영남대 화학공학부 심재진(사진) 교수 연구팀이 값싼 산화제를 사용해 페놀과 같은 독성폐수를 30분 만에 100% 분해하고 장기간 재사용이 가능한 새로운 나노구조 촉매 개발에 성공해 독성폐수 처리 산업에 새로운 길이 열렸다.
기존의 수용성 폐수처리 촉매들은 처리에 시간이 오래 걸리고, 처리 수에 중금속이 포함되며 포집과 재사용이 불가능한 환경적·경제적 문제점이 있었다.
이러한 단점을 개선하고자 심 교수 연구팀은 물에 녹지 않고 자성을 가져 회수가 쉬운 아연철산화물 나노입자를 초음파를 이용해 그래핀에 부착시키고, 그 위에 감마(γ) 이산화망간 나노 박편을 수열합성법으로 성장시켜 나노복합체 촉매를 개발했다. 이번에 개발된 나노촉매는 값싼 산화제만을 사용하면서도 회수가 쉽고 안정적으로 장기간 재사용이 가능하며 독성폐수에 효과가 매우 높은 장점을 가지고 있다.
또 많은 촉매 활성점에서 라디칼 공급원을 활성화할 수 있으므로 개발된 나노혼성체 촉매는 0.2 g/L의 값싼 과산화일황산(PMS)을 이용해 30분 만에 20ppm의 페놀을 100% 분해하는 등 기존의 촉매에 비하여 페놀 분해에서 탁월한 촉매효과(총 유기 탄소는 180분 안에 95% 제거)와 안정성을 보여 주었다.
아울러 촉매의 자성 때문에 회수가 쉬워 장기간 재사용이 가능함을 보여 주었다. 이 나노혼성체 촉매는 빛이 없이도 값싼 라디칼만 제공되면 오염물을 탁월하게 분해할 수 있어 페놀 등 환경 위해물질 분해를 위한 효과적인 촉매로 사용될 수 있다.
최근에 개발된 다른 촉매들은 회수가 어렵거나 중간체가 촉매에 남아 있어 촉매효율이 떨어지므로 촉매의 재생을 위해 열처리가 필요하다. 하지만, 개발된 촉매는 이들을 전혀 사용하지 않고 직접 분해함으로써 처리에 소요되는 에너지와 비용을 크게 감소시킬 뿐만 아니라 2차 오염을 막고, 처리 수를 재사용함으로써 물 사용량을 획기적으로 줄일 수 있는 등 경제적 이점이 크다.
본 연구의 책임자인 심 교수는 “이번에 개발한 촉매는 분해가 어려운 독성 폐기물 분해에 활용 가능할 뿐만 아니라, 값싼 산화제를 사용하지만, 반복적으로 사용할 수 있고 높은 분해효율과 높은 안정성 및 짧은 분해시간 등의 다양한 장점이 있어 앞으로 관련 산업에 기여도가 매우 높을 것으로 기대된다”고 밝혔다.
또 “이 촉매는 최근 본 연구실에서 개발한 은/아연철산화물/그래핀 촉매와 함께 사용하면 페놀 등 난분해성 독성폐수를 낮에는 태양광으로, 밤에는 값싼 산화제로 큰 에너지의 공급 없이 저렴한 비용으로 효율적으로 처리할 수 있어 독성폐수 처리공정의 상용화 및 환경산업 발전에 크게 이바지할 수 있을 것으로 기대된다”고 평가했다.
심 교수 연구팀은 최고의 성능을 가진 그래핀-금속산화물 나노복합체 소재 개발과 탄소나노양파(CNO), 맥신(MAXene), 페로브스카이트, 그래핀퀀텀닷 등의 신물질을 개발에 나선다.
심재진 교수는 한국청정기술학회 회장(2012년), 한국공학교육학회 부회장(2011~2012년)을 역임했으며 현재 영남대 산학협력단 청정에너지중점연구소사업단장 및 청정기술연구소장으로 활동하고 있다.
