광운대 연구팀, 하·폐수 유기오염물질 제거 '광촉매 합성법' 개발

김명화 기자 | eco@ecomedia.co.kr | 입력 2020-05-07 15:53:34
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▲ (좌)장민 교수 (우)Kien Tiek Wong 박사과정 연구원. <광운대 제공>
[환경미디어= 김명화 기자] 광운대 환경공학과 장민 교수 연구팀은 질화탄소(g-C3N4)와 이산화티탄(TiO2) 합성체를 이용해 태양광 조사 하에 수중 난분해성 미량유기오염물질을 완벽하게 처리할 수 있는 ‘광촉매 합성법’을 개발했다고 7일 밝혔다.
현재 전 세계적으로 지표수에 미량 농도로 검출되고 있는 화합물인 미량유기오염물질은 살충제, 의약품, 화장품, 난연제, 향수, 방수제, 가소제 및 단열재와 같은 다양한 유기화학물질을 포함하고 있다. 이 물질들은 분해가 쉽게 되지 않아 하·폐수 처리장에서 완벽하게 처리되지 못한 채 배출되고 있어 환경오염의 원인으로 지목되고 있다. 

 

기존 폐수처리장에 사용되는 공정은 이와 같은 미량유기오염물질을 제거하도록 설계되지 않았기 때문에 생물학적 처리 후에도 지속적으로 수중에 잔류한다. 또한 미량으로도 환경호르몬처럼 작용하여 내분비계를 교란시킬 수 있고, 수생 생태계와 인간 건강을 위협하고 있다.

본 연구팀은 광촉매합성체를 이용하여 대표적인 내분비계 교란물질(환경호르몬)인 아트라진(Atrazine, ATZ)과 비스페놀 A(Bisphenol A, BPA)를 효과적으로 제거했다. 

 

아트라진은 제초제에 널리 쓰이는 유기오염물질로 알려져 있으며 비스페놀 A는 플라스틱 제조에 주로 사용되는 첨가물로, 당뇨와 비만, 심혈관질환 등 다양한 질병에 영향을 미치며, 여성호르몬과 같은 활성을 가지고 있어 태아와 남성의 생식계 발달에 문제를 일으킬 수 있다.

일반적으로 광촉매가 태양광, 자외선, LED 등의 광원에 조사되면 광유도 전하 운반체가 전자(electron)와 정공(positive hole)으로 분리되고, 분리된 전자와 정공은 각각 수중의 산소, 물과 반응하여 강력한 산화제 역할을 하는 하이드록실 라디칼(·OH)과 슈퍼옥사이드 라디칼(·O2-)을 만들어 낸다. 이렇게 생성된 라디칼들은 난분해성 미량유기오염물질을 최종적으로 물과 이산화탄소로 분해시켜 수중에서 잔류물을 제거할 수 있다.

본 연구에서는 연구진이 개발한 합성법으로 제조된 광촉매합성체가 태양광 조사 하에 미량유기오염물질을 보다 효과적으로 제거하는 것을 발견하여, 이에 대한 분해 메커니즘 연구를 위해 광촉매의 효율을 감소시킬 수 있는 전자와 정공의 재결합 정도 및 하이드록실 라디칼 생성 효율 평가를 진행하였다. 그 결과 제조된 광촉매합성체의 두 광촉매 사이에 전하 이동이 보다 용이하게 일어남을 입증했다.

장 민 교수는 “현재 수중 난분해성 미량유기오염물질의 경제적이고 효율적인 처리를 위한 태양광 기반 광촉매 연구는 세계적인 연구 주제”라며 “이번에 개발된 광촉매합성체는 친환경적이며 제조가 쉽고 대량생산이 가능하기 때문에 환경 오염 개선에 일정 부분 기여할 수 있을 것으로 기대한다”라고 말했다. 이어 “본 연구팀은 스케일-업 적용 추가 연구를 주도적으로 진행하고 있다”라고 덧붙였다.
 

▲ 광촉매에 의해 LED 및 태양광 하에서 유형II 이종접합 및 Z-체계의 광유도 전하 전달방식을 통한 비스페놀A 및 아트라진 분해 개략도.
한편, 본 연구는 한국연구재단 일반연구자 지원사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 결과는 국제학술지 ‘응용 촉매 B: 환경’(Applied Catalysis B: Environment) 4월25일자 온라인판에 게재됐다.

 

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