[신기술] DGIST, 초고속 수질정화 가능한 친환경 소재 개발

박치영 교수팀, ‘비정형 다공성 고분자 소재’ 개발에 성공

값싼 원료로 수중 페놀계 유기오염물질 초고속 완전히 제거 

『Advanced Materials』에 50호 표지 논문으로 선정

대구경북과학기술원(DGIST·총장 국양) 에너지공학과 박치영 교수팀은 수중 페놀계 유기오염물을 초고속으로 완전히 제거 가능한 ‘비정형 다공성 고분자 소재’ 개발에 성공했다. 이번에 개발된 다공성 소재는 광열효과를 바탕으로 물속 미세플라스틱뿐만 아니라 크기가 매우 작은 휘발성 유기화합물(VOC)의 효율적 제거가 가능하며, 동시에 소재의 가격 경쟁력 및 태양광 기반 수질 정화 공정이 가능해, 향후 상업화 가능한 고효율 흡착 소재로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

화학산업의 급속한 발전으로 나타난 수질오염은 환경오염에서 대표되는 문제 사항으로, 이를 해결하기 위한 다양한 수질 정화 기술 및 소재들이 개발됐다. 기존의 흡착 메커니즘을 기반으로 하는 탄소 기반 다공성 소재는 흡착 속도가 느리고, 재활용을 위해 높은 열에너지가 필요하다는 한계점이 있다. 

대구경북과학기술원(DGIST) 에너지공학과 박치영 교수(오른쪽 위) 연구팀은 수중 페놀계 유기오염물을 초고속으로 완전히 제거 가능한 ‘비정형 다공성 고분자 소재’ 개발에 성공했다. [사진출처 = DGIST(대구경북과학기술원)]

 

이에 오염물 제거효율 향상을 위해 다양한 소재들이 개발되었지만 우수한 재활용성, 고효율성, 소재 원료의 경제성 및 산업화 가능성을 동시에 만족하는 소재의 개발에 어려움이 있었다.

DGIST 에너지공학과 박치영 교수팀은 저렴하고 효과적인 전구체(화학 반응에서 반응에 참여하는 물질)를 반응시켜 흡착 성능과 광열 특성이 뛰어난 다공성 고분자 합성에 성공했다. 그리고 해당 고분자에 추가적인 산화 반응을 실험하고, 그 결과를 바탕으로 친수성 작용기를 도입해 수중 환경에서 미세 오염물질의 빠른 흡착을 가능하게 했다.

또한, 실험을 통해 연구팀이 개발한 고분자가 재활용에 있어 높은 열에너지가 필요 없고 성능 손실 없이 여러 번 사용 가능함을 확인했다. 연구팀은 개발된 고분자가 가진 넓은 범위의 빛 흡수 및 흡수된 빛의 열 전환 능력을 통해 태양 에너지를 구동력으로 물을 증발할 수 있는 수처리 분리막을 제작했고, 그 결과, 산화된 고분자가 코팅된 수처리 분리막이 태양광을 통해 페놀계 오염물 정화가 가능함을 확인했다. 

DGIST 에너지공학과 박치영 교수는 “이번에 개발한 기술은 수중 페놀계 미세플라스틱 및 VOC 오염물을 초고속으로 세계 최고 수준의 정화 효율(99.9% 이상 제거)을 보이는 독보적인 수질정화 기술이며 경제성이 우수하고, 전력이 없는 지역에서도 오염수를 정화해서 식수를 공급할 수 있는 범용성을 확보한 기술이 될 것으로 기대한다”고 밝혔다.

한편, 이번 연구 결과는 독일에서 격주로 발행되는 재료공학 분야 세계 최고 권위 학술지인 『어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)』에 2022년 50호 표지 논문으로 선정 및 게재됐다. 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자 지원 사업과 나노 및 소재 기술개발사업 지원을 받아 수행됐으며, DGIST 에너지공학과 조완수, 최경현 석박사통합과정생, 이동준 석사과정생이 제1저자로 참여했다. 

다공성 고분자 수중서 10초만에 99.9% 이상 흡착 효율

■ 연구배경  담수 부족은 미세 플라스틱과 VOC로 인한 심각한 수질 오염으로 인해 전 세계에서 가장 심각한 문제 중 하나가 되고 있다. 그러나 현재의 정화 기술은 미세 오염 물질에 대한 흡착이 느리고 수중에서 VOC를 제거하기 위해 에너지 집약적인 공정이 필요하다.

때문에 본 연구 그룹은 미세 오염 물질의 빠른 흡착 및 광열 능력에 의한 우수한 VOC 체질(sieving) 성능을 가진 저비용 다공성 고분자 흡착 소재를 합성하였다. 추가적인 산화 과정을 통해 내부 채널의 친수성을 향상시킴에 따라 수중에서의 분산을 용이하게 했고 미세 오염 물질의 흡착 효율을 개선했다. 

산화된 다공성 고분자는 수중에서 약 10초 만에 99.9% 이상의 흡착 효율을 보여주며 성능 손실 없이 쉽게 여러 번 재생될 수 있다는 것을 확인했다. 또한 광열 성능을 바탕으로 하이드로젤 시스템을 도입해 태양광 구동 증류 수처리 분리막을 제조하여 약 98% 효율로 VOC 오염 물질 수용액을 정화할 수 있다. 값싸면서도 효율적으로 페놀계 오염물질이 포함된 폐수를 정화할 수 있는 기능을 보유한 CTF 흡착 소재는 수질 정화 기술의 한 축을 담당할 것으로 보인다.

[『워터저널』 2023년 1월호에 게재]