석탄재의 문제는 생각보다 작게 시작됩니다

Dec 05, 2023

노스캐롤라이나주 더햄 — 석탄을 태우면 기후와 인간 건강에 해로운 대기 오염이 발생한다는 것은 누구나 알고 있습니다. 그러나 남은 재는 종종 해로울 수도 있습니다.

예를 들어, 듀크 에너지(Duke Energy)는 오랫동안 캐롤라이나 전역에 걸쳐 36개의 대형 연못에 액화된 석탄재를 저장해 두었습니다. 2014년 Dan River 현장에서 유출 사고로 인해 2,700만 갤런의 화산재 연못 물이 지역 환경으로 방출되면서 모든 것이 바뀌었습니다. 이번 사건으로 인해 화산재 속에 비소, 셀레늄 등 미량의 독성 원소가 들어있어도 위험성에 대한 우려가 제기되었습니다. 그러나 이러한 유해 물질이 재수에 얼마나 많이 존재하는지, 얼마나 쉽게 주변 환경을 오염시킬 수 있는지에 대해서는 알려진 바가 거의 없습니다.

향후 유출 및 누출에 대한 우려로 인해 Duke Energy는 향후 몇 년 동안 대부분의 석탄재 연못을 폐쇄하기 위해 11억 달러를 지불하기로 합의했습니다. 한편, 연구자들은 귀중한 희토류 원소를 회수하기 위해 재를 재활용하거나 콘크리트와 같은 건축 자재에 포함시키는 등 재를 활용하는 더 나은 방법을 연구하고 있습니다. 그러나 잠재적인 해결책을 실행에 옮기려면 연구자들은 석탄재의 어떤 공급원이 화학적 구성으로 인해 위험한 위험을 초래하는지 알아야 합니다. 이는 과학자들이 여전히 대답하기 어려운 질문입니다.

새로 출판된 논문에서 환경 과학: 나노(Environmental Science: Nano) 저널에서 듀크 대학(Duke University)의 연구자들은 누구도 충분히 작게 생각하지 않기 때문에 이러한 답을 찾기 어려울 수 있음을 발견했습니다. 저자는 세계에서 가장 최신의 최첨단 싱크로트론 광원 중 하나인 브룩헤이븐 국립 연구소의 국립 싱크로트론 광원 II를 사용하여 적어도 셀레늄과 비소의 경우 석탄재에서 빠져나올 수 있는 독성 원소의 양이 다음과 같다는 것을 보여줍니다. 주로 나노 규모 구조에 관한 것입니다.

듀크대학교 토목환경공학과 헬렌 수 김(Helen Hsu-Kim) 교수는 “이러한 결과는 석탄재가 재료로서 얼마나 복잡한지를 보여준다”고 말했다. "예를 들어, 우리는 미세한 입자의 표면에 부착되거나 그 안에 캡슐화되어 있는 비소와 셀레늄을 보았습니다. 이는 이러한 원소가 일부 석탄재 소스에서 다른 요소보다 더 쉽게 침출되는 이유를 설명합니다."

pH와 같은 주변 환경의 요인이 독성 요소가 소스에서 주변 환경으로 얼마나 잘 이동할 수 있는지에 영향을 미치는 것으로 오랫동안 알려져 왔습니다. 이전 연구에서 Hsu-Kim은 독소 주변의 산소량이 독소의 화학적 성질에 큰 영향을 미칠 수 있으며 석탄재의 공급원에 따라 매우 다른 수준의 부산물이 생성된다는 사실을 보여주었습니다.

그러나 석탄재의 한 공급원에 비소 함량이 높다고 해서 반드시 많은 양의 비소가 그곳에서 침출된다는 의미는 아닙니다. 마찬가지로, 다양한 재 발생원은 동일한 환경 조건에 다르게 반응합니다. 문제는 아무리 말해도 복잡합니다. 다른 접근 방식을 취하기 위해 김수는 소스 자체를 더욱 자세히 살펴보기로 결정했습니다.

Hsu-Kim은 "이 분야의 연구자들은 일반적으로 비산재 입자 자체와 거의 동일한 크기인 1~2 마이크로미터의 해상도를 갖는 X선 현미경을 사용합니다."라고 말했습니다. "따라서 단일 입자가 단일 픽셀이라면 요소가 그 전체에 어떻게 분포되어 있는지 볼 수 없습니다."

이 사진의 픽셀을 나노 규모로 축소하기 위해 Hsu-Kim은 프린스턴 대학의 토목 및 환경 공학 교수인 Catherine Peters와 동료들에게 국립 싱크로트론 광원 II에 대한 시간을 확보했습니다. 미래형 기계는 적외선에서 하드 X선에 이르는 광선을 사용하여 태양보다 100억 배 더 밝은 광선을 생성하여 물질의 화학적 및 원자 구조를 드러냅니다.

Brookhaven의 능력은 연구원들에게 각 입자의 원소 분포와 함께 각 입자의 나노 규모 지도를 제공할 수 있었습니다. 놀라운 해상도는 석탄재가 모든 종류와 크기의 입자들의 집합체라는 사실을 밝혀냈습니다.

예를 들어, 한 샘플에서 연구원들은 물에 잘 녹지 않는 화학적 형태의 셀레늄인 석탄재의 더 큰 입자에 부착된 개별 셀레늄 나노입자를 보았습니다. 그러나 대부분의 재에는 비소와 셀레늄이 개별 알갱이 내부에 잠겨 있거나 쉽게 부서지는 상대적으로 약한 이온 결합으로 표면에 부착되어 있었습니다.