[위즈뉴스] 미세먼지 원인 물질로 알려진 질소산화물을 하수 및 폐수를 정화하는 소재로 활용하는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.
한국과학기술연구원(KIST)은 지난달 20일, 극한소재연구센터 김종식 박사와 하헌필 박사 연구팀이 육군사관학교(KMA) 물리화학과 정근홍 교수 연구팀과 공동연구를 통해 하수 및 폐수 내의 난분해성 유기물을 분해할 수 있는 수처리용 고효율 질소산화물(NOX) 기반 분해제(라디칼) 촉매를 개발했다고 밝혔다.
질소산화물은 산업계에서 배출되는 배기가스에 포함되어 있으며, 빛과 반응해 초미세먼지로 전환되는 심각한 미세먼지 원인물질로 알려져 왔다.
이번 연구 결과를 담은 논문은 국제학술지 '미국화학학회지(JACS Au)' 6월 23일 자에 게재됐다.
논문명은 "Deciphering Evolution Pathway of Supported NO3• Enabled via Radical Transfer from •OH to Surface NO3- Functionality for Oxidative Degradation of Aqueous Contaminants"이며, KIST 김종식 책임연구원과 육군사관학교 정근홍 교수가 공동교신저자로, KIST 최윤정 연구원이 제1저자로 참여했다.
연구팀의 김종식 박사는 “우리가 개발한 촉매를 거친 폐수는 수처리 규제보다 훨씬 더 많은 질소와 탄소를 제거했다"며 "기존의 하·폐수 처리 공정에 바로 적용할 수 있다"고 말했다.
현재 오염된 물에 포함된 페놀, 비스페놀A 등 분해하기 어려운 난분해성 유기물은 물에 응집제를 넣어 바닥에 침전시켜 제거하거나 유기물 분해제(OH 라디칼)로 변하는 물질인 과산화수소(H2O2)나 오존(O3)을 과량 주입하여 유기물을 물, 일산화탄소, 이산화탄소 등으로 변환시켜 제거하는 방법을 주로 사용했다.
응집제의 경우 응집, 침전물들을 다시 제거해야 하는 별도의 공정이 필요하고, 분해제는 유기물 분해 이후 추가적인 분해능력을 잃고 기체화되어 날아가게 되어 일회성으로만 사용할 수 있다.
이처럼 효율적이지 않던 기존의 방식을 대체할 수 있는 후보 물질로 기존 분해제보다 수명이 길면서 유기물 분해능력 또한 우수한 NO3 분해제가 떠오르고 있다. 하지만 이 NO3 분해제는 방사성 물질 존재 하에 매우 큰 에너지를 주입하거나, 극한의 산성조건 등 까다로운 조건을 만족시켜야만 만들 수 있어 일상용으로 사용할 수는 없었다.
연구진은 그 동안 제거의 대상으로만 여겨졌던 질소산화물(NOx)을 NO3 분해제로 손쉽게 변환해내는 촉매 합성법을 개발해냈다.
연구팀이 개발한 기술은 이산화망간 촉매 표면에 질소산화물(NO3)을 고정시킨 것이 특징이다. 150℃ 이하의 저온의 공기 중에서 질산염을 손쉽게 촉매 표면에 고정시켰는데, 이 촉매와 과산화수소를 물에 넣으면 촉매 표면에 고정된 NO3 분해제를 생성시킬 수 있다. 수중에 주입된 과산화수소가 금속 산화물 촉매인 이산화망간에 의하여 OH 분해제로 전환되고, 생성된 OH 분해제가 촉매 표면에 존재하는 NO3를 분해제로 변환시킨 것이다.
이렇게 생성된 NO3 분해제는 기존의 분해제 보다 하·폐수 정화효율이 5~7배 증가되는 것을 실제 염색폐수에서 실험을 통하여 확인하였다. 고정화된 NO3 분해제를 함유하는 금속 산화물 촉매는 손쉽게 대량 생산할 수 있고, 공정 비용이 저렴하여 제조단가가 기존 촉매(철염) 대비 30% 이상 저렴하고, 손쉽게 대량생산할 수 있다. 또한, 일회용으로만 사용할 수 있었던 기존 촉매와는 달리 최소 10번 이상 재사용이 가능하다.
이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) 지원으로 KIST 주요사업 및 한국연구재단 중견연구사업으로 수행됐다.
