[신기술] KIST 연구팀, 생활 악취 획기적 저감 신기술 개발

열건조 활성탄 개발로 질소계 악취물질 흡착효율 최대 38배 향상

질산 이용 활성탄 산화…열건조 후 정밀제어 거쳐 흡착효율 높여

 

일상생활에서 악취가스는 정화조, 하수시설, 축산 농가, 폐기물 처리시설 등 다양한 곳에서 발생하며, 이로 인한 민원이 끊이지 않고 있다. 악취가스는 기본적으로 불쾌감을 주고, 눈·코·호흡기를 강하게 자극하는 등 인체에도 악영향을 미칠 뿐만 아니라 주변 환경에도 영향을 줄 수 있다. 이를 제거하기 위한 대표적인 악취 제거 방법은 활성탄을 흡착제로 사용하는 것이다. 하지만 이는 재활용성이 낮고, 복합 악취가스의 경우 원인물질을 제거하는 데 어려움이 있다. 

현재 가장 흔하게 쓰이는 공기 스크러버 방식의 경우 높은 농도의 악취 물질을 물을 이용하여 제거하는 방식으로 저렴하지만 많은 양의 물을 사용해야 하는 단점이 있고 낮은 농도의 물질의 경우 효율이 높지 않다는 문제점을 지닌다. 흡착물질을 이용하는 기존의 제거 방법의 경우 최적화되지 않은 흡착제를 사용하여 제거 성능뿐만 아니라 내구성, 경제성의 한계점을 보인다. 또한 하나의 단일 물질 제거에만 특화된 제거 기술이 주로 보급되어 있기 때문에 복합악취가스 흡착에 대한 근본적인 이해는 매우 부족한 실정이다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 지속가능환경연구단 이지원·오영탁 박사 연구팀은 공기 중 4종의 질소계 악취물질(암모니아, 에틸아민, 디메틸아민, 트리메탈아민) 제거성능을 획기적으로 향상시킨 활성탄 제조기술을 개발했다고 밝혔다. 해당 연구성과는 악취물질 제거를 위한 활성탄의 흡착효율을 높였을 뿐만 아니라 흡착제와 악취가스 간 흡착 메커니즘 또한 최초로 규명해 복합 악취물질에 대한 다양한 형태의 흡착제를 개발할 수 있게 돼 주목받고 있다. 

연구팀은 질산을 이용해 활성탄을 산화시킨 후 열건조 과정을 통해 표면의 산화정도를 정밀하게 제어함으로써 질소계 악취물질의 흡착효율을 높일 수 있었다. 특히, 기존의 방법에 비해 비교적 낮은 온도에서도 하이드록실기를 포함한 다양한 산소 작용기를 활성탄 표면에 생성할 수 있었다. 가장 많이 산화된 열건조 활성탄의 경우 기존의 활성탄 대비 악취물질 제거 효율이 최대 38배 향상됐다. 

연구팀은 산화된 활성탄 표면에 있는 산소 원자가 질소계 악취분자에 포함된 아민과 강한 수소결합을 하기 때문이라는 사실 또한 최초로 밝혔다. 활성탄 표면에서 아민과 더 많은 수소결합을 형성될 수 있도록 산화 정도가 높아져 질소계 악취물질이 더 잘 흡착되는 원리이다. 일반적인 가스반응과 달리 흡착제와 악취물질 간의 상호작용은 양성자 친화도보다 얼마나 많은 수소결합이 일어나는지에 더 큰 영향을 받는다는 사실을 밝혀낸 것이 이번 연구의 가장 큰 성과다. 

제조된 열건조 활성탄(Thermal Desorption Activated Carbon, TDAC)의 암모니아, 에틸아민, 디메틸아민, 트라이메틸아민의 흡착효율은 기존의 개질되지 않은 활성탄에 비해 약 2~38배 이상 높았으며 특히 활성탄 표면에 산소작용기가 많을수록 질소계 악취물질을 더 잘 흡착한다는 것을 알 수 있었다. 가장 많은 산소작용기를 가지는 활성탄의 경우 벤젠보다 모든 종류의 질소계 악취물질을 더 많이 흡착했다. 산화된 열건조 활성탄의 산소작용기는 질소계 악취물질의 아민 작용기와 강한 수소결합을 이루기 때문에 벤젠보다 더 높은 흡착을 보이는 것이며, 아민 작용기에 붙은 탄소수가 많아질수록 분자의 크기가 커져 흡착력이 더 떨어지는 것으로 나타났다.

한편, 열건조 활성탄은 질소계 악취물질 중 흡착 효율이 가장 낮았던 트라이메틸아민에 대한 선택성이 13배 이상 높은 것으로 나타나 더 높은 흡착력으로 트라이메틸아민 제거 또한 가능해졌다. 트라이메틸아민은 국내에서 법으로 규제되는 지정악취물질로 농업, 쓰레기 매립장, 하·폐수처리장에서 많이 발생하는 악취의 대표적인 원인이다. 특히, 열건조 활성탄은 트라이메틸아민에 대해 평균 93.8%의 재활용성을 지녀 기존 활성탄의 재활용 수치인 63% 대비 높은 경제성을 보였다. 

본 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 주요사업을 통해 수행됐으며, 연구결과는 환경과학 분야 국제학술지 『클리너 프로덕션 저널(Journal of Cleaner Production)』 393호에 게재됐다. 이 기술은 질소계 악취물질 제거를 위해 기존에 광범위하게 사용되는 활성탄을 이용함으로써 기존의 소재로는 해결하지 못한 제거 성능 향상뿐만 아니라 비용 절감 및 대량생산의 가능성을 가지고 있다. 

또, 악취 물질 중 질소계 물질이 차지하는 비중은 70%이며, 환경과 관련된 다양한 민원 중 악취 관련 민원은 약 4만 건 이상으로 가장 높은 비율을 차지하고 있다는 점을 고려한다면 향후 실증 연구를 지속해 실제 환경에 대입할 수 있을 것이다.

KIST 이지원 박사는 “악취가스의 흡착 메커니즘 규명을 통해 특정 가스 제거에 특화된 소재를 개발할 수 있으며, 산화과정을 거친 열건조 활성탄은 생산방법이 비교적 간단하고, 재사용도 가능하기 때문에 필터, 마스크 등 정화장치의 소재로 응용될 수 있을 것으로 생각한다”고 말했다.

[『워터저널』 2023년 4월호에 게재]