폐수 속 합성염료만 따로 분리… 물과 함께 재활용한다

韓·英·中·벨기에 연구진 공동
섬유공장 오염수 99% 정화
전기투석용 여과막 개발 성과
기존보다 에너지 33.5% 절약
18번 반복사용해도 성능 그대로

한국을 포함한 세계 과학자들이 전 세계 섬유공장에서 나오는 연간 700억t에 달하는 폐수를 재활용하는 방법을 제시했다. 폐수 속 합성염료를 분해해 정화하는 것이 아니라 따로 분리해 모으면 염료는 물론 정화된 물까지 재활용할 수 있다는 주장이다.

■中 연간 18.4억t 염료폐수 배출

영국과 중국, 벨기에 과학자들과 함께 연구한 한국에너지공대(KENTECH) 에너지신소재학과 서동한 교수는 15일 "이를 통해 기후변화로 인한 가뭄과 수질오염으로 인한 물 부족 현상을 최소화 할 수 있다"고 말했다. 즉, 폐수 속 염료를 분해해 물을 정화하는 방식이 아닌 염료를 분류하고 재활용하는 방식을 활용해 비용을 최소화 하면서 수질오염을 막겠다는 전략이다.

연구진에 따르면 지난 1865년 유기합성 염료가 개발된 이래 지금까지 1만가지 이상의 합성염료가 개발됐으며, 전세계 생산량은 100만t을 넘어섰다. 이 합성염료는 섬유와 고무, 가죽, 종이, 식품, 제약 및 화장품 산업등에 사용되고 있다. 특히 합성 염료의 80% 이상이 섬유산업에서 쓰이고 있으며, 연간 700억t의 폐수가 발생한다. 중국에서 18억4000만t, 인도 6억5000만t, 방글라데시 10억3000만t의 섬유 염료 폐수를 배출하고 있다.

저개발국가나 개발도상국에서 주요 환경문제와 건강문제가 심각하다. 이들 국가에서는 염료 폐수의 약 80%를 적절한 처리없이 배출하거나 농업용수로 사용하고 있다. 문제는 합성염료로 인해 수질오염이 악화되고, 물 부족 문제가 증가함에 따라 지속가능한 개발을 가로막고 있다는 것이다. 연구진은 이를 해결하는 것이 시급하다고 진단했다.

■생태계는 물론 인간도 위협

대부분의 합성 염료는 인간의 암 위험을 증가시킬 가능성이 높다. 처리되지 않은 합성 염료가 수생 환경으로 방출되면 물, 토양에서 인간이 섭취하는 식품에 이르기까지 심각한 생태독성 위험과 인간의 건강까지 위협할 수 있다.

염료로 인한 수질 오염은 미세조류의 성장이 억제되는 것은 물론 세포 변형이 일어나, 먹이사슬의 가장 아랫단계에서부터 생태계를 파괴시킬 수 있다. 또 물 속 동식물의 성장에 직접적인 위협을 가한다. 예를 들어 개구리밥의 광합성 효율을 떨어뜨려 괴사하기도 하며, 물고기의 아가미나 뇌에 염료가 침착돼 단백질 함량을 감소시키고 번식률을 떨어뜨리기도 한다.

아울러 염료로 오염된 물이 농업에 쓰일 경우 토양내 미생물 균형이 교란돼 토양의 비옥함이 사라질 위험이 있다. 또 농작물의 염록소 생성을 방해해 작물 수확량이 감소하고, 식물에 남아 있는 염료가 인간과 동물에 전달되는 악순환이 반복된다. 결과적으로 인간이 합성 염료에 노출돼 피부염부터 중추신경계 장애는 물론 장기 기능 장애, 암 위험 증가 등 다양한 질병을 유발할 수 있다.

■폐수를 최소 에너지로 정화

서 교수는 해외 연구진들과 함께 폐수를 고효율로 99% 이상 정화할 수 있는 전기투석용 여과막(멤브레인)인 '박막 복합 나노다공성 막(TFC NPM)'을 개발했다.

이 여과막은 지금까지 산업에 쓰이던 것과 달리 염분과 염료를 한 번에 걸러낼 수 있다. 또한 여과막에 오염물질이 달라붙지 않아 18번 이상 반복 사용해도 성능이 떨어지지 않았다. 연구진이 이 여과막의 정화성능을 테스트할 결과, 이 여과막은 1㎏의 물을 정화하는데 5.86㎾h의 최소 전력이 쓰였다. 기존 여과막과 비교해 33.5% 에너지를 절약했다.

새로운 정화 기술은 개발된 막을 이용해 염료를 모으게 된다. 아울러 염료와 염을 분리해 물을 정화하는 방식이다. 이렇게 모은 염료는 다시 사용할 수 있다. 서 교수는 "염료를 분해하는데 더 많은 에너지가 소모되고 많은 이산화탄소가 발생해 탄소중립 시대에 맞지 않는 기술"이라며 "미래 세대를 위해 새로운 분리막 제조 공정을 활용하는 것이 바람직하다"고 설명했다.