신소재경제신문·재료연구소 공동기획 소재기술백서 2018(27)-제3장 깨끗하고 안전한 물을 위한 소재기술-수질정화용 환경소재기술(1)-최재우(한국과학기술연구원)

신소재경제신문·재료연구소 공동기획 소재기술백서 2018(27)-제3장 깨끗하고 안전한 물을 위한 소재기술-수질정화용 환경소재기술(1)-최재우(한국과학기술연구원) - 물산업, 고효율·무독성·친환경 수처리 소재 개발 必

기사등록 2020-09-09 15:05:41

재료연구소가 발행한 ‘소재기술백서’는 해당분야 전문가가 참여해 소재 정보를 체계적으로 정리한 국내 유일의 소재기술백서다. 지난 2009년부터 시작해 총 10번째 발간된 이번 백서의 주제는 ‘국민생활문제 해결용 소재’다. 재난재해 방지를 위한 소재기술, 청정한 대기를 위한 소재기술, 깨끗하고 안전한 물을 위한 소재기술, 생활안전을 위한 소재기술 등으로 나눠 각 분야별로 가치 있고 다양한 정보를 담았다. 이에 본지는 재료연구소와 공동기획으로 ‘소재기술백서 2018’을 연재한다.

물산업, 고효율·무독성·친환경 수처리 소재 개발 必

■ 기술의 정의 및 분류

세상의 수많은 사람들이 지구를 한마디로 표현할 때 가장 많이 사용하는 용어가 ‘blue planet(푸른 행성)’일 것이다. 이 용어를 떠오르게 만드는 주체는 바로 물이다. 지구는 표면의 71%에 해당하는 면적이 바다로 덮여있다(그림 3-3-3-1). 방대한 양의 지구상 물은 대기와 해양, 지하, 생명체 내부를 순환하며 지구시스템의 평형을 유지하는데 크게 기여한다. 보다 인간에게 가까운 수환경은 하천이나 호수 등에 서식하는 모든 동식물 및 이들과 접하고 있는 서식환경과 같은 무생물적 요소를 포괄하는 하나의 큰 시스템을 일컫는다고 보면 될 것이다.

UN은 매년 3월 22일을‘세계 물의 날’로 제정하여 세계적으로 대두되고 있는 다양한 물 문제의 해결안과 물의 소중함에 대해 논의하는 날로 지정하였다. 2018년에는 ‘Nature for Water’라는 주제로 자연성 회복을 통한 지구상의 물 순환체계 회복에 관해 논의했다. 지구상 모든 생명체에게 적용되는 바이겠지만, 우리 인간에게 물은 생명 유지를 위한 가장 기본이 되는 물질이다. 그러나 생명 유지활동을 위해 사용 가능한 수자원은 지구 전체에 분포되어 있는 물 가운데 극히 일부에 지나지 않기에, 수자원 문제는 인류가 해결해 나아가야 할 과제 중의 하나라 할 수 있다(그림 3-3-3-2).

급속한 산업화와 인구의 도시 집중 현상이 진행됨에 따라 상수원으로 이용되고 있는 하천과 호수의 오염이 심각해지고 있다. 산업폐수 내 독성 중금속류를 비롯하여 지하 저장탱크 및 송유관의 누수로 인해 야기되는 유류오염, 농업활동에 의해 하천으로 배출되는 농약 등의 오염은 이제 일반적인 수질오염의 한 예로 다루어지고 있다(그림 3-3-3-3). 최근 지구온난화와 더불어 우리나라에서도 심각한 사회문제로 인식되고 있는 녹조 대발생과 함께 처리되지 않은 채 배출되는 약물질(pharmaceutical susbstances/counpounds) 및 다양한 신종 유해물질에 의한 수자원의 오염은 향후 우리에게 큰 위협으로 다가올 것이다(그림 3-3-3-4).

