반도체, 도금 등의 산업 현장에 활용하여 중금속의 효율적인 제거 및 회수 효과 기대
환경 분야 뿐만 아니라 의약분야에서도 이용 가능할 것으로 판단

경상대학교 화학과 정종화 교수 특정 중금속 이온에 대해 선택적 발색성을 갖는 유·무기 하이브리드형 흡착제 및 이를 이용한 광학센서 외 6개 등록특허 보유

개요

전 세계적으로 환경 문제, 특히 하수 및 대기 중 중금속 처리에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있는 가운데 국내에서는 아직 규제가 미비하여 타 국가 대비 연구가 이루어지지 않고 있다.
세계 인구증가에 따른 인프라 확충으로 상·하수분야 특히 하·폐수처리(이하 수 처리) 분야가 시장을 주도할 것으로 예상된다.
국내도 높은 도시화율에 따른 생활 및 산업 폐수가 증가하고 있어 수 처리 부문의 성장세가 예상되며, 오는 2018년까지 38억달러의 시장을 형성할 것으로 전망하고 있다.
하수처리율을 높이기 위한 하수처리 시설 및 관망 정비 부분에 연 5% 이상의 성장이 예상되어 물 산업 중 가장 사업가시화가 많을 것으로 예상된다.
일반적으로 산업폐수는 고농도의 독성 중금속 이온을 함유하고 있으며, 미량원소라 하더라고 일단 방류될 경우 심각한 환경오염을 유발한다.
국내 하수처리 시장은 도시화 및 산업의 발달로 오는 2018년 까지 지속적인 성장세를 보일 것으로 예상되며, 국제 환경규제의 심화로 우리나라의 환경 규제도 엄격해 질것으로 예상된다.
용수 및 폐수처리 시장이 지난 2010년을 기점으로 높은 성장률을 보였으며, 오는 2016년에는 각각 1천100억달러 이상의 시장으로 성장할 것으로 전망되고 있다.
특히 도시화, 물 부족, 환경보호 노력 등의 영향으로 인구고밀도 국가 및 개발도상국이 많은 동아시아·태평양 지역의 시장이 2016년에는 약 800억 달러이상으로 가장 클 것으로 예상되고 있다.
특히 북아메리카 지역은 서유럽의 시장규모를 앞질러 약 500억달러 이상으로 성장할 것이라는 전망이다.

지난 2010년 유럽지역의 물 산업시장에서 독일시장이 218억달러(26%)로 가장 큰 시장이나 시장이 감소추세에 있으며, 프랑스 162억달러(19%), 영국 101억달러(12%)로 나타났다.
지난 2010년 아시아·태평양 지역의 물 산업시장에서 일본시장이 556억 달러(42%)로 가장 큰 시장이나 시장이 감소추세에 있으며, 중국 420억 달러(32%), 호주 132억 달러(10%), 한국 88억 달러(7%)로 2~4위 규모를 형성했다.
현재 3조원에 달하는 국내 수 처리 환경시장과 8천억달러에 달하는 세계 환경시장과 연간 평균 5~13%에 달하는 시장 성장에 힘입어 국내 시장은 물론 수출경쟁력 또한 갖출 수 있다.
물산업의 밸류체인은 제조-건설-서비스(운영)로 구성되며 상호 긴밀한 연계를 이루고 있는 상황이다.
주요 분야로는 상하수도, 담수화 및 부품·소재를 들 수가 있다.

