2020년 11월 10일
바카라 커뮤니티
국립대학법인 고치대학

바카라 규칙 빛을 이용해 다량의 소금으로 물을 정화하는 새로운 물질 개발
-환경에 영향을 주지 않는 산업 폐수 및 해수를 포함한 광범위한 수처리-

[프레젠테이션 포인트]

[요약]

막 처리는 산업 폐수, 하수, 해수 등의 수처리 현장에서 다량의 염분을 제거하는 데 사용됩니다 이때 물에 유기물이 포함되어 있으면 막을 막히게 되므로 미리 유기물을 제거해 주는 것이 필요하다 그러나 염분이 많이 함유된 처리수에서 불필요한 유기물질을 제거하려고 할 경우 오존처리 및 산화제의 분해효율이 저하되고, 수처리에 따른 시약의 소모 및 비용이 증가하는 문제가 남는다

광촉매는 빛에 노출시켜 근처의 화합물을 강력하게 분해할 수 있는 물질입니다 광촉매를 이용한 수처리는 빛을 이용하여 유기물을 물, 이산화탄소 등으로 분해하는 친환경 기술로 주목받고 있다 그러나 염분과 이온이 많이 공존하는 수성 환경에서는 염분과 이온에 의해 광촉매와 유기물질의 반응이 방해를 받아 성능이 매우 열악하다 이 때문에 특히 해수나 산업폐수 등 염분을 다량 함유하는 환경에서는 사용이 어려웠다 또한, 분말형 광촉매는 단독으로 사용하기 어렵고, 무언가에 고정하여 사용할 경우 광촉매 입자와 먼지가 만날 확률이 줄어들어 분해 효율이 크게 저하됩니다

바카라 규칙팀이 물을 담고 있었습니다다공성 겔(하이드로겔) [1]에산화텅스텐(WO3）[2]물의 통로가 좁고 복잡한 반투명 구조이기 때문에 염분과 이온이 많이 공존하는 조건에서도 빛이 쉽게 통과하고 광촉매와 유기물이 쉽게 만나기 쉬운 상태를 유지한다 광촉매 성능 테스트에 사용되는 착색제 (인디고 카민[3]2002_20422SO4) 존재에서도 분해 효율은 기존 물질에 비해 4~13배 높았다 이 광촉매겔은 원료를 동결시켜 해동 시 첨가된 유기산으로 분해되기 어렵게 만든 것이다동결 가교 방법 [4]이라는 간단한 합성법을 이용하여 생산됩니다 또 다른 장점은 넓은 면적과 다양한 모양을 만드는 것이 상대적으로 쉽다는 점이며, 실험실 수준에서 실제 규모까지 개발이 가능하다는 것입니다

향후에는 실용화를 목표로 내구성 향상과 장기 연속 운전에 힘쓰고, 산업 폐수에 대한 응용 개발을 목표로 하고 있습니다 또한, 국제 물환경 문제와 '안전한 물과 위생'이라는 SDGs에도 기여하는 것을 목표로 하고 있습니다

이 연구는 바카라 커뮤니티(회장)(오구치 마사노리)이 수행했습니다 이것은 부연구 소장 스기타 츠요시, 부연구 소장 우에다 유키, 원자력 과학 연구소 재료 과학 연구 센터의 린타로 추부 연구원, 미나미카와 타쿠야, 부연구 소장, 세키네 유리나 연구소 추진 연구 책임자로 구성된 공동 연구 그룹의 결과입니다 고치대학교 과학기술부 모리 카츠노부 교수

이 결과는 엘스비어 학술지 Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry(2025년 11월 7일)에 게재되었습니다

[배경 및 역사]

화학 공장과 담수화 공장에서는 NaCl과 황산염이 많이 포함된 물을 역삼투막을 사용하여 처리해야 합니다 이 염수에 유기 물질이 존재하면 먼지로 작용하여 막을 막히게 되므로 청소 또는 교체가 필요합니다 멤브레인을 청소하고 교체하는 데 드는 높은 비용은 결국 제품 가격과 수도 요금에 반영되어 운영 안정성과 안전한 물 공급을 동시에 위협합니다

