요약
실리카(이산화규소)를 나노 입자로 합성해 1급 발암물질인 '6가 크롬'을 친환경적이면서도 간편하게 흡착시키는 기술을 개발했습니다. 이 과정을 통해 6가 크롬은 유독성이 낮은 3가 크롬으로 환원될 수 있어 친환경 신기술로 평가됩니다. 연구팀은 독성이 강한 6가 크롬을 부가적 에너지 없이 상대적으로 낮은 독성을 가지는 3가 크롬으로 변환하는 화학적 과정의 근본적인 이해가 재생 가능한 친환경 흡착 소재 개발에 필수적인 기반 지식이 될 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.
부산대학교 화학공학·고분자공학과 정성욱 교수 연구팀이 독성물질인 '6가 크롬'을 제거할 수 있는 다공성 실리카 나노 입자의 합성 방법을 개발하는 데 성공했습니다. 친환경적이면서도 간편한 신기술로, 나노 소재 기반의 고효율 흡착제 개발 가능성을 시사합니다. 해당 연구는 <Scientific Reports>에 게재됐습니다.
유독한 발암물질, 크롬을 효율적으로 제거하려면?
'크롬'은 산업적으로 가장 많이 쓰이는 금속 원소 중 하나입니다. 내열성, 내부식성, 전기 저항성 등이 강해 전기 도금, 염색, 페인트, 금속 마감, 가죽 태닝, 사진 및 섬유 산업 등 많은 분야에 이용되고 있습니다. 산화수가 +6인 '6가 크롬'은 생물종에 알레르기 반응, 피부염, 천식, 또는 피부 화상을 일으키며 폐암 및 신장암, 기관지암을 일으키는 매우 유독한 발암물질입니다. 6가 크롬은 수성 환경에서 3가 크롬의 100배 이상 독성을 지니는 것으로 알려져 있습니다.
기존에 '저에너지 소비를 통한 높은 제거 효율'을 가지는 경제적이고 효율적인 흡착 방식을 이용한 6가 크롬 제거에 관한 연구가 활발히 진행되고 있었습니다. 하지만 이전의 흡착제는 비표면적이 낮고 화학적 기능이 많지 않아 크롬 제거 효율과 선택성에 한계가 있었습니다. 따라서 이러한 난제를 근원적으로 해결하기 위해서는 높은 비표면적과 다양한 화학적 기능성이 구현된 새로운 흡착제의 개발이 요구돼 왔습니다.
실리카 사용해 친환경적이면서도 간편하게
이번에 개발한 나노 입자 합성 방법은 지각에 가장 많이 존재하는 성분인 실리카를 사용해 친환경적이면서도 간편합니다. 구조적 제어와 화학적 기능성 유도가 매우 용이하다는 장점이 있습니다. 나노 입자를 구조적으로 제어해 내부에 다공성을 유도함으로써 높은 비표면적을 구현했고 6가 크롬의 흡착을 극대화 할 수 있는 아민기(amine group)와 같은 화학적 작용기(functional group) 유도를 성사시켰습니다. 아민기(amine group)란 암모니아의 수소원자를 탄화수소기로 치환한 형태의 화합물들을 말합니다.
연구팀은 이제까지 제시되지 않았던 체계적인 구조 및 화학 분석 방법을 통해 다공성 실리카 나노 입자의 6가 크롬 흡착 과정을 규명하고 최대 흡착-제거 효율을 얻을 수 있는 실험의 최적화 조건을 발견했습니다. 재사용 횟수에 따른 제거 효율 측정을 통해 지속가능한 흡착제 구현에 관한 연구도 진행했습니다.
시간에 따른 제거 효율 측정을 통해 흡착 과정의 반응동역학적 모델 및 열역학적 수치들을 체계적인 구조 및 화학 분석 방법을 통해 얻어 냈고 부가적 에너지 없이 상대적으로 독성이 적은 3가 크롬으로 변환하는 화학적 과정의 근본적인 메커니즘을 규명했습니다.
연구책임을 맡은 정성욱 교수는 "이번 연구 결과는 친환경적이고 간편하게 합성할 수 있으며 구조적 제어와 화학적 기능성 유도가 용이한 다공성 실리카 나노 입자의 대량 생산을 가능하게 하는 공정 기술로 응용할 수 있다"며 "기존에 제시되지 않았던 체계적인 구조 및 화학 분석 방법은 차세대 나노 소재 기반의 흡착제 설계 및 6가 크롬과 다른 중금속 물질의 흡착을 통한 포집-제거 효율의 극대화에 필요한 핵심적인 화학적 구조 정보를 제공할 수 있다"고 설명했습니다. 연구팀은 독성이 강한 6가 크롬을 부가적 에너지 없이 상대적으로 낮은 독성을 가지는 3가 크롬으로 변환하는 화학적 과정의 근본적인 이해가 재생 가능한 친환경 흡착 소재 개발에 필수적인 기반 지식이 될 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.
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