폐수 속 신종 환경호르몬 신속 제거 고성능 촉매 개발

한국과학기술연구원(KIST) 연구진이 건식기반 아크플라즈마 증착 공정을 통해서 개발한 고성능 코발트 단원자 촉매가 담지된 탄소나노섬유를 확인하고 있다. KIST 제공

국내 연구진이 폐수 속에 함유된 신종 환경호르몬을 신속하게 제거할 수 있는 새로운 촉매를 개발했다. 화학물질 없이 건식 공정으로 만들어진 고성능 단원자 촉매다. 향후 효과적인 폐수 처리 공정에 활용될 것으로 기대된다.

한국과학기술연구원(KIST)은 김종민 물질구조제어연구센터 선임연구원, 한상수 계산과학연구센터 책임연구원, 김상훈 극한소재연구센터 책임연구원, 주병권 고려대 교수가 참여한 공동연구팀이 화학물질을 사용하지 않는 친환경 건식기반 ‘아크 플라즈마 증착 공정’을 통해 고성능 코발트 단원자 촉매를 제작했다고 30일 밝혔다.

연구팀은 촉매를 전기화학적 과산화수소 합성에 기반한 전기-펜톤 공정에 적용해 수용액 내 비스페놀류 환경호르몬을 짧은 시간 내 제거하는 데성 공했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘탄소 에너지’에 5일 온라인 게재됐다.

비스페놀은 건강에 악영향을 미치는 신종 환경호르몬이다. 열에 강하고 기계·화학적 물성이 뛰어나 영수증, 물병, 생수통, 비닐 등 플라스틱 소재의 주요 원료로 널리 사용된다.

비스페놀류 중 비스페놀A(이하 BPA)는 우리가 흔히 환경호르몬이라고 부르는 내분비교란물질로 생식, 발달, 지능뿐 아니라 다양한 대사성 질환에도 악영향을 준다. 최근 BPA의 대체물질로 개발된 비스페놀-Free(BPF) 역시 신경계 교란 및 다양한 건강위험을 초래할 가능성이 학계에서 보고됐다.

연구팀은 폐수 속 비스페놀류를 제거하기 위해 새로운 촉매를 고안했다. 연구팀이 개발한 아크 플라즈마 공정은 진공 상태에서 반복적인 펄스 전압으로 금속 또는 세라믹을 증발시킨다. 이를 물체 표면에 얇은 막으로 입히는 방식으로 펄스 횟수를 조절해 원하는 두께나 특성을 가진 증착층을 만들 수 있다.

연구팀은 개발한 코발트 단원자 촉매를 전기-펜톤 수처리 공정 내 과산화수소를 실시간으로 공급하는 전극 소재로 적용했다. 그 결과 수용액 내 타겟팅된 20ppm(100만분의 1농도) 농도의 신종 환경호르몬인 BPF를 5분 이내 100% 신속히 분해될 수 있음을 확인했다. 반복 실험 및 폐수처리 테스트를 통해서 촉매의 안정성과 비스페놀류 제거를 검증했다. 

연구팀은 “이를 바탕으로 실제 대도시 주변 하수 처리장 또는 특정 산업폐수 처리 시설 등에서 신종 오염물질 제거에 적용할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

김종민 선임연구원은 “이번 성과는 화학물질을 사용하지 않는 건식 공정 방식으로 고성능 단원자 촉매를 제작하고 이를 수 처리 분야까지 응용한 점에서 의의가 있다”고 말했다. 김상훈 책임연구원은 “아크플라즈마 증착법으로 금속 나노입자를 만드는 연구는 널리 알려져 있으나 단원자 증착까지 가능하다는 것을 보여준 연구는 이번 연구가 처음”이라며 연구 의미를 설명했다.

[박정연 기자 hesse@donga.com]