- KIST, 열건조 활성탄 개발로 질소계 악취물질 흡착효율 최대 38배 향상

- 암모니아 등 질소계 악취가스의 흡착 메커니즘 최초 규명

일상생활에서 악취가스는 정화조, 하수시설, 축산 농가, 폐기물 처리시설 등 다양한 곳에서 발생하기 때문에 이로 인한 민원이 끊이지 않고 있다. 환경부에 따르면 2017년~2021년 악취 관련 민원은 17만 5,456건으로 매년 약 4만건의 민원이 접수되고 있으며, 이러한 악취 관련 민원에 대응하고 체계적인 악취 관리를 위해 악취방지법(2005년 제정)을 시행 중이다.

악취가스는 기본적으로 불쾌감을 주고, 눈, 코, 호흡기를 강하게 자극하는 등 인체에도 악영향을 미칠 뿐만 아니라 주변 환경에도 영향을 줄 수 있어서 이를 제거하기 위한 다양한 방법이 존재한다. 대표적인 악취 제거 방법은 활성탄을 흡착제로 사용하는 것인데 재활용성이 낮고, 복합 악취가스의 경우 원인물질을 제거하는데 어려움이 있었다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 지속가능환경연구단 이지원·오영탁 박사 연구팀은 공기 중 4종의 질소계 악취물질(암모니아, 에틸아민, 디메틸아민, 트리메탈아민) 제거성능을 획기적으로 향상시킨 활성탄 제조기술을 개발했다고 밝혔다. 해당 연구성과는 악취물질 제거를 위한 활성탄의 흡착효율을 높였을 뿐만 아니라 흡착제와 악취가스 간 흡착 메커니즘 또한 최초로 규명해 복합 악취물질에 대한 다양한 형태의 흡착제를 개발할 수 있게 되어 주목을 받고 있다.

연구팀은 질산을 이용해 활성탄을 산화시킨 후 열 건조 과정을 통해 표면의 산화정도를 정밀하게 제어함으로써 질소계 악취물질의 흡착효율을 높일 수 있었는데, 가장 많이 산화된 열 건조 활성탄의 경우 기존의 활성탄 대비 악취물질 제거 효율이 최대 38배 향상되는 것을 확인했다. 연구팀은 산화된 활성탄 표면에 있는 산소 원자가 질소계 악취분자에 포함된 아민과 강한 수소결합을 하기 때문이라는 사실도 최초로 밝혀냈다. 활성탄 표면에서 아민과 더 많은 수소결합을 형성될 수 있도록 산화 정도가 높아져 질소계 악취물질이 더 잘 흡착되는 원리이다. 또한, 일반적인 가스반응과 달리 흡착제와 악취물질 간의 상호작용은 양성자 친화도 보다 얼마나 많은 수소결합이 일어나는지에 더 큰 영향을 받는다는 것이 이번 연구를 통해 밝혀졌다.

한편, 열 건조 활성탄은 질소계 악취물질 중 흡착 효율이 가장 낮았던 트라이메틸아민에 대한 선택성이 13배 이상 높은 것으로 나타나 더 높은 흡착력으로 트라이메틸아민 제거 또한 가능해졌다. 트라이메틸아민은 국내에서 법으로 규제되는 지정악취물질로 농업, 쓰레기 매립장, 하수 및 폐수처리장에서 많이 발생하는 악취의 대표적인 원인이다. 특히, 열 건조 활성탄은 트라이메틸아민에 대해 평균 93.8%의 재활용성을 지녀 기존 활성탄의 재활용 수치인 63% 대비 높은 경제성을 나타냈다.

KIST 이지원 박사는 “악취가스의 흡착 메커니즘 규명을 통해 특정 가스 제거에 특화된 소재를 개발할 수 있으며, 산화과정을 거친 열 건조 활성탄은 생산방법이 비교적 간단하고, 재사용도 가능하기 때문에 필터, 마스크 등 정화장치의 소재로 응용될 수 있을 것으로 생각한다.”고 말했다.

본 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 주요사업을 통해 수행되었으며, 연구결과는 환경과학분야 국제학술지 “Journal of Cleaner Production(IF: 11.072, JCR 분야 상위 8.423%) 최신호에 게재되었다.

[그림 1]열건조 활성탄의 흡착 메커니즘 및 질소계 악취물질의 흡착성능

[그림 2] DFT계산 결과 및 열건조 활성탄의 질소계 악취물질 선택성