폐 PET병 활용해 항생물질 제거
폐 PET병 활용해 항생물질 제거
  • 함예솔
  • 승인 2020.03.31 18:20
  • 조회수 772
  • 댓글 0
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요약

 

환경부 발표에 따르면 일반 강물에서도 항생제 성분이 검출됐다고 하는데요. 버려지는 PET병 활용한 고효율 흡착 소재로 물 속 항생물질 제거하는 기술이 개발됐습니다. 이로써 환경적·경제적 측면에서 유리한 항생물질 제거 방법을 찾았습니다. 개발된 다공성 탄소복합소재는 환경소재 뿐 아니라 에너지 소재 등 다양한 분야에 활용이 가능하며 고부가가치 환경소재로 각광받을 것으로 기대됩니다.

우리나라는 항생제 사용률이 높아 항생제 다제내성균, 이른바 슈퍼박테리아 출현 가능성이 높은 국가로 분류돼 있습니다. 최근 환경부 발표에 따르면 축산폐수처리장이나 하수처리장, 일반 강물에서도 항생제 성분이 검출됐다고 알려졌습니다. 

폐 PET에서 추출한 유기리간드(테레프탈산)로 수 중 항생물질을 흡착하는 다공성 탄소복합소재를 개발하는 모식도. 출처: KIST
폐 PET에서 추출한 유기리간드(테레프탈산)로 수 중 항생물질을 흡착하는 다공성 탄소복합소재를 개발하는 모식도. 출처: KIST

한국과학기술연구원(KIST) 물자원순환연구센터 정경원 선임연구원, 최재우 책임연구원팀은 물 속 항생물질 유출 시에 발생하는 환경독성 및 항생 내성균의 문제를 해결하기 위해 버려지는 PET병을 활용한 고효율 흡착소재를 개발했다고 밝혔습니다. 해당 연구는 <Composites Part B : Engineering>에 게재됐습니다. 

 

물 속 항생물질 제거하려면?! '페트병 이용'

 

최근 물 속 항생물질을 효과적으로 제거하기 위한 방법으로 금속-유기구조체(metal-organic framework, MOF)를 열분해공정을 통해 합성한 다공성 탄소복합소재가 각광받고 있습니다. 금속-유기 구조체(MOF) 은 금속 이온과 유기 리간드가 배위결합을 통해 2~3차원적으로 연결된 결정형 다공성물질을 말하는데요. 

 

다공성 탄소복합소재는 물 속 항생물질을 흡착하여 제거합니다. 하지만 일반적으로 MOF 합성을 위해 고가의 유기 리간드(organic ligand)를 사용하기 때문에 대량 생산을 통한 실제 현장 적용에는 한계점이 있었습니다. 참고로 유기 리간드(organic ligand)는 금속이온 사이에 가교 역할을 하는 MOF 합성을 위한 필수 요소입니다. 

 

KIST 연구진은 수거된 폐 페트(PET)병에 주목했습니다. 우리 실생활에서 사용되는 페트병은 테레프탈산(terephthalic acid)과 에틸렌 글리콜(ethylene glycol)을 중합해 만든 고분자 물질로 테레프탈산은 금속-유기구조체(MOF) 합성을 위한 유기 리간드로 사용하는 물질이다. KIST 연구진은 버려지는 페트병으로부터 고순도의 유기 리간드를 추출하고 이를 이용한 고효율 흡착 소재 합성에 성공함으로서 환경적·경제적 측면에서 유리한 항생물질 제거 방법을 찾았습니다.

 

고효율 흡착성능으로 성능 유지,  폭 넓은 수처리 적용 가능

(좌측) 추출한 테레프탈산, (가운데) 이를 이용하여 합성된 철(Fe)기반 금속-유기구조체, (우측)자성 다공성 탄소복합소재. 출처: KIST
(좌측) 추출한 테레프탈산, (가운데) 이를 이용하여 합성된 철(Fe)기반 금속-유기구조체, (우측)자성 다공성 탄소복합소재. 출처: KIST

이번 흡착소재 개발은 중화반응을 통해 고순도의 테레프탈산을 쉽게 얻을 수 있는 알칼리 가수분해 공정이 도입됐습니다. 이때 가수분해 효율을 극대화시키기 위해 초음파와 상간 이동 촉매(phase transfer catalyst) 공정을 결합했고 연구진은 최적 설계를 통한 공정으로 고순도 테레프탈산을 100% 추출하는데 성공했습니다. 추출된 테레프탈산을 이용하여 다공성 탄소복합소재를 개발했으며 이때 철(Fe)기반의 금속-유기구조체를 전구체로 사용해 소재에 자성을 부여함으로써 흡착공정 후 외부 자기장을 통해 쉽게 분리할 수 있는 장점을 가진 환경소재를 개발했습니다.

  • 상간 이동 촉매

두 가지의 다른 상이 공존 시 서로 다른 상으로 반응물질이 쉽게 이동 및 반응하게 하는 촉매입니다.

  • 테트라사이클린(Tetracycline)

세균 감염 치료를 위한 항생제로, 세균의 단백질 합성을 저해하여 미생물 감염에 항균작용을 나타내는 의약물질입니다.

자성 다공성 탄소복합소재의 투과전자현미경 사진. 출처: KIST
자성 다공성 탄소복합소재의 투과전자현미경 사진. 출처: KIST

KIST 연구진은 세균 감염치료를 위한 항생물질인 '테트라사이클린'에 대한 물 속 흡착효율을 검증한 결과 일반적인 환경 수 조건(pH 6)에서도 약 90분 동안 100% 제거가 가능했으며, 다공성 탄소복합소재 1g에서 약 671mg의 흡착성능을 보였습니다. 이는 학계에 보고된 테트라사이클린 흡착성능 중 최고 수준입니다. 또한 흡착-탈착공정을 5회 반복하여 재이용해도 초기 성능 대비 약 90% 이상의 흡착 성능을 보임으로써 높은 안정성과 폭넓은 수처리 적용 가능성을 보여줬습니다.

자성 다공성 탄소복합소재의 자석 반응 사진. 출처: KIST
자성 다공성 탄소복합소재의 자석 반응 사진. 출처: KIST

 

정경원 선임연구원. 출처: KIST
정경원 선임연구원. 출처: KIST

 

 

 

KIST 정경원 박사는 "폐 플라스틱을 이용하여 환경오염을 방지하고, 고효율 흡착성능과 재사용에도 성능을 유지함으로서 폭 넓은 수처리 적용이 가능할 것으로 기대한다"고 말했습니다. KIST 최재우 박사는 "본 연구를 통해 개발된 다공성 탄소복합소재는 환경소재 뿐 아니라 에너지 소재 등 다양한 분야에 활용이 가능하며, 고부가가치 환경소재로 각광받을 것으로 기대한다"고 밝혔습니다.  

 

 

 

 


##참고자료##

 


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