[인도] 하·폐수서 미량 오염물질 제거하는 에어로겔 흡착제 개발

GO-SA(그래핀으로 변형된 실리카 에어로겔), 연속 흐름 조건에서 미량 오염물질 76% 이상 제거…대규모 수질정화 가능

인도 마드라스 공대·이스라엘 텔아비브대 공동연구팀…『네이처 사이언티픽 리포트』에 연구논문 게재

인도 마드라스 공과대학(IIT 마드라스)과 이스라엘 텔아비브 대학교(Tel Aviv University) 연구진이 하·폐수에서 미량 오염물질을 제거할 수 있는 에어로겔 흡착제(aerogel adsorbent)를 개발했다. 사진은 이번 공동연구에 참여한 연구자들. [사진출처(Photo source) = 인도 마드라스 공과대학(IIT Madras)]

인도 마드라스 공과대학(Indian Institute of Technology Madras, IIT Madras, 이하 ‘IIT 마드라스’)과 이스라엘 텔아비브 대학교(Tel Aviv University) 연구진이 하·폐수에서 미량 오염물질을 제거할 수 있는 에어로겔 흡착제(aerogel adsorbent)를 개발했다.

이 ‘그래핀으로 변형된 실리카 에어로겔(Graphene-doped modified silica aerogels , GO-SA)’은 연속 흐름 조건에서 미량 오염물질(PPM 수준)을 76% 이상 제거하여 대규모 수질 정화를 위한 지속 가능한 경로를 제공한다. 연구팀은 대규모 응용 분야에서 이러한 결과를 향상시키는 데 전념하고 있다.

대부분 공기로 구성된 매우 가벼운 고체인 에어로겔(aerogel)은 탁월한 흡착제(오염물질을 제거하는 데 사용되는 고체 물질)이다. 또한 조정 가능한 표면 화학, 저밀도 및 다공성 구조와 같은 장점을 제공합니다. 종종 ‘고체 공기(solid air)’ 또는 ‘얼어붙은 연기(frozen smoke)’라고 불리는 이러한 물질은 쉽게 제작될 수 있다.

인도 마드라스 공과대학(IIT Madras)과 이스라엘 텔아비브 대학교(Tel Aviv University) 연구진이 하·폐수에서 미량 오염물질을 제거할 수 있는 에어로겔 흡착제(aerogel adsorbent)를 개발했다. 사진은 (a) 고압 초임계 CO2 반응기의 개략적인 실험 설정, (b) 고압 초임계 CO2 반응기의 실험 설정에 대한 실시간 사진. [[사진출처(Photo source) = 『네이처 사이언티픽 리포트』(Nature Scientific Reports)]

전 세계 수자원의 4%만으로 전 세계 인구의 18%에 해당하는 인도 인구를 부양해야 하는 어려움에 직면한 인도 정부는 특히 의약품과 섬유와 같은 물 집약적 산업에서 수질오염을 해결하기 위한 노력을 강화하고 있다. 섬유 부문에서만 연간 거의 10 라크톤(100만 톤)의 독성 합성 염료를 배출하여 수생생물과 생태계에 심각한 위협이 되고 있다.

이 연구는 IIT 마드라스의 샨티 스와루프 바트나가르 상(Shanti Swarup Bhatnagar Prize)  수상자인 라즈니쉬 쿠마르(Rajnish Kumar) 교수가 주도했으며, IIT 마드라스 화학공학부  수바시 쿠마르 샤르마(Mr Subhash Kumar Sharma) 및 란자니(P. Ranjani) 연구학자와 이스라엘 아비브 대학교 기계공학부 하다스 마마네(Hadas Mamane) 교수가 참여했다. 

이번 연구결과는 최근 권위 있는 저널인 『네이처 사이언티픽 리포트』(Nature Scientific Reports, https://www.nature.com/articles/s41598-023-43613-w)에 논문으로 게재됐다.

실험 설정 (a) 배치 실험 (b) 에어로겔 충전 컬럼 및 중력으로 인한 제어된 흐름을 사용한 반배치 실험 (c) 에어로겔로 충전된 연속 반응기. [사진출처(Photo source) = 『네이처 사이언티픽 리포트』(Nature Scientific Reports)]

라즈니쉬 쿠마르(Rajnish Kumar) 교수는 이러한 연구의 필요성에 대해 자세히 설명하면서 “하·폐수 정화를 위한 토착 기술은 오염과 싸우는 것뿐만 아니라 수질을 보존하고 생태계를 보호하며 오염된 물과 관련된 건강 위험을 완화하기 위해 필수적이 되었다”라고 말했다.

쿠마르 교수는 특히 “기존의 하·폐수 처리 방법은 미량의 오염물질, 특히 의약품을 제거하는 데 어려움을 겪고 있다. 이에 대응하여 과학자들은 흡착, 고급 산화공정, 막 여과 등 다양한 방법을 연구해 왔다. 이 중 흡착 방법은 친환경적인 특성, 비용 효율성 및 효율적인 오염물질 제거 능력 때문에 매력적이다”라고 강조했다.

쿠마르 교수는 이어 “수질오염 문제를 완화하기 위한 우리 연구의 혁신적인 잠재력에 대해 진심으로 열광하고 있다. 우리의 GO-SA(Graphene-doped modified silica aerogels, 그래핀 도핑된 변성 실리카 에어로겔) 흡착제는 지속 가능한 수질정화를 향한 놀라운 진전을 나타낸다. 과학적 우수성과 환경적 책임에 대한 우리의 헌신은 우리를 이끌게 한다”라고 덧붙였다.

