보도자료
발생 현장에서 바로 처리하는 하폐수 처리 장치 개발 - 연속흐름식으로 수중 유기물을 빠르게 분해하여 무기물화, 바로 방류 가능 - 장치에서 과산화수소를 자체 대량 생산, 현장에서 바로 산화제로 이용
- 등록일 : 24-11-20
- 극한소재연구센터 외
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발생 현장에서 바로 처리하는 하폐수 처리 장치 개발 |
- 연속흐름식으로 수중 유기물을 빠르게 분해하여 무기물화, 바로 방류 가능 장치에서 과산화수소를 자체 대량 생산, 현장에서 바로 산화제로 이용 |
기존의 하·폐수 처리 방식은 발생지에서 관로를 통해 대규모 처리장으로 중앙집중적으로 모은 후 대량으로 처리하는 구조다. 그러나 농어촌과 같은 소규모 분산 지역에서는 이러한 방식으로 하·폐수를 처리하기에는 어려움이 있다. 소규모 비점 오염원에 설치되는 간이 처리 장치들은 주로 소독이나 탁도 개선에 그쳐, 하·폐수 속 난분해성 유기물의 분해는 제대로 이루어지지 않는다. 또한 산업 폐수를 자체 처리하는 사업장에서도 처리 효율이 낮아 독성이 높은 폐수는 종말처리장으로 재이송해야 하는 경우가 많다.
한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 극한소재연구센터 김상훈 박사, 물질구조제어연구센터 김종민 박사, 계산과학연구센터 한상수 박사 공동 연구팀은 하·폐수를 오염현장에서 방류 수준까지 처리할 수 있는 전기화학적 장치를 개발했다. 특히, 난분해성 물질을 빠르게 무기물로 완전 분해해 자체 방류가 가능하도록 했다.
기존 연구 방법은 주로 전기화학적으로 강력한 산화제인 과산화수소 발생을 위한 전극 소재 개발에 초점을 맞췄던 반면, 이번 연구에선 고효율적인 전극 소재 개발과 더불어 폐수를 장치 내에서 순환시키면서 다량의 과산화수소를 발생시키고, 잘 섞이게 하는 유동식 반응기(flow cell) 방식을 도입해, 현장에서 난분해성 유기물을 산화·분해하는 방식을 통해 빠르게 무기물화했다. 이는 기존의 처리조 방식보다 훨씬 효율적으로 유기물을 완전 분해할 수 있는 구조다.
기존 수중의 유해한 유기물을 산화 처리하는 방식에서는 유기물들이 완전 분해되기까지 여러 단계를 거쳐야 하고, 그 중간 생성물들의 독성이 여전히 남아있는 경우가 많았다. 수중 유기물을 완전 분해해서 무기물화가 되어야 독성이 없어지고 방류가 가능한 수준이 되는데, 이를 나타내는 지표를 총유기탄소(TOC, Total Organic Carbon)라 한다. 환경부에서도 48년 만인 작년부터 하폐수 방류기준에 총유기탄소량을 추가하여 좀 더 엄격한 하폐수 처리 기준을 내세우고 있다. KIST 연구팀이 개발한 소규모 전기화학적 장치는 중앙집중식 처리가 어려운 하·폐수를 현장에서 직접 효과적으로 처리할 수 있는 기술이며, 총유기탄소량을 짧은 시간 안에 효과적으로 낮출 수 있다. 연구진은 실제로 50pm의 비스페놀A의 총 유기탄소량을 2시간 만에 93% 낮추는 우수한 완전분해 성능을 입증했다.
KIST 김상훈 박사는 “개발한 장치는 연속적이고 반복적인 흐름 방식으로 구성되어 기존 방식보다 높은 완전 분해 효율을 보이며, 이 장치와 처리 방식에 대한 특허가 출원 중이다. 이 기술의 상용화를 위해 기술 이전도 추진할 계획이다.”라고 말했다.
본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임)의 지원을 받아 KIST 주요사업, 우수신진 (RS‐2023‐00209940), 나노소재기술개발사업 (NRF-2022M3H4A7046278) 및 환경부(장관 한화진) 환경기술개발사업(2021002800005)으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Applied Catalysis B:Environment and Energy (IF: 20.2 JCR 분야 상위 0.6%)」최신 호에 게재됐다.
* 논문명 : Higher-valent nickel oxides with enhanced two-electron oxygen reduction in advanced electro-Fenton system for organic pollutants degradation
[그림 1] 기존 전기-펜톤 방식과 유동식 반응기 기반의 전기-펜톤 방식 비교 모식도
기존 저류조 형태 수처리 방식(왼쪽)의 경우 과산화수소 생성을 위한 산소(반응물)가 저농도의 용존 산소인 반면, 유동식 반응기 기반 방식의 경우(오른쪽) 고농도의 산소 가스가 직접적으로 주입되는 방식이기에 높은 과산화수소 생성 특성을 보임. 또한 전해질이 순환하는 방식이기 때문에 전극에서 생성된 과량의 과산화수소의 분산을 유도하여 효율적으로 유기물 제거가 가능함.
[그림 2] 유동식 반응기를 이용한 고효율 및 안정적인 실시간 전기화학적 과산화수소 생산 특성
환원전극에서 촉매 1 kg, 시간당 약 219 Kg에 이르는 과산화수소 (pH=14 & 100 mA/cm2 기준) 생산되는 특성 결과. 내구성 평가에서도 과산화수소 특성이 유지되고 있음을 보여줌.
[그림 3] 전기-펜톤 공정을 통한 총유기탄소량 저감량 비교
본 연구(맨 오른쪽)에서 제시한 유동식 반응기 장치의 총유기탄소저감량이 타 문헌에서 보고된 접근법보다 월등히 높음을 알 수 있음.