국내 연구진이 하폐수 오염물질 분해 능력이 9배 가량 개선된 비철금속 기반 촉매를 개발했다. 기존 촉매와 달리 여러번 사용할 수 있어 경제성도 뛰어나다.
한국과학기술연구원(KIST) 물질구조제어연구센터 김종식 박사팀은 하·폐수 처리를 위한 니켈 촉매와 수용성 오염물 처리 효율이 뛰어난 전기화학 공정을 개발했다고 밝혔다.
산업 현장에서 필수적으로 발생하는 하·폐수는 오염물을 제거한 후 방류한다. 물에 포함된 염료, 항생제 등 오염물을 환경에 무해한 물, 이산화탄소 등으로 분해하기 위해 강력한 분해제인 'OH 라디칼'을 이용한다. 라디칼은 물에 잘 분해되지 않는 오염물을 분해해 물과 이산화탄소를 생성하는 산화제다. 기존 공정은 이때 '철' 기반 촉매를 사용했다.
철 기반 촉매는 성능이 낮고, 수명이 1회성이다. 단점이 확실하지만 비철계 소재를 활용한 촉매 개발 연구는 드물어 대체재를 찾지 못했다.
연구진은 비철금속이 하·폐수 처리용 촉매로 사용될 수 있는 가능성에 주목했다. 철과 유사한 물리, 화학적 특징을 지닌 망간, 코발트, 니켈, 구리를 사용해 동일한 화학구조를 갖는 5가지 황화물 촉매를 제작, 연구했다. 그 결과 '니켈황화물' 촉매가 라디칼 전구체 활성화와 오염물 분해에 가장 우수한 성능을 지속하는 것을 확인했다.
니켈황화물 촉매는 기존 철 기반 촉매보다 라디탈 생산성이 약 3배, 오염 분해 능력은 9배 향상됐다. 철 기반 촉매 단점인 1회성을 극복, 여러 번 사용가능해 큰 경제적 이점도 있다. KIST 연구진은 형성된 라디칼이 촉매표면으로부터 떨어지는 '탈착' 단계가 용이할수록 오염물이 보다 효과적으로 분해된다는 사실을 규명, 금속황화물 촉매 라디칼 전구체 활성화 메커니즘을 밝혔다.
김종식 KIST 박사는 “물 속 오염물 처리를 위한 차세대 촉매 개발과 그에 대한 메커니즘과 효용성을 세계 최초로 검증한 획기적 연구”라면서 “향후 상용화를 위한 니켈황화물 촉매 표면 개선 연구를 이어가겠다”고 말했다.
이 연구는 촉매분야 최고 수준 과학전문지인 'Applied Catalysis B: Environmental' 최신호에 실렸다.
최호 정책기자 snoop@etnews.com