UN 발표에 의하면 전 세계 35%에 달하는 인구가 물부족의 고통을 겪고 있는 실정이다. 현재의 환경 변화와 인구 증가 추이를 고려한다면 이 수치는 더욱 악화될 것으로 전망된다. 특히 우리나라는 하상계수가 매우 크기 때문에 현실적으로 용수를 안정적으로 확보하기 어려운 상황이다. 이처럼 물환경의 오염이 심각해지고 수자원 수요가 증가하는 문제를 해결하기 위해 정부에서는 하폐수 방류수의 수질 기준을 점차 강화하고 있다. 일례로 하수종말처리시설에서 배출되는 BOD(Biochemical Oxygen Demand ; 생화학적 산소요구량)의 기준치는 1995년 이전 30mg/L이었지만 2008년에는 20mg/L, 그리고 2012년에는 10mg/L로 강화된 바 있다. 그럼에도 불구하고 우리 생활 주변에서는 유독한 유기물을 함유한 산업폐수와 악성 유해 폐기물이 지속적으로 배출되고 있어, 이에 대한 대책이 시급하다.

현재 하폐수 처리시설에서 적용하고 있는 수처리 공정으로는 생물학적 처리, 화학적 처리, 활성탄 흡착, 산화 처리 등이 있다. 그러나 앞서 언급한 새롭게 발생하는 유해물질들에 효과적으로 대처하기 위해서는 반드시 보다 높은 처리효율을 얻을 수 있는 공정을 개발하고 도입해야 한다. 예를 들어 고농도로 유입되는 난분해성 폐수는 일반적으로 화학공정에서 파생되는 단일공정을 통해 주로 배출된다. 이를 처리하기 위해서는 단위 사업장에 설치된 폐수 종말 처리 시설에서 고농도로 유입되는 난분해성 폐수와 다량으로 저류된 저농도 폐수를 혼합하여 처리하는 방식을 적용해야 한다. 하지만 이 방식에는 대규모의 종말 처리 시설이 요구되는 바, 우리나라 실정에는 맞지 않는다. 때문에 우리나라에서는 고농도의 난분해성 폐수만 단독 처리하는 기술을 활발히 개발하였다. 게다가 특정 오염물질에 대한 총량 규제를 감안한다면 단일 폐수에 효율이 높은 단독처리 기술이 매우 중요하다고 말할 수 있다.

난분해성 유해화학물질 처리를 위해 현재 적용되고 있는 기술로는 오존, 광촉매, 자외선 처리 등을 포함한 고도산화처리 공정(AOP ; Advanced Oxidation Process)이 있다. 이는 고분자 형태의 유해물질의 분자구조를 파괴함으로서 최종적으로는 물과 이산화탄소로 전환시키는 기술이지만 완벽한 최종 부산물로의 전환이 이루어지기까지 원물질보다 독성이 더 강한 부산물이 생성되는 경우가 발생하기도 한다. 이러한 문제점을 보완하거나 해결하고자 물질의 상 이동 기작을 통한 공정 개발에 관심이 높아지고 있으며, 대표적인 기술로 흡착, 여과, 이온교환, 막여과 등이 제안되고 있다(그림 3-3-3-5).

부산물을 발생시키지 않고 유해물질을 처리할 수 있는 새로운 개념과 공정 개발이 바이오기술이나 나노기술과의 접목을 통해 이루어지고 있다. 특히 나노 기술과의 융합으로 인해 신개념의 소재와 단위기술이 등장하기 시작하였다. 그러나 신기술은 적용시에 효율이 가파르게 상승하는 모습을 보였으나, 이러한 기술들을 수처리 현장에 적용하였을 때 나타나는 반응 기작이 불명확하였다. 게다가 고효율 환경소재라 생산단가가 높고 합성과정이 어렵고 복잡하여 소재 양산이 힘들다. 이런 점이 기술개발 추진에 박차를 가하지 못하게 만들고, 도리어 발목을 잡게 되었다. 또한, 수처리 환경 소재의 나노화는 현장 적용성을 급격히 낮추는 결과를 초래하기도 하였다.

그럼에도 불구하고, 나노 기술과의 접목을 통해 보다 효율성이 높은 환경기술로의 향상을 꾸준히 추진하고 있으며 괄목할만한 결과를 내고 있다. 나노와 환경기술의 융합은 유해물질 감지, 분리 및 농축, 정제 및 분해 등과 같은 다양한 분야에서 응용되고 있다. 최근에는 특정 산업폐수 내 고농도로 배출되는 중금속 및 귀금속에 대한 선택적인 흡착과 농축, 그리고 이를 통한 자원 회수까지 용처를 확대하고 있는 상황이다. 한편 나노 물질이 생태 및 인체에 끼치는 위해성에 대한 이슈가 사회적으로 대두됨에 따라, 수처리에 적용되는 소재에 대한 유해성 여부와 관련된 연구도 가속화되고 있다.

