신기술

포항공과대, 햇빛으로 녹조 주범 질산 없앤다

최원용 교수팀, 질산이온을 질소로 바꾸는 탈질 광촉매 소재 개발

▲ 이산화티타늄(TiO2) 광촉매를 활용한 탈질 반응 모식도. [사진출처 = 포항공과대학교]

포항공과대학교(총장 김무환) 연구팀이 햇빛을 이용해 녹조(綠潮)의 주범인 질산을 없앨 기술을 개발했다. 포항공과대학교는 최원용 환경공학부 교수·통합과정 이신비씨 팀이 화학환원제 없이 햇빛을 이용해 녹조 현상을 유발하는 오염원인 질산 이온(NO3-)만 골라내 질소(N2)로 전환하는 광촉매 소재를 세계 최초로 개발했다고 지난 9월 16일 밝혔다.

녹조는 여름철 수온상승으로 강과 호수에서 식물플랑크톤이 대량 번식하며 물빛이 녹색을 띠는 현상으로 비료나 생활하수, 공장폐수 등이 하천으로 유입되면서 부영양화를 일으켜 발생한다.

녹조를 방지하기 위해서는 질산이온을 질소로 전환하는 ‘탈질(脫窒)’이 핵심 기술이다. 질산이온이 질소 가스로 바뀌면 물 속에서 빠져나가 영양염류의 증가를 막기 때문이다.

기존 탈질 공정은 고에너지는 물론이고 수소 가스나 메탄올, 포름산 등의 환원제가 필요해 경제성이나 현실성이 떨어졌다. 환경에 해가 없는 태양광을 에너지원으로 활용하고 물을 환원제로 이용하는 연구도 별다른 성과를 내지 못했다.

이에 연구팀은 빛을 쬐면 생기는 정공과 전자를 일으키는 계면반응으로 산화·환원 반응을 유도하는 반도체 소재, 광촉매를 이용하는 아이디어에서 출발했다. 먼저 연구팀은 이중 금속(Cu-Pd) 나노입자와 그래핀 옥사이드(rGO)가 담지된 이산화티타늄(TiO2) 기반의 광촉매를 새로 합성했다. 이 광촉매는 별다른 화학환원제 없이도 600㎎/L의 질산이온(NO3-)을 100% 환원하는 한편, 98%가 질소(N2)로 변환되는 결과를 얻었다.

이 광촉매는 물 분해 반응을 통해 수소를 발생시키고 이 수소를 바로 환원제로 사용하도록 되어 있는 특성을 가져 화학환원제를 필요로 하지 않으면서 기존의 탈질 수처리 촉매의 문제를 개선했다. 최원용 교수는 “탈질 반응 중 부산물로 생성되는 아질산이온(NO2-)이 거의 생겨나지 않아 환경친화적인 특성을 가졌다는 점에서 더욱 의미 있는 성과”라고 말했다.

[『워터저널』 2021년 10월호에 게재]