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건설환경에너지공학부 김웅 교수팀, 염료 폐수 처리 효율 높인 광촉매 개발
건설환경에너지공학부
- 2021-08-06 10:36
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경북대 대학원 건설환경에너지공학부 김웅 교수팀이 사우디아라비아 킹사우드대 등과의 국제 공동연구를 통해 1시간 내에 유색 염료 폐수를 98% 이상 분해할 수 있는 광촉매를 개발했다.
세계의 연간 염료 생산량은 대략 100만 톤으로, 이로 인한 엄청난 양의 유색 폐수가 만들어지고 있다. 이러한 염료 오염물질 제거를 위해 흡착, 화학적 산화, 오존화, 응고, 막 공정, 생물학적 분해, 전기화학 공정, 광촉매 분해 등 다양한 기술이 적용되고 있다.
이중 광촉매 기술은 광범위하게 적용할 수 있고 재활용이 가능해 친환경적인 기술로 평가받고 있다. 하지만 소재로 주로 이용되는 산화아연(ZnO)과 이산화티타늄(TiO2)와 같은 금속산화물은 자외선 영역에서만 사용이 가능해 분해 효율을 높이는데 제한이 있다.
이를 개선하기 위해 김 교수팀은 용매열법(solvo-thermal technique) 기술을 통해 이황화몰리브덴(MoS2)를 도핑한 철-유기물 하이브리드 복합재료로 광촉매를 개발했다.
MoS2은 자외선뿐만 아니라 가시광선 영역에서도 빛을 흡수할 수 있지만 반응과정에서 생성된 전자와 전공이 빠르게 재결합하면서 에너지 효율이 감소하는 문제가 있다.
연구팀이 개발한 광촉매의 MoS2는 빛을 받으면 물을 광분해시켜 산화력이 강한 OH라디칼을 만들어냄으로써 오염물질을 분해한다. 동시에 MoS2에서 생성된 전자들이 철-유기물 하이브리드 복합재료로 이동하며 전자와 전공의 재결합을 막고 새로운 반응을 일으켜 염료의 분해 효율을 향상시켰다.
연구팀은 실험을 통해 초기 농도 50mg/L에 해당하는 염료가 포함되어 있는 폐수에 개발한 촉매 투여량을 0.05mg/L, pH를 5.0으로 조정하면 1시간 내에 98% 이상 염료를 분해하는 것을 확인했다. 기존의 광촉매는 약 80%의 처리 효율을 보이며 처리 시간이 수 시간이 걸리는 한계점이 있었다.
김웅 교수는 이번 논문과 관련해 “이번에 개발한 광촉매는 넓은 표면적에서 가시광선 영역의 흡수하고 염료 오염물질의 분해 효율을 획기적으로 향상시키면서도 처리 시간을 1/3 정도로 단축시켰다.”라며, “지구의 환경을 위협하는 염료 폐수를 친환경적이면서도 획기적으로 처리할 수 있는 촉매기술이 개발된 것은 매우 고무적이다. 앞으로 개발된 촉매는 유기염료뿐만 아니라 폐수 내 유기성 물질에도 적용할 수 있을 것으로 기대된다.”라고 덧붙였다.
연구 결과는 7월 15일 세계적인 국제학술지 ‘저널 오브 헤이저더스 머티리얼즈(Journal of Hazardous Materials)’에 발표했다.
이번 연구는 경북대 4단계 BK21 스마트순환사회환경시스템인재양성교육단에서 진행했으며, 산업통상자원부가 추진하는 산업기술혁신사업의 에너지기술개발사업 지원을 받아 수행됐다.
세계의 연간 염료 생산량은 대략 100만 톤으로, 이로 인한 엄청난 양의 유색 폐수가 만들어지고 있다. 이러한 염료 오염물질 제거를 위해 흡착, 화학적 산화, 오존화, 응고, 막 공정, 생물학적 분해, 전기화학 공정, 광촉매 분해 등 다양한 기술이 적용되고 있다.
이중 광촉매 기술은 광범위하게 적용할 수 있고 재활용이 가능해 친환경적인 기술로 평가받고 있다. 하지만 소재로 주로 이용되는 산화아연(ZnO)과 이산화티타늄(TiO2)와 같은 금속산화물은 자외선 영역에서만 사용이 가능해 분해 효율을 높이는데 제한이 있다.
이를 개선하기 위해 김 교수팀은 용매열법(solvo-thermal technique) 기술을 통해 이황화몰리브덴(MoS2)를 도핑한 철-유기물 하이브리드 복합재료로 광촉매를 개발했다.
MoS2은 자외선뿐만 아니라 가시광선 영역에서도 빛을 흡수할 수 있지만 반응과정에서 생성된 전자와 전공이 빠르게 재결합하면서 에너지 효율이 감소하는 문제가 있다.
연구팀이 개발한 광촉매의 MoS2는 빛을 받으면 물을 광분해시켜 산화력이 강한 OH라디칼을 만들어냄으로써 오염물질을 분해한다. 동시에 MoS2에서 생성된 전자들이 철-유기물 하이브리드 복합재료로 이동하며 전자와 전공의 재결합을 막고 새로운 반응을 일으켜 염료의 분해 효율을 향상시켰다.
연구팀은 실험을 통해 초기 농도 50mg/L에 해당하는 염료가 포함되어 있는 폐수에 개발한 촉매 투여량을 0.05mg/L, pH를 5.0으로 조정하면 1시간 내에 98% 이상 염료를 분해하는 것을 확인했다. 기존의 광촉매는 약 80%의 처리 효율을 보이며 처리 시간이 수 시간이 걸리는 한계점이 있었다.
김웅 교수는 이번 논문과 관련해 “이번에 개발한 광촉매는 넓은 표면적에서 가시광선 영역의 흡수하고 염료 오염물질의 분해 효율을 획기적으로 향상시키면서도 처리 시간을 1/3 정도로 단축시켰다.”라며, “지구의 환경을 위협하는 염료 폐수를 친환경적이면서도 획기적으로 처리할 수 있는 촉매기술이 개발된 것은 매우 고무적이다. 앞으로 개발된 촉매는 유기염료뿐만 아니라 폐수 내 유기성 물질에도 적용할 수 있을 것으로 기대된다.”라고 덧붙였다.
연구 결과는 7월 15일 세계적인 국제학술지 ‘저널 오브 헤이저더스 머티리얼즈(Journal of Hazardous Materials)’에 발표했다.
이번 연구는 경북대 4단계 BK21 스마트순환사회환경시스템인재양성교육단에서 진행했으며, 산업통상자원부가 추진하는 산업기술혁신사업의 에너지기술개발사업 지원을 받아 수행됐다.
