광운대 장민 교수 연구팀, 수중 미량오염물질 제거율 향상을 위한 광-오존 촉매 및 공정 개발

중앙일보

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(왼쪽부터) 김민지, 황건덕 박사후 연구원, 종초은 연구교수, 장민 교수

광운대학교 장민 교수(환경공학과) 연구팀은 김민지 석사(제1저자)와 함께 가시광선 조사 하에서 향상된 광-오존 촉매 및 가시광-오존 산화 공정을 개발하고 미량오염물질을 효과적으로 제거하였다.

미량오염물질은 의약품, 살충제와 같이 인간활동의 결과로 발생하며 잔류성이 높고 생체 내성 및 독성을 나타내 생태계를 파괴하고 인체에 유해한 영향을 끼친다. 전 세계적으로 이러한 미량오염물질의 수계오염문제가 대두되고 있으나 응결?응집 및 생물학적 처리법과 같은 기존의 수처리공정은 복잡한 내화성 구조를 가진 미량오염물질을 제거하거나 분해하는데 시간이 오래 걸리거나 효율이 낮은 등의 어려움을 가지고있다.

오존산화, 광산화, 광촉매, 펜톤 및 유사 펜톤 공정과 같은 고급 산화 공정(AOP)은 독성 및 내화성 미량오염물질 오염수를 처리하는데 적합한 대안 기술로 대두되고 있다. 특히 오존 산화는 대규모 시스템에 적용 가능하며 강력한 oxidation potential (E° = 2.07 V)을 가지고 있어 실증화 가능한 공정으로 여겨지고 있다. 하지만 수용액에서 오존의 낮은 용해도, pH 에 따른 반응속도의 변화, 그리고 높은 생산비용을 주요 단점으로 가지고 있다. 또한 오존은 일부 방향족 또는 포화 카르복실산과 같은 특정 유기물질과는 느리게 반응하며, demineralization 시키는데 한계가 있으며, 복합적인 성분들과의 반응을 통해 bromate와 같은 독성 부산물을 생성시킬 수 있다는 문제점을 갖고 있기 때문에 오존 공정을 단독으로 적용하는 것은 바람직하지 않다. 따라서 산화 효율을 향상시키고 단점을 완화시키기 위해 오존산화 공정에 촉매 (catalytic ozonation), 광 조사(photo-ozonation) 내지 촉매를 추가하는 등의 두가지 이상의 고도산화 공정이 결합된 복합고도산화공정들이 제안되어 왔다. 이러한 결합은 hydroxyl radicals (E° = 2.8 V)과 같은 강력한 활성 산소종 생성을 통한 시너지 효과를 발생시켜 미량오염물질 제거에 높은 효율을 가지게 된다.

본 연구진은 상이한 하소온도를 통해 세륨산화물(CeOx)의 산소 공석률을 조절하여 미량오염물질인 옥살산의 제거능을 향상시켰다. Ce는 란탄족계열의 희토류 산화물로 산소 공석을 이용한 유사 펜톤 작용을 통해 오존을 분해하여 촉매 오존화에서 선호되는 재료이다. 또한 산소 공석을 이용하여 광 효율을 조정하는 결함, 변형 도핑 등의 상태 조정은 많이 연구되어왔다. 하지만 산소 공석이 과다하면 전자-전공 재결합의 또다른 사이트가 되어 재결합 속도가 증가할 수도 있으며, 광촉매적 성능뿐만 아니라 촉매 오존화 특성에도 관여하는 주요인자이기 때문에 그 역할을 규명하는 것은 중요하다. 본 연구에서는 광촉매오존화의 시너지 효과를 계산하여 공정의 효율을 증명하였으며, 산소공석률이 광촉매오존화 공정에서 어떠한 역할을 하는지 규명하였다. 상기의 결과를 통해 본 연구는 유기미량오염물질 제거를 위한 수처리에서 광촉매 오존화공정을 사용하는데 있어 산업적 응용 가능성을 시사하였을 것이라고 사료된다.

본 연구는 환경부의 녹색환경지원센터(2101040214), 연구재단(대학중점연구소 2021R1A6A1A03038785, 중견연구사업 2023R1A2C1003464) 및 2023년 광운대학교 교내연구사업으로 수행되었고, 연구결과는 과학전문지 Applied Surface Science (IF: 6.7) 2023년 12월 1일자 온라인 판에 “New insight into the visible-light-driven photoinduced electron transfer mechanism for ozone activation over defective sites of ceria for organic compounds destruction”의 제목으로 게재되었다.

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