또한 화학적 산화제와 오존 분해는 염분이 풍부한 물에서 유기물을 제거하는 데 사용되지만 현실적으로 그 효율성은 염분이 아닌 물에 비해 감소하는 경향이 있습니다 또한, 화학물질의 다량 소모와 높은 가공 비용으로 인해 환경적 위험성도 문제가 되고 있다 지역 및 공정 여건에 따라 다르지만, 최근 실제 플랜트를 분석한 결과 멤브레인 오염으로 인한 비용이 운영비의 약 24%에 달하는 것으로 나타났습니다１또한, 막 담수화 기술의 비용 배분 분석에서 약품 비용이 약 12%를 차지하는 것으로 보고되었습니다2이러한 배경에서 염수에서도 유기물을 분해할 수 있는 신기술의 개발은 산업의 지속가능성과 안전한 물 공급을 뒷받침한다는 점에서 사회적으로 큰 의미를 갖는다

광촉매를 이용한 수처리 기술은 유기물을 빛에 노출시키는 것만으로 물과 이산화탄소로 분해할 수 있어 안전하고 친환경적인 기술로 주목받고 있습니다 그러나 산업폐수나 해수 등 물 속의 염분이나 이온 농도가 높은 조건에서는 분말 형태의 광촉매 입자가 서로 달라붙어 덩어리(뭉침)를 형성하거나, 이온이 광촉매와 유기물의 반응을 방해해 성능이 크게 저하될 수 있다 뭉침을 억제하기 위해 광촉매를 평판에 고정하면 분말형 광촉매에 비해 반응에 기여할 수 있는 입자의 표면적이 줄어들어 반응 효율이 ​​크게 떨어지게 된다 다공성 젤을 광촉매를 담는 기질로 사용하는 소재 개발도 있지만 이는 반응 효율이나 내구성이 향상되지 않고, 합성 방법이 복잡하고 비용이 많이 드는 등 많은 문제로 인해 바카라 규칙 단계에 머물러 있다

염수에서도 광촉매를 사용할 수 있다면 화학물질이나 특수 장비를 사용하지 않고도 유기물을 쉽게 분해할 수 있으며, 이는 2차 폐기물을 줄여 환경 보전에도 기여할 수 있을 것으로 기대됩니다 염분이 풍부한 조건에서 작동하는 광촉매 물질은 기초 바카라 규칙뿐만 아니라 사회에서도 매우 필요합니다

[이 결과]

기존의 분말 또는 박막 형태의 광촉매 물질(그림 1 왼쪽)은 용액 내 염 이온으로 인한 입자 응집 및 반응 억제로 인해 유기물의 분해 효율이 크게 떨어지는 것으로 알려져 있습니다

바카라 규칙팀은 2020년 독자적으로 개발한 하이드로겔에 주목했습니다 제조 과정에서 겔 내부에는 털 1~2개(100~200μm) 굵기의 복잡한 물 통로가 형성되는데, 이는 염수에서 겔 표면에 유기물을 흡착하는 성질을 가지고 있습니다(그림 1, 오른쪽) 이 하이드로겔을 이용한 광촉매 겔은 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다고 생각된다 (1) 광촉매 미립자를 겔 내부에 분산 고정함으로써 입자 응집이 억제되고, 광촉매와 유기물과의 접촉이 효율적으로 유지된다 (2) 염분이 풍부한 물에서는 유기물이 겔 표면에 더 쉽게 흡착되어 분해 효율이 향상됩니다