본 내용에서는 다양한 수처리 소재 가운데 흡착과 촉매 기술을 중심으로 기술동향을 논하고자 한다.

■ 기술의 원리

1) 흡착 기술의 원리

흡착(adsorption)이란 소재의 표면이 가지고 있는 중요한 특성으로서 액체나 기체 분자가 고체 흡착제 표면에 접촉하여 부착되는 현상을 말한다.

수중 오염물질 처리에서 액상에 고농도로 존재하는 오염물질이 흡착소재의 표면에 붙는 현상은 ‘흡착’이라 표현하고, 흡착된 오염물질이 농도 전이에 의해 소재 내부로 어느 정도 균일하게 스며드는 현상은 ‘흡수’라고 지칭한다. 수처리 공정에서는 처리 유량을 감안하여 빠른 반응에 의한 오염물질의 농도 저감에 대해서만 효율로 산정하는 것이 일반적이기 때문에 오염물질과 반응 가능한 방대한 비표면적(specific surface area)을 가지고 있는 다공성 소재와의 ‘흡착’을 고려하는 것이 타당하다고 할 것이다. 흡착기법은 다른 수처리 기술과는 달리 액상에 존재하는 오염물질의 농도가 매우 낮은 상황에서도 오염물을 선별적으로 처리할 수 있기 때문에 환경오염방지시설에 다양한 용도로 활용되고 있다.

흡착제 개발에서는 소재가 처리하고자 하는 오염물질에 대해 얼마나 큰 친화력과 반응성을 갖는지와 반응 가능한 처리 면적이 어느 정도인지가 가장 중요한 요소라 할 수 있다. 이러한 이유로 특정 오염물질과의 반응성을 극대화하기 위해 소재 표면에 기능기를 도입하기도 하고, 반응면적을 증가시키기 위해 메조기공구조 또는 나노소재의 도입하기도 하였다. 그러나 이러한 연구결과가 항상 긍정적인 역할만을 한 것은 아니다. 도입된 기능기의 안정적인 고정화 여부 문제, 유해성 문제, 그리고 사용한 소재의 회수와 관련된 문제 등 다양한 부가적 문제를 야기하기도 하였다.

다양한 기술분야 융합 방대한 시장 창출

바이오·나노기술 접목 신개념 공정 개발

흡착을 이용한 오염물질의 제거는 다음 3가지 중 하나에 의해 효과를 발현한다. 첫 번째로는 소재가 가지는 구조적인 특성을 이용하는 것이다. 대표적인 예가 1990년대 초반까지 대표적 기공성 분자체로 널리 알려져 있던 제올라이트(zeolite)이다. 제올라이트는 마이크로 기공을 가지고 있었으나, 1992년 모빌社(Mobil Oil Company)에서 새로운 개념의 실리카 기반 메조기공구조체를 개발하면서 메조 영역의 환경소재 개발이 가속화되기 시작하였다. 메조기공구조체는 수열합성과정을 통해 계면활성제에 따른 친수기와 소수기의 체인 길이 변화를 가공하여 나노기공의 크기를 1~30nm까지 미세하게 조절 가능하다는 특징을 갖고 있다. 이러한 입체적인 기공 구조를 이용한 분자체로서의 기능은 작고 적합한 형태를 가진 분자만을 그 내부로 확산시켜 받아들이게 되고 여타 분자들은 철저히 배제시킬 수 있다.

