다시마로 만든 바이오숯으로 물 속 맹독성 중금속 제거
국내 연구진이 버려지는 다시마를 이용해 물속의 맹독성 중금속을 제거할 수 있는 소재를 개발해 학계의 관심을 받고 있다. 한국과학기술연구원(KIST)은 물자원순환연구단 정경원, 최재우 박사팀이 물 속의 안티모니, 크롬, 비소 등의 음이온 중금속을 흡착하여 제거할 수 있는 바이오차 소재를 개발했다고 밝혔다.
안티모니(Sb)는 반도체, 배터리, 난연제, 차량용 브레이크패드 등 다양한 산업분야에 유용하게 사용되고 있다. 하지만 이를 이용하는 산업공단 인근에 있는 마을 주민들이 집단으로 암에 걸려 사망하고, 폐와 호흡기 계통 질환을 앓은 사례가 있을 만큼 독성이 강한 중금속이다. 이러한 문제가 발생하지 않게 하기 위해서 산업 폐수를 배출할 때 중금속을 일정 농도 이하로 제거 후 배출해야 하는데, 일반적으로 활성탄을 이용해 흡착하여 제거하고 있다.
우리나라는 활성탄의 약 70%를 수입에 의존하고 있기 때문에, 이를 대체할 수 있는 저비용, 고효율 흡착소재 개발이 필요한 상황이다. 최근에는 다양한 바이오매스를 이용하여 생산할 수 있는 바이오차에 대한 연구가 각광받고 있다. 바이오차는 활성탄 대비 생산비용이 약 3~6%에 불과하고 생산과정에서 이산화탄소가 발생하지 않는다는 장점이 있다. 바이오차는 일반적인 중금속에 대한 제거효율이 뛰어나지만 비소, 크롬, 안티모니와 같은 음이온계 맹독성 중금속은 제거하기 어려운 데다가 입자 크기가 작아 중금속을 흡착한 바이오차를 회수하기 어려워 2차오염을 유발할 수 있다는 한계가 있었다.
이러한 한계를 극복하기 위해 연구진은 세계 해조류 생산량 3위인 우리나라의 특성을 살려 양식장 및 연안에서 버려져 해양 오염을 일으킬 수 있는 해조류의 뿌리 등의 버리는 부분을 이용하여 새로운 바이오차를 생산했다. 또한, 생산한 바이오차의 표면에 자성물질인 제이콥사이트(MnFe2O4)를 결합시켜 음이온계 중금속을 흡착할 수 있고, 중금속을 흡착한 바이오차를 외부 자력을 이용해 회수할 수도 있게 되었다.
연구진은 개발한 소재가 오염물질과 접촉할 수 있는 비표면적을 극대화할 수 있도록 미세한 구 형태의 입자를 계층적 형태로 합성했다. 그 결과, 일반 바이오차 보다 비표면적이 34배 증가하였으며, 안티모니에 대한 흡착소재 단위무게 당 최대흡착량(mg/g)은 약 100배 이상 상승하였다. 또한, 대부분의 기존 연구가 대상 오염물질에 대한 최대흡착 효율을 산정할 때 이상적인 조건인 증류수를 이용하여 소재의 효율성을 검증했던 것과는 달리 수돗물과 강물에 직접 적용하였으며, 그럼에도 불구하고 증류수 조건과 유사한 90% 이상의 안티모니 제거효율을 확인하였다.
KIST 정경원 박사는 “해양 오염을 유발하는 폐해조류로 바이오차를 생산했으며, 개발한 합성기술은 일반적인 바이오 오일 생산 이후 남은 찌꺼기에도 적용이 가능하다.”라고 밝혔으며, KIST 최재우 박사는 “개발한 소재를 활용하면 수계 내 배출되는 맹독성 중금속을 효과적으로 제어하여 수생태 안전성을 확보할 수 있으며, 기존 활성탄과는 달리 생산과정에서 CO2 발생이 없어 탄소중립 달성에 기여할 수 있다.”라고 밝혔다.
이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙)의 지원을 받아 한국연구재단 소재혁신선도사업 및 KIST 주요사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 ‘Applied Surface Science’(JCR 분야 상위 2.381%) 최신 호에 게재되었다.
* (논문명) Fabrication of manganses ferrite (MnFe2O4) microsphere-coated magnetic biochar composite for antimonate sequestration: Characterization, adsorption behavior, and mechanistic understanding(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169433221030415)
- (제1저자) 한국과학기술연구원 김희곤 학생연구원
- (교신저자) 한국과학기술연구원 정경원 선임연구원
- (교신저자) 한국과학기술연구원 최재우 책임연구원
연구결과 개요
안전하고 건강한 수자원 확보는 인간의 생존과 지속가능한 성장을 위해서 가장 기본적이면서 필수적 요소이다. 그러나, 산업의 발달로 인해 전 세계적으로 다양한 유해화학물질이 제조되고, 해마다 이에 대한 사용과 유통의 급증으로 환경 내 유출도 증가하고 있어 우리의 건강과 수생태계의 안전이 지속적으로 위협을 받고 있다.
다양한 산업현장에서 사용되고 폐수와 함께 배출되는 ‘중금속’은 우리 몸속에 유입되면 낮은 농도에서도 다양한 질병을 야기할 뿐만 아니라, 대사과정을 통해 분해되지 않고 몸 속에 축적되어 암(癌)을 유발하거나, 태아 기형 및 사망까지 일으킬 수 있기 때문에 수계로 유출되기 전에 반드시 적절한 농도 수준으로 제거되어야 한다. 일반적으로 활성탄 흡착 등을 통해 제거가 가능하지만 고순도의 활성탄 생산에 많은 비용이 요구되고, 생산 단계에서 다량의 이산화탄소가 발생한다는 문제점을 갖고 있다. 뿐만 아니라, 우리나라에서 사용하는 활성탄의 약 70%(중국 50%)를 수입에 의존하고 있기 때문에 이를 대체할 수 있는 저비용·고효율 흡착소재 개발이 필요하다.