그림 1 기존 광촉매 물질(왼쪽)과 본 바카라 규칙에서 개발된 광촉매 젤(오른쪽)의 차이점

이 바카라 규칙에서는 햇빛에서도 기능하는 모델 광촉매인 산화텅스텐(WO)을 카르복시메틸셀룰로오스 나노섬유(CMCF)에 사용했습니다3)을 혼합하여 냉동한 후 구연산 용액에 침지하여 해동(동결 가교법)하여 광촉매 겔을 합성하였다 일반적으로 WO3등의 금속 산화물은 균일하게 고정하기 어렵다고 알려져 있습니다 하이드로겔에서 바카라 규칙팀은 휘저으면 부드러워지고 방치하면 단단해지는 CMCF의 특성을 활용해 WO3분산된 상태로 수정되었습니다

주사형 전자현미경 - 에너지 분산형 X선 분광법(SEM-EDX) 관찰을 수행했습니다 합성된 광촉매 겔 내부에는 100~200μm의 채널이 형성되고, 내벽은 WO3분말이 균일하게 고정된 것을 확인했습니다(그림 2) 또한, 광촉매 겔 전체에는 WO3클러스터에 고정된 입자 수, 바카라 커뮤니티바카라 규칙로 JRR-3 [5]소각 중성자 산란 장치(SANS-J, PNO) [6]로 분석됨 그 결과 WO3입자가 큰 덩어리를 형성하지 않고 고정되었다는 것이 분명해졌습니다 우리는 이것이 유기 오염물질이 광촉매와 효율적으로 접촉할 수 있는 반응장을 생성했다고 추론했습니다

그림 2 광촉매 겔의 SEM 이미지(왼쪽)와 광촉매 겔 내벽에 고정된 WO3(오른쪽)
오른쪽 다이어그램의 녹색 또는 흰색 부분에 있는 WO3고정되어 있습니다

저희는 인디고카민(청색 착색제)을 모델 유기 오염물질로 사용하여 수중 유기물의 분해 테스트를 실시했습니다 소금이 없는 물에서는 WO3분말 현탁액(분말 형태) 및 WO3고정 유리 소재(박막)에 비해 광촉매 젤은 분해 효율이 더 뛰어났습니다 또한, 염(질산나트륨(NaNO)3), NaCl, 인산이수소나트륨(NaH2PO4), 나2SO4) 비교적 높은 농도(100mmol L−1) 기존 WO에 존재하는 조건 하에서도3분말이나 유리고정재에 비해 분해 효율이 4~13배나 높은 것으로 나타났습니다 염은 일반적으로 분해 효율을 감소시키지만 흥미롭게도 NaNO3네2SO4공존하면 분해 효율은 감소하지 않고 실제로 증가합니다(그림 3)

그림 3 물 속 분말, 박막, 광촉매 겔의 인디고카민 염료 잔류율(반응 후 염료 농도) 비교(왼쪽)와 염료 분해 실험(오른쪽, 빛 조사 전)

[요약/향후 전망]

성공적으로 개발된 WO₃ 함유 광촉매 겔은 "염수에서 성능 저하"라는 기존의 문제를 극복했습니다 실제 산업폐수 및 해수에도 활용 가능한 차세대 정수재로의 가능성을 보여주며, '염수에서의 광촉매 설계'에 대한 새로운 지침을 제시하고 있다 이 소재는 동결가교법을 이용하면 비교적 쉽게 넓은 면적과 다양한 형태로 생산이 가능하며, 실험실 수준에서 실무 수준까지 확장이 가능한 장점도 있다

우리는 염수에서 반응 효율을 높이기 위해 하이드로겔을 사용하는 것이 다양한 용액 조건에서 기능하는 새로운 광촉매 물질 개발의 길을 열 것이라고 믿습니다 향후에는 산업폐수, 해수 적용을 목표로 실용화를 염두에 두고 내구성 향상과 장기 연속 운전에 힘쓰겠습니다

