미세먼지의 변신은 '무죄'…질소산화물, 오폐수 정화 촉매로 쓴다

KIST 연구팀, 오폐수 난분해성 유기물 분해하는 질소산화물 기반 촉매 개발

[아시아경제 김봉수 기자] 미세먼지의 주요 원인 물질인 질소산화물을 이용해 하·폐수 등 오염된 물을 정화하는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

한국과학기술연구원(KIST)은 김종식·하헌필 극한소재연구센터 박사 연구팀이 최근홍 육군사관학교 물리화학과 교수팀과 공동으로 하·폐수 내의 난분해성 유기물을 분해할 수 있는 수처리용 고효율 질소산화물(NOX) 기반 분해제(라디칼) 촉매를 개발했다고 19일 밝혔다.

질소산화물은 자동차나 발전소 등에서 나오는 배기가스에 주로 포함돼 있다. 빛과 반응해 초미세먼지로 전환되며, 황산화물과 함께 심각한 미세먼지 원인 물질로 알려져 있다.

연구팀은 국내 연구진이 질소산화물을 단순히 제거하는 것만이 아니라 하·폐수를 정화할 수 있는 소재로 활용할 방법을 찾아 냈다. 현재 오염된 물에 포함된 페놀, 비스페놀A 등 분해하기 어려운 난분해성 유기물은 물에 응집제를 넣어 바닥에 침전시켜 제거하거나 유기물 분해제(OH 라디칼)로 변하는 물질인 과산화수소(H2O2)나 오존(O3)을 과량 주입해 유기물을 물, 일산화탄소, 이산화탄소 등으로 변환시켜 제거하는 방법을 주로 사용했다. 그러나 응집제의 경우 응집, 침전물들을 다시 제거해야 하는 별도의 공정이 필요하다. 분해제는 유기물 분해 이후 추가적인 분해능력을 잃고 기체화돼 날아가게 되어 일회성으로만 사용할 수 있다.

이에 따라 기존 분해제보다 수명이 길면서 유기물 분해능력 또한 우수한 NO3 분해제가 떠오르고 있다. 그러나 NO3 분해제는 방사성 물질 존재 하에 매우 큰 에너지를 주입하거나, 극한의 산성조건 등 까다로운 조건을 만족시켜야만 만들 수 있다.

연구진은 그 동안 제거의 대상으로만 여겨졌던 질소산화물(NOx)을 NO3 분해제로 손쉽게 변환해내는 촉매 합성법을 개발해냈다. 연구팀이 개발한 기술은 이산화망간 촉매 표면에 질소산화물(NO3)을 고정시킨 것이 특징이다. 150℃ 이하의 저온의 공기 중에서 질산염을 손쉽게 촉매 표면에 고정시켰는데, 이 촉매와 과산화수소를 물에 넣으면 촉매 표면에 고정된 NO3 분해제를 생성시킬 수 있다. 수중에 주입된 과산화수소가 금속 산화물 촉매인 이산화망간에 의해 OH 분해제로 전환되고, 생성된 OH 분해제가 촉매 표면에 존재하는 NO3를 분해제로 변환시킨 것이다.

이렇게 생성된 NO3 분해제는 기존의 분해제 보다 하·폐수 정화효율이 5~7배 높았다. 연구팀은 실제 염색폐수에서 실험을 통해 이를 확인했다. 고정화된 NO3 분해제를 함유하는 금속 산화물 촉매는 공정 비용이 저렴하여 제조단가가 기존 촉매(철염) 대비 30% 이상 싸고 손쉽게 대량생산할 수 있다. 일회용으로만 사용할 수 있었던 기존 촉매와는 달리 최소 10번 이상 재사용이 가능하다.

김종식 KIST 박사는 “현재 해당 기술을 국내환경기업에 기술 이전한 상태"라면서 "촉매의 대량 합성이 쉽고 기존의 하·폐수 처리 공정에 바로 적용할 수 있으며, 조만간 수처리 산업계에 실용화될 수 있을 것”이라고 밝혔다.

이번 연구결과는 미국화학학회지 ‘JACS Au’ 최신 호에 게재됐다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr