이 된다."