경희대학교(총장 한균태) 화학공학과 김종식 교수 연구팀이 하·폐수, 환경호르몬, 잔류의약품 등의 수질오염을 유발하는 화합물을 라디칼(radical)로 산화분해하는 촉매를 개발했다. 연구팀이 개발한 염소(Cl) 라디칼 기반 촉매는 기존 상용화된 수산화 라디칼(OH) 또는 기개발된 라디칼 고정형 촉매 대비 3배 이상 뛰어난 분해 능력과 재사용성을 입증했다. 최근 지구 환경에 대한 경각심이 높아지는 가운데 깨끗한 수자원을 확보할 수 있는 원천기술이라 그 가치가 뛰어나다.

김종식 교수는 촉매 계열 전문가로 특히 오염물질 정화와 관련된 성과를 꾸준히 도출하고 있다. 지난 1월에는 환경호르몬 처리 효율을 높이는 인산기 라디칼 고정형 신촉매를 개발해 국제 학술지<Chemical Engineering Journal (IF=16.744, JCR 2.448)>에 게재하기도 했다. 이번 연구 결과는 촉매 분야 저명 학술지인 <Journal of Materials Chemistry (IF=14.511, JCR 7.143)>에 5월 7일(일)에 게재됐다. 논문은 과학적 우수성을 인정받아 표지 논문으로도 선정됐다.

기존 오염수 처리 과정에서는 라디칼을 이용해 물속에 있는 난분해성 유기물을 분해한다. 라디칼은 산화제의 일종으로 물에 잘 분해되지 않는 오염물을 산화 분해한다. 하지만, 상용화된 수산화 라디칼은 높은 유기물 분해 능력을 보이지만, 일회성이고, 유기물을 비선택적으로 분해한다는 단점이 있다. 또한, 수산화 라디칼이 분해해야 할 유기물의 일부가 되는 ‘비라디칼’ 현상을 방지하기 위해, 라디칼 전구체인 과산화수소(H2O2)를 지속 공급해야 했다.

김종식 교수 연구팀은 염소 음이온(Cl-)을 라디칼 전구체로 활용해 기존 단점을 해결했다. 염소 라디칼은 OH에 필적하는 산화력과 OH 대비 긴 수명을 가졌음에도 라디칼 구현 조건이 까다로워 연구 주제로 거의 다뤄지지 않았다. 염소 라디칼을 구현하기 위해서는 건강에 해로운 UV 라이트를 비추고, 수계의 pH를 정밀히 조정해야 했다. 김 교수 연구팀은 염소 라디칼 구현을 돕기 위해 염소 라디칼 전구물질인 염소 음이온을 금속-유기 골격체(Metal-Organic Framework, 이하 MOF)에 분자 단위로 고립시켰다. 

MOF에 고정된 염소 라디칼은 수산화 라디칼의 고질적 문제인 비라디칼 현상을 해결했다. 또한, MOF에 고정된 염소 라디칼은 추가적인 염소 라디칼 전구체 투입 없이도 재사용할 수 있어 오염수 처리 비용 절감 효과도 우수했다. 김종식 교수는 “촉매 표면에 고정된 라디칼을 이용해 오염수를 처리하면 기존 처리시설 대비 초기비용은 클 수 있으나, 반영구적인 재사용이 가능하므로 단시간 내 비용 회수가 가능하다”고 강조했다. 실험 결과 검증은 육군사관학교 물리화학과 정근홍 교수가 담당했다. 정근홍 교수는 계산기법(DFT)을 활용했다.

수처리 과정에 있어 기술 도입의 관건은 촉매의 경제성이다. 김종식 교수 연구팀은 산업 현장의 수요에 맞춰 상용화를 위한 후속 연구도 진행하고 있다. 김종식 교수는 “과학적인 우수성은 논문 게재 성과를 통하여 증명했다”며 핵심 기술을 확보한 만큼 앞으로 촉매에 고정화된 염소 라디칼의 양을 높여 수처리 효율을 높이는 연구를 수행해 기존 처리설비 대비 가격 우위를 꾀할 계획”이라고 향후 목표를 밝혔다.

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