연구성과

환경 최원용 교수팀, 햇빛으로 ‘녹조’ 주범 질산 없앤다

2021-09-14 93

[태양광 이용해 질산 이온 질소로 바꾸는 탈질 광촉매 소재 개발]

여름철 기온이 올라갈 때마다 강과 호수를 짙은 녹색으로 물들이는 불청객 ‘녹조(綠潮)’는 비료나 생활하수, 공장폐수 등이 하천으로 유입되면서 물속에 영양염류가 많아지며 생긴다. 특히 햇볕이 강하게 내리쬐고 수온이 올라가는 여름철은 녹조가 일어나기 좋은 환경으로, 녹조가 심해지면 물속 산소가 줄어들어 곧 수질 악화로 이어지게 된다. 녹조를 일으키는 비료나 공장폐수 등에는 많은 양의 질소화합물이 들어 있으며, 이를 방지하기 위해 질산이온을 질소로 전환하는 ‘탈질(脫窒, denitrification)’이라 불리는 기술이 핵심 기술 중 하나로 꼽히고 있다. 질산이온이 질소 가스로 바뀌면 물속에서 빠져나가게 돼 영양염류의 증가를 막을 수 있기 때문이다.

환경공학부 최원용 교수‧통합과정 이신비씨 팀은 화학환원제 없이 햇빛을 이용해 녹조 현상을 유발하는 오염원, 질산 이온(NO3-)만을 골라 질소(N2)로 전환하는 광촉매소재를 세계 최초로 개발, 영국왕립화학회(Royal Society of Chemistry, RSC)가 발행하는 에너지 환경 분야 최고 권위 학술지 ‘에너지와 환경과학(Energy & Environmental Science)’지 뒷표지논문으로 발표했다. 같은 학회가 발행하는 ‘케미스트리 월드(Chemistry World)’ 역시 기사를 통해 소개하며 학회의 비상한 관심을 모은 이 성과는 특히 기존의 탈질 공정의 난제를 완벽하게 해결한 혁신적인 성과로 평가받고 있다.

기존 탈질 공정은 고에너지는 물론 수소 가스나 메탄올, 포름산과 같은 환원제를 필요로 한다. 물론 환경에 해가 없는 태양광을 그 에너지원으로 활용하려는 시도는 계속 있어왔지만 대부분이 많은 환원제를 필요로 해 경제성이나 현실성 면에서 문제가 많았다. 물론 물을 환원제로 이용하는 방법 역시 오랜 과제로 남아 있었다.

이 연구는 빛을 쬐면 생기는 정공과 전자가 일으키는 계면반응으로 산화와 환원 반응을 유도하는 반도체 소재, 광촉매를 이용하는 아이디어에서 출발했다.

먼저 연구팀은 이중 금속(Cu-Pd) 나노입자와 그래핀 옥사이드(rGO)가 담지된 이산화 티타늄(TiO2) 기반의 광촉매를 새로 합성했다. 이 광촉매는 별다른 화학환원제가 없이도 600 ppm의 질산이온(NO3-)을 100% 환원하는 한편, 98%가 질소(N2))로 변환되는 결과를 얻었다.

이 광촉매는 물 분해 반응을 통해 수소를 발생시키고 이 수소를 바로 환원제로 사용하도록 되어 있는 특성을 가져 화학환원제를 필요로 하지 않으면서 기존의 탈질 수처리 촉매의 문제를 개선했다.

특히 이 촉매는 탈질 반응 중 부산물로 생성되는 아질산 이온(NO2-)이 거의 생겨나지 않아 환경친화적인 특성을 가졌다는 점에서 더욱 의미 있는 성과로 주목받고 있다.

한편, 이 성과는 한국연구재단의 리더연구사업의 지원으로 수행됐다.