나노 소재를 이용한 수(水)중 ‘6가 크롬’의 효율적 제거 및 원리 규명
향후, 고효율 흡착소재 실용화 및 저비용 폐수정화시스템 구축에 기여
작년 6월 경, 수원시 영통구 일대의 건설 현장 인근 도금업체에서 인체에 해로운 중금속인 6가 크롬(Cr6+)이 불법 배출되어 사회적으로 큰 문제를 일으킨 바 있다. 6가 크롬은 내열성, 내부식성, 전기 저항성 등이 강해서 도금, 염색, 피혁 제조 및 강력 산화제 등으로 다양한 산업분야에 이용되고 있는데, 1급 발암물질 중 가장 독성이 높은 물질로 인체 내 신장이나 골수에 축적이 되어 장기간 농축될 경우 세포조직 손상, DNA 변이 및 사망에까지 이를 수 있다. 최근 국내 연구진이 새로운 물질을 적용한 고효율 흡착소재를 개발, 산업공정에서 고농도로 발생 및 유출되는 6가 크롬을 효과적으로 제거할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다.
한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 전자재료연구단 이욱성 박사, 물자원순환연구단 최재우 박사팀은 공동 융합연구를 통해 질소가 함유된 고분자 물질을 이용하여 폐수 내에 고농도로 배출되고 있는 유해 중금속인 6가 크롬을 선택적이고 효율적으로 제거할 수 있는 흡착재를 개발, 그 흡착 원리를 규명했다고 밝혔다.
이번 연구는 다른 학제 간(전자재료, 물자원순환) 융합연구를 통해 폐수 내 고농도로 배출되고 있는 중금속 이온의 제거 및 회수와 재이용을 목적으로 진행되었다. KIST 공동연구진은 나노 소재의 발굴 및 적용과 환경 분야의 융합연구로 특정한 질소-탄소 구조를 사용하여 산성도(pH) 환경에 따라 수중 6가 크롬의 산화·환원 반응과 이에 대한 흡착 매커니즘을 정량적으로 규명하였다.
대기와 토양 등에 확산된 6가 크롬은 눈, 비로 인해 침출수의 형태로 수중에 퍼지게 된다. 현재까지 전 세계적으로 이러한 6가 크롬을 비롯한 독성 중금속류를 신속하고 효율적으로 처리하기 위한 환경소재 개발이 다방면에서 진행되어 왔으나, 지금까지 보고된 소재들은 제거 효율이 높지 않아 대부분의 폐수처리업체에서는 증발농축 방법을 이용한 처리방법을 사용해왔다. 수중 확산된 중금속들을 처리하는 방법인 증발농축 방법은 높은 에너지가 요구되어 많은 비용이 들고, 공정 후 각종 중금속을 포함한 폐슬러지 발생으로 복잡한 후처리 공정이 필요하다는 단점을 갖고 있어 독성 중금속 폐수 처리에 적합한 효율적이고 경제적인 공정이 요구되는 상황이었다.
이에 KIST 연구진은 피롤 단량체의 고분자 형태인 ‘폴리피롤’**을 6가 크롬 흡착제로 사용하고 그 흡착 원리를 규명하였다. 가루(powder) 형태의 폴리피롤의 함량이 높아짐에 따라 6가 크롬이온의 흡착량이 크게 증가하였으며, 흡착 원리는 크게 두 가지이다. 첫 번째는, 수중 6가 크롬이온이 폴리피롤의 주 성분인 피롤성 질소와 산화반응(존스-산화 반응)을 통해 비교적 안정하고 인체에 무해한 3가 크롬으로 변환되어 흡착되는 원리이다.
또한 산화 반응이 용액의 산성도와 밀접한 관계가 있음을 함께 규명하였는데, 산성도(pH)가 낮을수록 존스-산화 반응이 강하게 발생하여 흡착되는 3가 크롬의 양이 증가한다. 두 번째로, 잔존하는 6가 크롬이 피롤성 질소와 수소결합 방법을 통해 동시다발적인 흡착이 진행되어 고효율의 흡착이 가능하다. 연구진은 실험을 통해 개발된 흡착소재 10mg 만으로 50mL 폐수 내 함유되어 있는 10ppm 농도의 6가 크롬을 99% 이상 제거가 가능함을 확인했다.
이번 연구결과로 나노 소재를 이용한 수중 독성 6가 크롬 흡착제로의 활용이 기대되며, 특히 도금 공장 등의 산업체에서 배출되는 독성 크롬의 처리 공정에 즉각 적용 가능할 것으로 보고 있다.
KIST 전자재료연구단 이욱성 박사는 “6가 크롬의 흡착 제거에 새롭게 활용된 질소-탄소의 결합체인 나노소재가 국민 안전을 확보하고 환경 안전에 대한 신뢰성을 높일 것”이라고 말했으며, KIST 물자원순환연구단 최재우 박사는 “이번 연구성과를 바탕으로 실제 현장에서 적용하기 적합한 형태의 물질에 대한 후속연구를 통해 저비용 폐수정화시스템 구축에 기여할 것으로 기대”한다고 밝혔다.
본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업으로 수행되었으며, 연구결과는 ‘Water Research’ (IF : 7.051, JCR 분야 상위 0.556%)에 최신호에 게재되었다.