【대구=뉴시스】나호용 기자 = 독성폐수 처리 산업에 새로운 길이 열렸다.
영남대는 이 대학 화학공학부 심재진 교수 연구팀이 값싼 산화제를 사용해 페놀과 같은 독성폐수를 30분 만에 100% 분해할 수 있고, 장기간 재사용이 가능한 새로운 나노구조 촉매 개발에 성공했다고 10일 밝혔다.
따라서 향후 관련 산업에 획기적으로 기여할 것으로 기대된다.
기존 수용성 폐수처리 촉매들은 처리에 시간이 많이 걸리고, 처리수에 중금속이 포함되며, 포집과 재사용이 불가능한 환경적, 경제적 문제점이 있었다.
연구팀은 이러한 단점을 개선하기 위해 물에 녹지 않고 자성을 가져 회수가 용이한 아연철산화물 나노입자를 초음파를 이용해 그래핀에 부착시키고, 그 위에 감마(γ) 이산화망간 나노 박편을 수열합성법으로 성장시켜 나노복합체촉매를 개발했다.
개발된 나노촉매는 값싼 산화제만을 사용하면서도 회수가 용이하고 안정해 장기간 재사용이 가능하며, 독성폐수에 효과가 매우 높은 장점을 가지고 있다.
초음파를 이용해 그래핀 상에 아연철산화물 입자(10-20 nm)를 도포하고, 그 위에 2-5 nm두께의 이산화망간 나노 박편을 수열합성방법으로 성장시킨 나노복합체 구조를 가지고 있어 BET표면적이 376 m2/g으로 매우 넓고 평균기공은 8nm로, 산화제와 오염물질이 촉매표면에 쉽게 전달될 수 있다.
많은 촉매활성점에서 라디칼 공급원을 활성화시킬 수 있는 나노혼성체 촉매는 0.2 g/L의 값싼 과산화일황산(PMS)을 이용해 30분 만에 20ppm의 페놀을 100% 분해하는 등 기존 촉매에 비해 페놀 분해에서 탁월한 촉매효과(총 유기탄소는 180분 안에 95% 제거)와 안정성을 보여 줬다.
아울러 촉매의 자성 때문에 회수가 쉬워 장기간 재사용이 가능하다. 이 나노혼성체 촉매는 빛이 없이도 값싼 라디칼만 제공되면 오염물을 탁월하게 분해할 수 있어서 페놀 등 환경 위해물질 분해를 위한 효과적인 촉매로 사용될 수 있다.
페놀은 보통 코발트, 망간, 철 등의 염을 사용해 액상으로 처리하거나, 미생물을 이용해 대규모 처리장에서 장시간 분해시킨다. 또 활성탄에 의한 흡착과 촉매재생을 한 후 산화제로 2차 처리 함에 따라 처리수에 중금속이 포함되고 열에너지가 소요된다. 여기에다가 복수의 처리단계가 필요해 환경적으로나 경제적으로 문제가 된다.
최근에 개발된 다른 촉매들은 회수가 어렵거나 중간체가 촉매에 남아 있어 촉매효율이 떨어지므로 촉매의 재생을 위해 열처리가 필요하다.
하지만 개발된 촉매는 이들을 전혀 사용하지 않고 직접 분해함으로써 처리에 소요되는 에너지와 비용을 크게 감소시킬 뿐만 아니라 2차 오염을 막고, 처리수를 재사용함으로써 물 사용량을 획기적으로 줄일 수 있는 등 경제적 이점이 크다.
아울러 망간산화물계 촉매에 비해 200~700%, 과산화수소를 사용하는 촉매보다 300~1000%, TiO2에 비해 7~130배, 전기화학촉매보다 5배, 값비싼 오존을 사용하는 촉매보다 0.7~15배 높은 성능을 기대할 수 있다.
연구 책임자인 심 교수는 “이번에 개발한 감마 이산화망간, 아연철산화물, 그래핀 나노복합체 촉매는 분해가 어려운 독성 폐기물 분해에 활용 가능할 뿐만 아니라, UV를 쪼이지 않고도 값싼 산화제만을 사용하며, 회수해 반복적으로 사용할 수 있다. 높은 분해효율과 높은 안정성 및 짧은 분해시간 등의 다양한 장점이 있어 향후 관련 산업에 기여도가 매우 높을 것으로 기대된다”고 밝혔다.
또 “이 촉매는 최근 연구실에서 개발한 은과 아연철산화물, 그래핀 촉매와 함께 사용하면 페놀 등 난분해성 독성폐수를 낮에는 태양광으로, 밤에는 값싼 산화제로 큰 에너지의 공급 없이 저렴한 비용으로 효율적으로 처리할 수 있어 독성폐수 처리공정의 상용화 및 환경산업 발전에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다”고 평가했다.
그는 “앞으로 청정용매를 사용해 에너지저장용 슈퍼커패시터 전극소재, 광촉매, 화학센서, 가스센서, 항균 바이오소재 등에 활용되는 최고의 성능을 가진 그래핀-금속산화물 나노복합체 소재 개발 및 탄소나노양파(CNO), 맥신(MAXene), 페로브스카이트, 그래핀퀀텀닷 등 신물질 개발에 지속적으로 연구할 예정이다”고 밝혔다.
이번 연구는 교육부와 한국연구재단의 중점연구소사업, 기본연구사업, 한중핵심국제공동연구사업의 지원으로 이뤄졌다.
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