고효율 흡착소재로 폐수 속 유해중금속 제거

KIST 연구진이 6가크롬이 들어있는 노란색을 띈 수용액에 분말형태의 고효율 흡착소재를 첨가하여 수 중 6가 크롬을 제거하는 실험을 하고 있다/사진=KIST

지난해 6월, 수원시 영통구 일대 건설 현장 인근 도금업체에서 인체에 해로운 중금속인 6가 크롬(Cr6+)이 불법 배출돼 사회적으로 큰 문제를 일으킨 바 있다. 6가 크롬은 1급 발암물질 중 가장 독성이 높은 물질로 인체 내 신장이나 골수에 축적이 돼 장기간 농축될 경우 세포조직 손상, 유전자(DNA) 변이 및 사망에까지 이를 수 있다. 이 같은 중금속을 효과적으로 제거할 수 있는 기술을 국내연구진이 개발했다.

한국과학기술연구원(KIST) 전자재료연구단 이욱성 박사, 물자원순환연구단 최재우 박사팀은 공동 융합연구를 통해 질소가 함유된 고분자 물질을 이용해 폐수 내에 고농도로 배출되고 있는 유해 중금속인 6가 크롬을 선택적이고 효율적으로 제거할 수 있는 흡착재를 개발, 그 흡착 원리를 규명했다고 15일 밝혔다.


대기와 토양 등에 확산된 6가 크롬은 눈, 비로 인해 침출수의 형태로 수중에 퍼진다. 수중에 확산된 중금속들을 처리하는 기존 방법인 증발농축법은 높은 에너지가 요구돼 비용이 많이 드는데다 공정 후 각종 중금속을 포함한 폐슬러지 발생으로 복잡한 후처리 공정이 요구된다는 단점을 갖고 있다.

이에 KIST 연구진은 피롤 단량체의 고분자 형태인 ‘폴리피롤’을 6가 크롬 흡착제로 사용하고 그 흡착 원리를 규명했다. 폴리피롤은 전도성 고분자로 물리적·화학적 특성이 우수해 약물전달, 연료전지 촉매 지지체, 인공근육 등 다양한 분야에서 연구되고 있다.

연구진이 밝힌 흡착 원리는 크게 두 가지이다. 첫 번째는 수중 6가 크롬이온이 폴리피롤의 주 성분인 피롤성 질소와 산화반응(존스-산화 반응)을 통해 비교적 안정하고 인체에 무해한 3가 크롬으로 변환돼 흡착되는 원리이다.


또 산화 반응이 용액의 산성도와 밀접한 관계가 있음을 함께 규명했다. 산성도(pH)가 낮을수록 존스-산화 반응이 강하게 발생해 흡착되는 3가 크롬의 양이 증가한다.

두 번째로 잔존하는 6가 크롬이 피롤성 질소와 수소결합 방법을 통해 동시다발적인 흡착이 진행돼 고효율의 흡착이 가능하다.

연구진은 실험을 통해 개발된 흡착소재 10mg만으로 50mL 폐수 내 함유돼 있는 10ppm 농도의 6가 크롬을 99% 이상 제거가 가능함을 확인했다.

연구진은 이번 연구결과로 나노 소재를 이용한 수중 독성 6가 크롬 흡착제로의 활용이 기대되며, 특히 도금 공장 등의 산업체에서 배출되는 독성 크롬의 처리 공정에 즉각 적용 가능할 것으로 내다봤다.

이욱성 박사는 “6가 크롬의 흡착 제거에 새롭게 활용된 질소-탄소의 결합체인 나노소재가 국민 안전을 확보하고 환경 안전에 대한 신뢰성을 높일 것”이라고 말했다.

최재우 박사는 “이번 연구성과를 바탕으로 실제 현장에서 적용하기 적합한 형태의 물질에 대한 후속연구를 통해 저비용 폐수정화시스템 구축에 기여할 것”이라고 말했다.