한편 미국, 독일 등 선진국은 산업설비에서 배출되는 중금속에 대해 엄격한 배출기준을 설정하고 규제를 실시하고 있다.
소각시설에서 현재 수은 배출기준은 국내의 경우 5㎎/Sm³인데 비해 독일은 0.05㎎/Sm³, 미국은 0.08㎎/Sm³이다.
미국의 경우 정부출연연구소, 대학 등의 연구기관과 산업체가 미국발전소 환경여건에 맞는 여러 가지 경제성 있는 중금속 제거기술을 개발할 수 있도록 DOE(Depart of Energy)나 EPA(Environmental Protection Agency)를 통하여 기초기반 기술에서부터 상용화기술까지 체계적으로 지원하고 있다.
OECD 가입으로 선진국에서 진행되고 있는 각종 환경정책을 뒤따르고 있는 우리나라도 향후 예상되는 산업체에서의 중금속 배출 규제에 대비하여 국가 경제와 경쟁력에 미치는 악영향을 최소화하기 위한 중금속 제거기술 개발연구가 필요하다.
중금속 제거를 위한 산소, 질소, 황을 포함하는 새로운 흡착제의 합성 및 착물 반응성에 대한 광범위한 연구가 지속되고 있다.
하지만 습식탈황설비를 대부분 구비하고 있는 국내 산업설비 환경에 가장 적합하며 경제성이 있을 것으로 예상되는 중금속 제거기술 개발은 독자적인 기술 확보와 국가 전체의 환경보호 및 국민건강과도 직결된 사항이며, 국가 기간산업인 전력산업의 안정적인 운영을 위해서도 정부차원의 기술개발 지원이 이루어져야 한다.

이에 본지에서는 도금 공장, 금속 산업, 반도체 공정 과정에서 사용하는 인체 유해성 중금속의 검출과 폐수 분리, 제거가 가능한「유무기 하이브리드 나노소재」기술을 소개하고자 한다.

1. 기술개요

본 기술은 대기 및 산업폐수에 포함된 유독성 중금속을 효율적으로 분리·제거하는 유·무기 하이브리드 나노소재에 관한 기술이다.
흡착에 주로 쓰이는 나노세공을 가지는 기존의 세라믹 구체의 경우 표면적이 적으므로 흡착속도가 매우 느리기 때문에 따라서 실제 공정 적용에 어려움이 있었다.
활성탄이나 제올라이트 흡착법은 입상이나 분말상이기 때문에 제한된 비표면적과 넓은 세공분포가 미량의 흡착 분리나 다성분 혼합물의 선택 흡착에 어렵고 성형 가공이용이 하지 않다는 한계가 존재하다.
기존의 모노레이어 코팅법은 한번만 흡탈착이 되므로 재활용이 불가능하다.

본 기술은 대기 및 산업폐수 등에 함유되어 있는 유독성 중금속을 효율적으로 제거 및 분리 할 수 있는 새로운 친환경적 다공성 유기·무기 하이브리드 나노소재에 관한 기술이다.
중금속은 일반적으로 비중이 6g/cm³가 넘는 원소를 명명하며 구리나 아연과 같은 생물학적 필수원소와 납, 카드뮴, 수은과 같은 비 필수 원소를 포함하며, 필수원소의 경우에도 생물체에 필요한 양은 매우 미량이며 그 양을 초과하면 독성을 가지고 있다.
대기 및 하수, 각종 산업폐수 등에서 중금속의 오염이 가중되고 있으며, 중금속이 토양을 통해 지하수에 침투할 경우 인간, 동식물 등 자연계에 미치는 영향은 치명적이기 때문에 대기 및 산업폐수 등의 중금속 처리는 반드시 필요하다.
본 기술은 효율적으로 중금속을 흡착시키기 위해서 나노소재 표면에 중금속 흡착제를 도입하여 효율성을 극대화하였으며, 하이브리드 나노소재에 중금속이 흡착됨으로서 소재의 색깔이 변화함으로써 쉽게 육안으로 중금속 흡착여부가 판단 가능하다.
또한 유기·무기 하이브리드 나노소재는 분리, 검출을 동시에 할 수 있는 멀티형 소재로 하이브리드 나노소재의 사용 효율성 높이기 위해서 적당한 후처리를 통하여 반복적으로 사용이 가능하며, 2차적인 환경오염이 유발되지 않는다.
대기 오염의 주원인인 석탄 화력발전소 배기가스 중의 중금속 제거를 위한 설비 혹은 소재 혹은 산업폐수중의 중금속 제거 및 분리 기술의 경우는 효율적인 방법이나 나노소재가 없어 기초연구부터 진행되어야 한다.
중금속 제거/분리용 하이브리드 나노소재 개발을 통하여 화력 발전소 등에서 배출되고 있는 중금속을 효율적으로 제거할 수 있다.

