수질오염으로 인해 세계적인 물부족과 생물다양성의 저하, 물을 둘러싼 지역분쟁 등으로 수자원의 중요성이 강조되는 가운데 기존의 염소살균, 오존살균 등의 수질정화 방법에 비해 환경 부하를 적게 주고 경제적이며 자연상태에 가까운 수질정화 기술이 주목받고 있다.

 

일본의 소엔사가 개발한 수질 정화용 탄소섬유는 미생물막을 형성해 강과 호수의 오염물질을 분해한다. 특히, 단시간 내 투시도(SS)가 개선되고 COD 및 BOD 저감 효과, 총질소 및 총인에 관한 정화 효과가 확인됐다.

 

▲ 탄소섬유로 만든 수질 정화재 다발 모습.(자료원:소엔사 홈페이지)

수질 정화에 사용되는 탄소섬유는 PAN계(폴리아크릴로나이트릴 섬유를 탄소화해 만듦) 섬유로 일반 공업용과는 달리 특수한 접착처리를 거쳐, 수중에서 팽창되도록 만들었다. 현재, 7μm의 미세한 필라멘트 1만2천 개가 뭉친 탄소섬유 다발을 정화재로 사용하고 있으며 이 탄소섬유 다발은 물 속에서 접착제가 녹으면서 낱개로 흩어지게 된다.

 

이렇게 흩어진 탄소섬유의 넓은 표면적에는 미세한 필라멘트가 있어 수중의 오염물질과 미생물이 부착된다. 부착된 미생물은 생물막을 형성해 오염물질을 분해한다.

 

특히, 수중의 탄소섬유는 상하좌우로의 움직임이 활발해 오염물질과 미생물막의 접촉이 많아 분해처리가 효율적이다. 또, 높은 탄성율을 갖는 탄소섬유가 수중에서 요동치며 네트펌프운동이라고 불리는 변형·회복운동을 반복하면서 미생물막 내의 물질 이동이 활성화된다.

 

무엇보다 탄소섬유에 부착된 미생물군은 호기성균과 혐기성균이 잘 분산된 상태로 존재해, 호기 조건 에서는 호기성균에 의해서 유기물이 이산화탄소와 물 등으로 분해되고 혐기조건 에서는 혐기성균에 의해서 유기물이 메탄과 이산화탄소 등으로 분해된다.

 

탄소섬유는 영양염류인 질소(N)와 인도(P) 분해한다. 미생물군에 존재하는 탈질세균은 질화반응으로 형성된 질산성 질소를 질소 가스로 분해해서 대기로 확산시킨다. 또 미생물군은 인산이온을 폴리인산으로 축적해 인도 제거한다. 이 외에도 탄소섬유로부터 발생하는 음파는 어류를 불러 들여 산란 및 치어의 양육 환경을 조성하는 데 한 몫을 하고 있다.

 

현재, 공원 내 연못, 강, 호수, 바다의 수질 정화, 댐의 조장 형성, 하수 및 공장배수 수질 정화 등 일본 내 200곳 이상에서 탄소섬유에 의한 수질정화가 이뤄졌으며 중국, 대만 등 해외에서도 주목하고 있다.

 

단, 탄소섬유에 의한 수질정화는 탄소섬유 자체의 흡착효과뿐 아니라 섬유에 고착하는 미생물막의 역할에 의한 것으로 미생물막이 형성되지 않는 환경에서는 수질정화 효과를 거두기 어렵다. 원래 미생물이 없던 환경이나 빈산소상태(용존산소 DO 부족), 물의 흐름이 전혀 없는 상태에서는 효과가 나타나기까지 상당 시간이 소요되는 것으로 알려졌다.