최근 중금속에 대한 높은 제거효율과 함께 다양한 바이오매스를 이용하여 생산할 수 있는 바이오차(바이오숯)에 대한 연구가 각광을 받고 있다. 바이오차는 활성탄 대비 생산 비용이 약 3~6%에 불과하며, 여타 탄소소재와 달리 합성 시 바이오매스에 포함된 탄소의 80% 이상이 바이오차에 고정됨과 동시에 공기 중에 존재하는 이산화탄소의 높은 고정 능력으로 인해 탄소 네거티브 물질로 알려져 있다. 하지만 바이오차 표면은 일반적으로 음전하를 띄고 있어 맹독성을 나타내는 비소, 크롬, 안티모니와 같은 음이온계 중금속을 제거하기 어렵다. 뿐만 아니라 바이오차의 작은 입자 크기로 인해 중금속을 흡착한 바이오차를 회수하기 어렵다는 한계점을 가지고 있다.
기존 연구들은 농작 부산물 등의 폐기되는 육상 바이오매스를 이용하여 바이오차를 생산하였지만, 본 연구에서는 우리나라 양식장 및 연안에서 발생하는 폐해조류를 이용하여 바이오차를 생산하고, 표면에 자성물질을 결합시켜 음이온계 중금속에 대한 반응성을 향상시킴과 동시에 외부 자력을 통해 소재의 분리/회수를 용이하게 하였다. 특히, 오염물질과 접촉할 수 있는 비표면적을 극대화시키기 위해 3차원 구조를 가진 계층적 형태의 미세원형 자성입자를 합성하였다. 그 결과 일반 바이오차 대비 비표면적이 34배 증가하였으며, 안티모니에 대한 흡착소재 단위무게 당 최대흡착량(mg/g)은 약 100배 이상 상승하였다. 또한, 대부분의 기존 연구는 대상 오염물질에 대한 최대흡착 효율을 산정함에 있어 이상적인 조건인 증류수를 이용하여 소재의 효율성을 검증하는 연구에 초점을 둔 반면, 본 연구는 수돗물과 강물에 직접 적용하였으며, 증류수 조건과 유사한 90% 이상의 안티모니 제거효율을 확인하였다.
본 연구를 통해 폐해조류를 이용하여 3차원 구조의 자성물질이 결합된 바이오차 합성과 구조적 특성 분석, 그리고 이를 이용한 안티모니 제거기작 규명 등에 대한 내용을 세계 최초로 학계에 보고하였다.
연구결과 문답
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?
안티모니는 반도체, 배터리, 난연제, 차량용 브레이크 패드, 페트(PET) 생산 촉매 등 다양한 산업분야에 활용되는 원소임. 맹독 중금속으로 인체뿐만 아니라 수생태계에도 악영향을 미치는 물질이지만, 이를 효과적으로 제거하기 위한 연구는 다른 유해 중금속들에 비해 미진함. 또한 바이오차는 고가의 활성탄을 대체할 수 있는 물질로 각광을 받고 있으나 음이온계 물질에 대해 낮은 반응성을 보이며, 입자 크기가 작아 소재의 분리/회수가 어렵다는 한계를 갖고 있음.
□ 이번 성과, 무엇이 다른가?
본 연구에서는 육상 바이오매스에 초첨을 두고 있는 대부분의 기존 연구와 달리 대표적인 해양 바이오매스인 폐해조류를 이용하여 바이오차를 합성하였음. 또한, 자성물질을 바이오차 표면에 결합시킴과 동시에 오염물질과의 접촉성능을 극대화시키기 위하여 3차원 구조의 특수한 계층적 형태를 가지고 있는 미세원형 자성물질을 표면에 코팅함. 고도의 분석기법(포항방사광 가속기)을 이용하여 합성된 흡착소재에 대한 구조적 특성분석 및 이를 이용한 안티모니의 제거기작에 대한 규명은 세계 최초의 보고임.
□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나?
우리나라 해조류 양식장과 연안에서 매년 많은 양의 폐해조류가 발생하기 때문에 이를 이용한 바이오차 생산은 해양자원 순환을 활성화시킬 수 있음. 특히, 개발한 흡착소재는 안티모니뿐만 아니라 다른 중금속에도 높은 흡착효율을 보이며, 촉매로서 적용이 가능하기 때문에 추후 다양한 신종유해오염물질 제거에 활용할 수 있음.
□ 기대효과와 실용화를 위한 과제는?
실용화를 위해서는 안정적인 원료 공급이 중요함. 최근 전 세계적으로 해조류를 이용한 바이오오일에 대한 연구가 각광을 받고 있음. 본 연구에 사용된 다시마의 경우 열대우림에 비해 동일한 면적 당 2배 이상의 높은 이산화탄소 흡수율(다시마: 4,100g/m2/yr, 열대우림: 1,500-2,000g/m2/yr)을 나타내며, 우리나라에서 가장 많이 생산되는 해조류 중 하나임. 일반적으로 소성공정을 이용해 바이오오일을 생산할 수 있는데, 이러한 공정 이후 남은 찌꺼기가 바이오차와 매우 유사한 특성을 가지고 있음. 즉, 개발된 합성기법과 우리나라 수산업계의 특성(세계 3위 해조류 생산국)을 바탕으로 해조류를 이용한 고부가가치 물질 생산은 탄소 중립 및 미래 수자원 확보에 크게 기여할 것으로 사료됨.
생명과학 한국과학기술연구원 (2021-12-28)