질소산화물 촉매 연구 모식도 (한국과학기술연구원 제공) 2021.07.20 /뉴스1

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(서울=뉴스1) 김승준 기자 = 질소산화물은 미세먼지 원인 물질로 알려졌다. 국내 연구진이 질소산화물을 제거할 뿐 아니라 하·폐수를 정화할 수 있는 소재로 활용할 방법을 찾았다.

한국과학기술연구원(KIST)은 극한소재연구센터의 김종식, 하헌필 박사팀이 육군사관학교(KMA) 물리화학과의 정근홍 교수팀과의 공동연구를 통해 하·폐수 내의 난분해성 유기물을 분해할 수 있는 수처리용 고효율 질소산화물(NOX) 기반 분해제(라디칼) 촉매를 개발했다고 20일 밝혔다.

현재 오염된 물에 포함된 페놀, 비스페놀A 등 분해하기 어려운 유기물은 물에 응집제를 넣어 침전 시켜 제거하거나 유기물 분해제(OH 라디칼)로 변하는 물질을 과량 주입해 처리한다.

응집제의 경우 응집, 침전물들을 다시 제거해야 하는 별도의 공정이 필요하고, 분해제는 유기물 분해 이후 추가적인 분해능력을 잃고 기체화되어 날아가게 되어 일회성으로만 사용할 수 있다는 한계가 있다.

기존의 방식을 대체할 수 있는 후보 물질 중 하나가 NO3 분해제다. 기존 분해제보다 수명이 길면서, 유기물 분해능력이 있는 NO3 분해제는 방사성 물질을 이용해 제작하거나, 극한의 산성조건 등 까다로운 조건을 만족시켜야 만들 수 있다.

연구팀은 그동안 제거의 대상으로만 여겨졌던 질소산화물을 NO3 분해제로 손쉽게 변환해내는 촉매 합성법을 개발했다. 개발된 기술은 이산화망간 촉매 표면에 질소산화물(NO3)을 고정한 것이 특징이다. 150℃ 이하의 공기 중에서 질산염을 촉매 표면에 고정했는데, 이 촉매와 과산화수소를 물에 넣으면 촉매 표면에 고정된 NO3 분해제를 생성시킬 수 있었다.

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 라디칼 분해제 보다 하·폐수 정화효율이 5~7배 증가되는 것을 실제 염색폐수 실험을 통해 확인했다.

연구팀은 "고정화된 NO3 분해제를 함유하는 금속 산화물 촉매는 손쉽게 대량 생산할 수 있고, 공정 비용이 저렴하여 제조단가가 기존 촉매(철염) 대비 30% 이상 저렴하다. 손쉽게 대량생산할 수 있다"며 "일회용으로만 사용할 수 있었던 기존 촉매와는 달리 최소 10번 이상 재사용이 가능하다"고 밝혔다.

김종식 박사는 "현재 본 기술은 국내환경기업에 기술 이전됐다"며 "촉매의 대량합성이 용이하고, 기존의 하·폐수 처리 공정에 바로 적용할 수 있어 조만간 수처리 산업계에 실용화될 수 있을 것"이라고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 주요사업 및 한국연구재단 중견연구사업으로 수행됐으며, 이번 연구결과는 미국화학학회지(JACS Au) 최신 호에 게재됐다.
seungjun241@news1.kr

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