이스라엘 텔아비브 대학교 기계공학부 하다스 마마네(Hadas Mamane) 교수는 이번 연구의 기술적 측면에 대해, “이 공동 개발된 GO-SA 에어로겔은 표면 화학을 수정하여 특정 오염물질을 표적으로 삼도록 맞춤화할 수 있다. 또한 여러 번 재생하고 재사용할 수 있어 폐기물과 운영비용을 줄여 지속 가능한 수질정화 솔루션이 된다”고 강조했다.

이 연구팀은 그래핀(뛰어난 특성으로 유명한 노벨상을 수상한 탄소 형태)으로 개질된 실리카 에어로겔을 개발했다. 연구진은 이러한 변형된 에어로겔을 준비하기 위해 ‘초임계 유체 증착법(supercritical fluid deposition)’이라는 방법을 사용했으며 그 효과를 엄격하게 연구했다.

그래핀이 도핑된 수정된 실리카 에어로겔(GO-SA)은 에어로겔의 이용 가능한 표면적을 더욱 향상시키는 그래핀의 독특한 분자 구조로 인해 물을 정화하고 오염물질을 끌어들이고 제거하는 데 놀라운 효율성을 나타내는 것으로 밝혀졌다. 실험에서 모방한 실제 조건에서 이 물질은 제어된 설정에서 85% 이상, 연속 흐름 조건에서 76% 이상 오염물질을 제거했다.

(a) GO-SA에 의해 흡착된 CV 수용액의 UV-Vis 스펙트럼, (b) GO-SA에 의해 흡착된 AG 수용액의 UV-Vis 스펙트럼, (c) GO-SA에 의해 흡착된 SMA 수용액의 HPLC 크로마토그램. [그림출처(picture source) = 『네이처 사이언티픽 리포트』(Nature Scientific Reports)]

 

[원문보기]

IIT Madras & Tel Aviv University Researchers develop effective Aerogel-adsorbents to remove trace contaminants from wastewater

 

Researchers from Indian Institute of Technology Madras (IIT Madras) and Tel Aviv University, Israel, have developed an aerogel adsorbent that can remove trace pollutants from wastewater.

This graphene-modified silica aerogel removes over 76 per cent of trace pollutants (PPM level) in continuous flow conditions, offering a sustainable path for large-scale water purification. The research team is dedicated to enhancing these results for large-scale applications.

Aerogels, which are incredibly lightweight solids composed mostly of air, are excellent adsorbents (a solid substance used to remove contaminants). In addition, they offer advantages like adjustable surface chemistry, low density, and a highly porous structure. These materials, often referred to as 'solid air' or 'frozen smoke', can be easily fabricated.

India, facing the challenge of supporting 18 per cent of the world's population with just 4 per cent of global water resources, has intensified efforts to address water pollution, particularly in water-intensive industries like pharmaceuticals and textiles. The textile sector alone discharges nearly ten lakh tons of toxic synthetic dyes annually, posing severe threats to aquatic life and ecosystems.

The research was led by Shanti Swarup Bhatnagar Prize Awardee Prof. Rajnish Kumar from IIT Madras and included Mr Subhash Kumar Sharma and P. Ranjani, Research Scholars, Department of Chemical Engineering, IIT Madras and Prof. Hadas Mamane, School of Mechanical Engineering, Tel Aviv University, Israel.

The findings were recently published as a paper in the prestigious journal Nature Scientific Reports (https://doi.org/10.1038/s41598-023-43613-w).

Elaborating on the need for such research, Prof. Rajnish Kumar, Department of Chemical Engineering, IIT Madras, said, "Indigenous techniques for wastewater purification have become essential not only to combat pollution but also to preserve water quality, protect ecosystems and mitigate health risks associated with contaminated water."

Prof. Rajnish Kumar added, "Conventional wastewater treatment methods struggle to remove trace of pollutants, especially pharmaceuticals. In response, scientists have explored various methods, including adsorption, advanced oxidation processes and membrane filtration. Among these, adsorption is attractive because of its eco-friendly nature, cost-effectiveness, and efficient pollutant removal capabilities."

Subhash Kumar Sharma said, "I am genuinely enthusiastic about the transformative potential of our research in mitigating water pollution challenges. Our GO-SA adsorbent represents a remarkable step towards sustainable water purification. Our commitment to scientific excellence and environmental responsibility drives us.

Speaking about the technical aspects of this research, Prof. Hadas Mamane, School of Mechanical Engineering, Tel Aviv University, Israel, said, "This jointly developed GO-SA aerogels can be customized to target specific contaminants by modifying their surface chemistry, making them versatile. Furthermore, they can be regenerated and reused multiple times, reducing waste and operational costs, making them a sustainable solution for water purification."

This research team developed a silica aerogel modified with graphene (a Nobel-winning form of carbon renowned for its exceptional properties). The researchers employed a method called 'supercritical fluid deposition' to prepare these modified aerogels and rigorously studied their effectiveness.

The Graphene-doped modified silica aerogels (GO-SA) were found to exhibit remarkable efficiency in purifying water, attracting and removing contaminants due to graphene's unique molecular structure which further enhances the available surface area of the aerogel. Under real-life conditions mimicked in their experiments, the material removed over 85% of pollutants in controlled settings and more than 76% in continuous flow conditions.

[출처 = 인도 마드라스 공과대학(IIT Madras)(https://www.iitm.ac.in/happenings/press-releases-and-coverages/iit-madras-tel-aviv-university-researchers-develop) / 2023년 10월 30일]

[연구논문 출처 = 『네이처 사이언티픽 리포트』(Nature Scientific Reports)(https://www.nature.com/articles/s41598-023-43613-w) / 2023년 9월 30일]