두 번째로는 이동속도에 의한 매체 내 분리 특성을 이용하는 것이다. 실제 반응이 완벽히 종료된 것처럼 보이는 평형상태를 유지하면서 오염물질을 분리해 내는 것이 용이하지 않을 경우에 이 특성은 큰 도움이 될 수 있다. 그러나 이 반응은 일반적으로 대기정화 또는 공기성분 분리에 주로 이용하는 기술이므로 본 내용에서는 다루지 않겠다. 마지막으로는 반응 평형상태를 이용한 분리기법이다. 이를 위해서는 오염물질이 갖는 분극성과 결합모멘트 등 기초적 물성을 확인하여 이에 적합한 소재를 선정하거나 합성하는 것이 매우 중요하다. 일반적으로 비극성의 용질을 극성용매에서 제거하기 위해서는 높은 표면적을 지닌 활성탄(Activated carbon)이 적합하고, 분극성이 큰 물질에는 제올라이트나 활성알루미나와 같은 극성을 갖는 흡착소재가 후보일 수 있다.

2) 광촉매 기술의 원리

AOP 기법 중 하나인 광촉매 공정은 수중의 잔류 유기화합물 및 미생물을 제거하는데 효과적인 방법이다. 광촉매로 활용되기 위해서는 우선 안정된 물질이어야 하고, 광원을 흡수하여 산화력을 발휘할 수 있어야 한다. 이러한 요구조건을 모두 만족하는 대표적 물질이 이산화티타늄(TiO2)이다. 이산화티타늄은 생물체에 무해하기 때문에 수처리 연구에 매우 적합하다.

광촉매 기능은 자외선 영역(특히, 파장 385nm)의 광원을 흡수하여 발현된다. 광촉매에 대한 첫 연구가 시작된 1970년대 초반부터 1990년대 후반까지는 대기 및 수환경에서의 오염물질 처리에 초점을 맞춘 광촉매 성능 증대 기술 개발이 집중적으로 연구되었다. 2000년 이후에는 자외선이 아닌 가시광 영역에서 활성화 가능한 광촉매 개발이 새로운 연구 주제로 조명 받은 바 있다.

이산화티타늄의 결정상은 루틸(rutile), 아나타제(anatase), 브루카이트(brookite)의 세 종류로 구분되며 루틸과 아나타제를 가장 흔하게 접할 수 있다. 루틸과 아나타제 각각의 띠 간격(band gap)은 3.0와 3.2eV이다. 두 가지 결정상 모두 Ti4+ 이온 주위에 6개의 O2-이온이 배위하여 구성된 TiO6 팔면체를 기본 구조로 하는 것은 동일하나 팔면체가 어긋난 정도가 일부 다르고 팔면체가 3차원적으로 배열되는 방식 역시 다르다. 분말형태의 이산화티타늄은 여러 종류의 상용화된 제품을 구할 수 있다. 광촉매용으로 많이 쓰이는 분말제품으로는 Degussa P25, Hombikat UV 100, Aldrich Anatase, Millenium PC 100, Ishihara ST-01 등이 널리 알려져 있다. 대부분 아나타제(anatase) 형태가 주종을 이룬다. Degussa P25의 경우에는 아나타제와 루틸이 8:2 정도로 혼합되어 있다.

일반적으로 광촉매 반응의 활성은 아나타제가 우수한 것으로 알려져 있다. 루틸 결정상에서 전하쌍 재결합 속도가 빠른 것으로 알려져 있기는 하지만 이외에도 표면 구조, 표면 OH기 밀도, 격자결함, 비표면적 등 다양한 요인들이 이산화티타늄의 광촉매 활성에 영향을 줄 수 있으므로 아나타제 활성이 높은 이유는 복합적으로 분석되어야 할 것이다.

오랜 시간 동안의 연구를 통해 광촉매 기법으로 다양한 유기화학물질들을 효과적으로 분해할 수 있다는 보고가 이루어졌다. 그러나 실험실 규모가 아니라 현실적인 수처리 시설 현장에 본 기술을 적용하고자 하였을 때 커다란 문제점에 직면하게 된다. 화학적 산화 기법의 경우 약품을 통해 처리하고자 하는 오염물질에 고르게 반응이 일어날 수 있도록 설비를 조작할 수 있으나, 광원을 활용한 광촉매 기술의 경우에는 부유물질과 심한 탁도가 유발되는 하폐수 내에서 자외선의 투과가 적절히 이루어지지 않아 적용이 거의 불가능하게 된다. 그리고 수처리에 사용된 이산화티타늄 분말을 다시 분리하는 공정단계가 필수적이라는 점이 문제로 제기되었다. 이 때문에 이산화티타늄 회수를 용이하게 하기 위한 고정화 연구도 활발하게 진행된 바 있다.

