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KIST 한국과학기술연구원 Korea Institute of Science and Technology

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친환경 나노복합 촉매제와 초음파의 결합, 물 속 오염물 및 환경 호르몬까지 제거한다 보기
제목 친환경 나노복합 촉매제와 초음파의 결합, 물 속 오염물 및 환경 호르몬까지 제거한다
연구팀 물자원순환연구센터 최재우, 정경원 박사팀 조회수 1243
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- 농작부산물 같은 폐자원 활용한 친환경·저비용·고효율의 폐수 처리 촉매제 개발

- 초음파 자극 결합으로 효율↑시간↓, 향후 환경호르몬 제거 시스템 구축 기대


한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 물자원순환연구센터 최재우 박사, 정경원 박사팀은 농촌지역에서 흔히 발생하는 부산물을 활용하여 오염물을 효과적으로 제거하고, 내분비계 교란물질인 환경호르몬을 높은 효율로 제거할 수 있는 폐수 처리 공정을 개발했다고 밝혔다.

산업 현장에서 필수적으로 발생하는 하·폐수에는 오염물과 내분비계 교란물질인 환경호르몬이 다량 함유되어 있다. 특히 환경호르몬은 쉽게 분해가 되지 않아 환경 뿐만 아니라 우리 인체에도 심각한 영향을 미칠 수 있기 때문에 반드시 제거하는 공정이 필요하다. 

기존 하·폐수 처리에 사용되고 있는 촉매는 시간이 지날수록 성능이 급격히 떨어지고, 높은 효율을 얻기 위한 조건이 한정적이어서 많은 비용이 소요된다는 단점이 있다. 또한, 현재까지의 연구는 주로 단일 물질로 구성된 촉매제 개발과 이를 활용한 성능향상의 연구방향으로 진행되고 있고, 환경호르몬 제거 등 친환경 나노복합 촉매제 개발에 대한 연구는 드문 실정이다.

KIST 최재우·정경원 박사팀은 폐수 처리 공정을 통해 물 속 오염물과 내분비계 교란물질인 환경호르몬을 제거하기 위해 농작 부산물을 이용한 친환경 바이오차(Biochar)** 활용했다. 연구진은 폐자원인 ‘왕겨’를 활용하여 친환경적이고 높은 경제성을 만족시키는 바이오차를 구현했으며, 바이오차 표면에 나노크기의 이산화망간을 코팅하여 나노복합체를 형성, 바이오차와 이산화망간이 갖고 있는 장점들을 기반으로 고효율 경제성을 확보할 수 있는 바이오차-나노복합체 촉매제를 개발했다. 
**바이오차(Biochar) : 산소공급이 제한된 조건에서 목재를 포함한 다양한 종류의 바이오매스를 열분해시켜 만들 수 있는 고상의 물질을 통칭함

KIST 연구진은 나노복합체 합성 시, 높은 재현성과 안정적이고 높은 활성도의 촉매제를 구현하기 위해, 광물합성법 중 하나인 높은 열과 압력을 가하는 열수합성법(Hydrothermal method)을 이용하였다. 이를 통해 3차원 형태의 계층화된 구조를 갖도록 하여, 넓은 표면적으로 인해 고도산화공정에 높은 효율을 보이는 것을 확인했다.

기존의 촉매가 환경호르몬인 ‘비스페놀 A’를 80%밖에 제거하지 못했던 조건에서 KIST 연구진이 개발한 촉매를 사용하면 1시간 이내에 95%이상을 제거할 수 있고, 특히, 초음파(20 KHz)와 결합하면 20분 이내에 ‘비스페놀 A’ 100% 제거하는 것을 확인하였다. 또한, 수 차례의 반복 및 재이용 실험에서도 약 93%의 높고 안정적인 제거효율을 확인할 수 있었다. 

KIST 물자원순환연구센터 정경원 박사는 “본 연구를 통해 개발된 촉매제는 다양한 폐자원을 활용할 수 있기 때문에, 대체가능 물질에 대한 추가 연구를 통해 다양한 바이오매스 활용을 통한 폐자원 순환형 촉매제 개발을 예정 중이다.”라고 말했으며, KIST 물자원순환연구센터 최재우 박사는 “향후 공정의 최적화 및 회수성 증대에 대한 연구를 통해 환경적 측면과 경제적 측면을 동시에 충족시킬 수 있는 환경호르몬 제거 시스템을 구축하는데 큰 기여를 할 것으로 기대한다.”고 밝혔다. 

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업으로 수행되었으며, 연구결과는 ‘Ultrasonics Sonochemistry’ (IF : 6.012, JCR 분야 상위 1.613%)에 최신호에 게재되었다.

 * (논문명) Ultrasound-assisted heterogeneous Fenton-like process for bisphenol A removal at neutral pH using hierarchically structured manganese dioxide/biochar nanocomposites as catalys
     - (제1저자) 한국과학기술연구원 정경원 선임연구원 
     - (교신저자) 한국과학기술연구원 최재우 책임연구원


<그림설명>

1.png

<그림 1> 바이오차에 코팅된 이산화망간의 SEM과 TEM 이미지
나노복합체의 표면이 3차원 구조로 되어있어 넓은 표면적으로 인해 효율이 높아짐



<그림 2> 바이오차-나노복합체의 C, O, Mn 원소에 대한 elemental distribution mapping 결과

시간 조절에 따른 다른 구조를 가지고 있는 나노복합체 형성 결과




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