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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 옮기기 위해 연구자들은 석탄재의 어떤 공급원이 화학적 구성으로 인해 위험한 위험을 초래하는지 알아야 합니다. 이는 과학자들이 여전히 대답하기 어려운 질문입니다.
6월 6일 저널에 발표된 새로운 논문에서 환경과학: 나노, Duke University의 연구자들은 누구도 충분히 작게 생각하지 않기 때문에 이러한 답을 찾기 어려울 수 있음을 발견했습니다. 세계에서 가장 최신의 최첨단 싱크로트론 광원 중 하나인 브룩헤이븐 국립 연구소의 국립 싱크로트론 광원 II를 사용하여 저자는 적어도 셀레늄과 비소의 경우 석탄에서 빠져나올 수 있는 독성 원소의 양이 더 많다는 것을 보여줍니다. 화산재는 나노규모 구조에 크게 의존합니다.
이러한 결과는 석탄재가 재료로서 얼마나 복잡한지를 보여줍니다'라고 듀크 대학의 토목 및 환경 공학과 교수인 Helen Hsu-Kim이 말했습니다. '예를 들어, 우리는 미세한 입자의 표면에 부착되거나 그 안에 캡슐화된 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.
이 분야의 연구자들은 일반적으로 비산재 입자 자체와 거의 같은 크기인 1~2 마이크로미터의 해상도를 가진 X선 현미경을 사용합니다'라고 Hsu-Kim은 말했습니다. '따라서 단일 입자가 단일 픽셀인 경우 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.
'우리가 본 모든 샘플에서 뭔가 다른 것을 본 것 같았습니다'라고 Hsu-Kim이 말했습니다. '다양한 차이점은 우리가 관심을 갖는 주요 특성(이러한 원소 중 재에서 침출되는 양)이 샘플마다 그렇게 많이 다른 이유를 실제로 강조합니다.'
석탄재가 독특한 구성을 갖게 된 원인이 무엇인지는 누구도 확실히 말할 수 없지만 김수교수는 그것이 수백만 년 전에 석탄이 원래 어떻게 형성되었는지와 대부분 관련이 있을 것으로 추측합니다. 그러나 이는 석탄을 태우는 발전소와도 관련이 있을 수 있습니다. 일부 공장에서는 활성탄이나 석회를 연도 가스에 주입하여 각각 수은과 황 배출을 포집합니다. 화씨 1000도에서 연도의 비소 및 셀레늄과 같은 독소는 기체 상태이며 입자가 냉각되고 재결합하여 재를 형성하는 방법을 지시하는 물리학은 제어할 수 없습니다.
그러나 방법에 관계없이 이제 연구자들은 최종 결과에 포함된 미세한 세부 사항에 더 세심한 주의를 기울여야 한다는 것을 알고 있습니다.
이 작업은 미국 에너지부(DE-FE0031748)와 국립 환경보건과학연구소(5U2C-ES030851)의 지원을 받았습니다. 이 연구는 SLAC 국립 가속기 연구소(DE-AC02-76SF0051)가 운영하는 스탠포드 싱크로트론 방사선 광원 시설과 국립 국립 연구소 3-ID의 HXN(Hard X-ray Nanoprobe) 빔라인에서 미국 DOE 과학부 사용자 시설 리소스를 활용했습니다. Brookhaven National Laboratory(DE-SC0012704)에서 운영하는 싱크로트론 광원 II 시설.