수처리에는 원자력 시설의 재처리도 포함됩니다방사성 요오드 종(I-129) 및 유기 요오드 [7]) 등 가공이 어려운 핵종을 제거하는 데 필요합니다 이번 결과는 수처리 기술 발전에 기여할 수 있는 잠재력을 갖고 있으며, 지속가능한 수처리 실현을 위한 기반 마련에 도움이 될 것으로 기대된다 본 바카라 규칙를 국제 물환경 문제와 '안전한 물과 위생'이라는 SDGs에 기여하는 바카라 규칙로 발전시키고자 합니다

[논문 정보]

<추가 참고 사항>

각 바카라 규칙원의 역할은 다음과 같습니다

이 바카라 규칙는 일본 과학 진흥 협회의 과학 바카라 규칙 보조금 C(22K05205)의 지원을 받았습니다

참고자료

1M 자파리, M 바노펜, JMC 반 아그트말, ER 코넬리센, JS Vrouwenvelder, A Verliefde, MCM van Loosdrecht, C Picioreanu, 네덜란드의 본격적인 역삼투 및 나노여과 시설에서의 오염 비용 담수화 2021, 500, 114865

2A Benahmed, M Bessedik, C Abdelbaki, SA Mokhdar, MFA Goosen, BHöllerman, A Zouhiri, N Badr, 담수화 플랜트의 장기적인 경제적 지속 가능성 및 물 생산 비용 조사: 알제리 Chatt Hilal의 사례 바카라 규칙, 이집트 수생 바카라 규칙 저널 2025, 51, 31–38

 

[용어 설명]

[1] 다공성 겔(히드로겔)

많은 양의 물에 부풀어오르는 고분자로 만들어진 스폰지 같은 물질입니다 높은 투수성과 유연성을 가지고 있어 의료용 소재 및 수처리용으로 사용됩니다

[2] 산화텅스텐(WO3）

가시광선에 반응하는 반도체 광촉매 물질의 일종입니다 내구성이 뛰어나 수처리, 환경정화 등에 활용이 기대됩니다

[3] 인디고 카민

식품 첨가물 및 염료로 사용되는 청색 합성 색소입니다 이는 종종 정수 실험에서 모델 유기 오염물질로 사용됩니다

[4] 동결 가교 방법

동결과 화학적 가교를 결합하여 다공성 겔을 생성하는 방법 넓은 면적의 다양한 모양의 샘플을 비교적 쉽게 얻을 수 있습니다 2020년 바카라 커뮤니티 등 연구팀은 CMCF 수용액을 냉동했다가 구연산 수용액에서 해동하면 CMCF가 강하게 가교된다는 사실을 발견했다 다공성 겔 합성법으로 동결가교법을 발표하고 현재 연구를 진행하고 있다

[5] 바카라 규칙용 원자로 JRR-3

핵분열 반응에 의해 생성된 정상 중성자 빔을 사용하여 재료 바카라 규칙를 수행하는 JAEA에 위치한 시설입니다 출력은 20MW이다 시설 내에는 다수의 중성자 실험 장치가 설치되어 있으며, 물질의 구조 분석, 재료 특성 평가 등 다양한 바카라 규칙에 활용되고 있습니다

[6] 소각 중성자 산란

재료의 미세 구조를 관찰하고 분석하는 기술입니다 단일 단백질의 크기(나노미터)부터 머리카락 굵기의 10분의 1(수 마이크로미터)까지 물질의 평균 구조를 자세히 바카라 규칙하는 것이 가능합니다

[7] I-129(방사성 요오드 129) 및 유기 요오드체

I-129는 반감기가 약 1,600만 년인 방사성 핵종입니다 물 속에는 무기물, 유기물 등 다양한 형태를 띠고 있기 때문에 환경에 잔류하는 경향이 있어 오염수 처리 및 환경관리의 중요한 대상이 됩니다 유기 요오드는 요오드가 유기 분자와 결합된 화학종입니다 물 속에서 흡착, 제거가 어렵고, 처리가 어려운 핵종 중 하나로 꼽힌다

참조 기반:재료과학바카라 규칙센터
뒤로