낙동강 본류 전 구간에 발생하는 녹조는 매년 되풀이 됩니다. 1,300만 영남 주민의 식수원 안전을 위협하는데요. 녹조는 주로 수온이 높아지는 6월경부터 발생하는데, 호수나 하천에서 식물성 플랑크톤이 대량 증식하는 현상입니다. 특히 조류의 성장에 필요한 영양염류(질소·인) 중 인(燐) 농도의 증가는 물 속 부영양화를 일으켜 녹조를 유발하죠. 따라서 녹조 현상에 선제적으로 대응하기 위해서는 인(燐)이 물 속으로 유입되지 않도록 사전에 차단해야 합니다.
최근 친환경 바이오차(Biochar)를 이용해 흡착공정을 통한 다양한 물 속 오염물질을 제거하는 연구가 진행되고 있습니다. 바이오차는 산소 공급이 제한된 조건에서 농작부산물, 목재 등을 포함한 다양한 종류의 바이오매스를 열 분해시켜 만들 수 있는 고상의 물질입니다. 높은 오염물질 제거 효율과 함께 환경적·경제적 장점을 바탕으로 기존 활성탄을 대체할 수 있는 물질로 각광받고 있죠. 하지만 바이오차는 일반적으로 음전하를 띠기 때문에 음이온계 오염물질을 효과적으로 제거하기에는 한계가 있었습니다.
(우)복합체를 이용해 염색 물질 제거 결과. 출처: KIST
그런데 한국과학기술연구원 물자원순환연구센터 정경원 박사팀은 국민의 식수원을 위협하는 녹조를 예방하기 위해 물 속 인(Phosphorus, 燐)을 효과적으로 제거할 수 있는 방법을 개발했다고 밝혔습니다. <Composites Part B : Engineering>에 게재된 논문에 따르면 연구팀은 친환경 나노 합성복합체를 개발했다고 합니다.
나노 합성 복합체 개발, 효과적
연구진은 먼저 농작부산물인 왕겨의 표면에 토양 내 다량 함유되어 있는 마그네슘과 알루미늄을 기반으로 무독성 무기입자인 금속이중층수산화물을 코팅했습니다. 여기서 금속이중층수산화물은 2차원 층상형 구조의 음이온성 점토의 한 종류인데요. 2가, 3가의 금속 양이온 층과 각 층간에 이온교환이 가능한 음이온 층으로 구성된 물질을 말합니다. 음이온 교환 능력이 우수하고 화학 조성이 다양하며 생체친화적이라 생체모방 의공학재료, 음이온 교환제, 안정제, 흡착제, 촉매제 등의 다양한 분야에 적용이 가능하죠.
코팅 후 연구진은 공동 열분해(co-pyrolysis) 과정을 통해 보다 간단한 방법으로 바이오차를 형성시킴과 동시에 금속이중산화물이 합성된 복합체를 개발했습니다. 금속이중산화물은 금속이중층수산화물을 일정 온도에서 열처리한 물질입니다. 정확히는 열처리 과정 중 층간에 존재하는 음이온이 열분해 되면서 형성된 금속산화물을 말하죠. 금속이중산화물은 수계에서 수화반응을 통해 외부물질이 층간에 삽입(intercalation)되면서 본래의 금속이중층수산화물 형태로 복원되는 특성도 갖고 있습니다.
개발된 복합체(RHB/CLDH)의 주사전자현미경 사진과 (우) 왕겨바이오차와 복합체의 인 제거율 비교. 출처: KIST
연구진은 별도의 추가적인 장치 없이 실제 현장에 쉽게 적용이 가능한 복합체를 개발했습니다. 여러 다양한 환경 조건에서도 안정적으로 인을 제거하는 점을 확인했습니다. 연구진은 실험을 통해 개발한 바이오차 복합체가 같은 온도 조건에서 합성한 바이오차 대비 5배 이상 향상된 인(燐)의 흡착 성능을 확인했습니다. 특히 흡착 공정에서 가장 중요한 요인으로 알려진 농도(pH)의 조절 없이도 약 98%이상의 높은 제거 효율을 얻을 수 있었다고 합니다.
또한 연구진은 흡착 성능뿐만 아니라, 인산염 제거 시 흡착 원리를 규명하고 반복·재이용에 따른 제거율 감소 이유 등에 대해 제시할 수 있었습니다. 이렇게 인이 흡착된 바이오차의 경우 훌륭한 자연퇴비로도 활용이 가능하다는 장점도 있습니다.
연구진이 개발한 복합체는 인뿐만 아니라 다른 음이온성 오염물질(비소, 염색폐수 등)에도 높은 제거 효율을 보입니다. 덕분에 연구진의 복합체는 다양한 산업현장에도 적용할 수 있을 것으로 기대됩니다. KIST 물자원순환연구센터 정경원 박사는 "본 연구를 통해 개발된 복합체는 인 뿐만 아니라 다른 음이온성 오염물질인 비소나 염색 폐수 등에도 높은 제거효율을 보이기 때문에 다양한 산업현장에 적용될 것으로 기대한다"고 밝혔습니다.
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