이산화티타늄을 이용한 광촉매 반응의 원리를 간략하게 설명하면 다음과 같다. 이산화티타늄은 밴드 갭(band gap)보다 높은 광원이 조사되면 가전자대(valence band)에 위치하던 전자가 전도대(conduction band)로 여기가 이루어져 전자쌍이 계면으로 이동하여 전자 전이를 유발함으로써 다양한 종류의 산화·환원 반응이 진행되는 것이다. 전자구멍은 H2O 또는 OH-와 작용하여 OH라디칼을 형성하게 되고, 이는 광촉매 과정에서 유기물을 분해하는 주요 산화제로 작용하게 된다.

앞서 언급한 바와 같이 최근에는 가시광선을 활용할 수 있는 반도체 광촉매 개발이 환경 및 에너지 분야에서 각광받고 있다. 반도체 특성을 갖는 물질을 광촉매로서 적용하기 위해서는 광학적 안정성과 효율성이 매우 중요하다. 따라서 반도체가 갖는 광촉매의 제한을 극복하기 위해 전자로 정공의 분리를 증가시켜 다시 결합되는 것을 막기 위한 반도체 표면 개질이 필수이다. 추가적으로 가시광선 조사에 의해 밴드 갭(band gap)을 넘을 수 있도록 파장 반응 영역을 넓혀야 하며, 특정 생성물에 대한 선택도를 증가시켜야 한다. 이러한 특성을 부여하기 위해 반도체 표면에 금속도금(metallization)을 하거나 복합 반도체(composite semiconductor), 전이금속 도핑(transition metal doping), 표면 광감응체(surface sensitization) 등의 기술을 적용하기도 한다.

■ 국민생활문제 해결관점에서 기술의 중요성 및 전망

기존 물산업은 인간이 음용하기 위한 정수처리와 다양한 오염물질이 포함된 하폐수처리로 대변되었지만, 최근에는 국민이 믿고 안심하며 사용할 수 있는 물공급 및 수환경 제공과 같은 국민생활문제 해결 형태로 옮겨갈 것이다. 향후 대두될 4차 산업혁명에서는 물산업을 물재생으로 대표될 자동화와 물재배를 통한 정보화로 이끌어 갈 것으로 예측된다. 또한, 기존의 수량 중심의 관리에서 양질의 물, 안전한 물 공급을 우선시 하는 것으로 관점이 전환될 것이다. 이를 위해 수원으로 분류되는 하천과 댐, 호소에 대한 수질과 수량, 그리고 생태환경에 대한 통합적 관리가 필요할 것이며, 이를 뒷받침할 정책과 법적 근거가 갖추어져야 한다. 특히 기존 하천에 국한되어 있던 수자원 이용 및 관리에서 벗어나 지하수원을 효과적으로 활용할 수 있는 기술이 절실히 필요하다. 실제 지하에 존재하는 지하수는 전체 지표수의 67배에 달하는 양이다. 이는 기후변화에 의해 점차 고갈되어 가는 지표수를 대체할 수 있는 최적의 수원이 될 것이다.

물산업은 다양한 기술 분야와의 융합을 통해 방대한 시장을 창출해 낼 수 있을 것이다. 최근까지 나노기술과의 융합을 통해 수처리 효율의 극대화를 주도했던 것이 대표적인 예라고 할 수 있다. 나노기술 외에도 자연모사기술, 정보화 기술 등과의 접목을 통해 보다 친환경적이고 체계적인 물관리가 가능해질 것이라 본다.

이미 미국을 비롯한 일부 국가에서는 상수도 시설을 중심으로 스마트 미터 보급을 통한 물 사용량을 데이터화 하는 작업이 시도되고 있으며, 일부에서는 처리 배출수의 수질 향상을 위한 수질 분석 시스템이 하수처리장에 적용되고 있다. 믿을 수 있는 안전한 물을 생산하고 수요자에게 정량을 정확하게 전달할 수 있는 기술을 뒷받침하기 위해서는 IoT, ICT 기술과 함께 고효율·무독성·친환경 수처리 소재의 개발이 선행되어야 할 것이다.