본 기술은 중금속 제거 및 분리가 가능한 나노소재를 개발하고 흡착제 고정을 통해 필터를 제작하여 대기 및 산업폐수의 중금속을 분리 및 제거하는 기술이다<그림1, 2>

본 기술은 <표 2>에서와 같이 확정된 소재/부품/시스템 시작품 제작 및 성능 평가단계까지 개발 된 상태이다.

2. 적용분야

지난 1970년대 중반부터 시작된 하수처리장 설치 사업은 2006년 말 현재 시설 용량 23,158천톤/일, 하수도 보급률 85.5%를 도달하여 처리량이 크게 증가하였으나, 최근에는 고도처리의 필요성이 현실화되어 기존 하수처리장 시설의 처리공정 개선 및 추가 시설 설치가 활발히 진행 중이다.
현재 전국의 하수처리장 가동 개소는 총 304개소이며, 그 중 질소, 인을 포함시켜 처리하는 고도처리시설은 67.8%인 206개소가 가동 중에 있다.
운영 중인 고도처리 공법은 산소의 포기 방식에서 여전히 경제적으로 비효율적인 것으로 판단되며, 고도처리방식의 하수처리장과 더불어 기존 하수처리 시설의 산소전달 방식을 고도화시키는 기술이 필요하며, 이것은 비용 효율적인 하수처리장 운영에 큰 기여를 할 것으로 전망된다.
수중에 존재하는 환경호르몬 물질과 의약 관련 물질을 제거하기 위한 흡착 소재 관련 시장 성장률은 연간 6%로 국내 시장은 연간 1천억원 규모로 추정된다.
이러한 상황에 따라 개발된 본 기술은 중금속 제거를 위한 나노소재가 필요한 곳은 도금공업, 염색가공업, 전자 반도체관련 기업, 각종 금속 소재업 등 제품 생산과정에서 중금속 폐수를 발생시키는 산업 현장에 적용 가능하다.
그 외 대기 분야 및 폐자원, 폐 자동차 등에서 배출되고 있는 중금속에 대해서도 분리 및 회수가 가능하여 적용 가능하다.
산업폐수 및 대기 환경 내 중금속 처리효율을 극대화 할 수 있는 중금속 분리 유기-무기 하이브리드 나노소재이다. 현재 전 세계적으로 각광받고 있는 나노기술을 중금속 처리에 접목함으로써 오염물질 처리시간을 줄이고 작은 처리공정규모에서도 이용 가능하다.
반도체, 도금, 폐 자동차 등 다양한 산업분야에서 나오는 폐수처리에 응용이 가능한 중금속 분리 및 회수 기술로서 산업폐수의 처리 및 방류수의 수질개선이 가능하다.
기존의 처리시설공정에 추가하여 설치 가능하다.
강화된 방류수배출기준에 부합하는 수질을 지속적으로 유지함으로써 수계 내 중금속에 의한 오염을 사전에 방지 가능하다.
오염된 지하수 등의 처리 시 빠른 시일 내에 효율적인 복원이 가능함으로 국내 토양, 대기 및 하수 정화 및 보호에 기여할 수 있는 기술이다.

3. 기술 활용

중금속 분리 유기·무기 하이브리드 나노소재는 대기 및 산업폐수 속 중금속에 대해 선택적 발색/발광을 통해 분리하여 제거 및 회수가 가능한 소재이다.
대기 및 산업폐수 내 유해 중금속은 미량 함유되었더라도 대기오염, 수질오염, 환경호르몬 등 환경문제와 인체 건강에 악영향을 야기하는 유해물질이다.
유럽 및 미국, 일본과 같은 선진국에서는 이미 오래전부터 대기 및 산업폐수 내 중금속 배출에 대한 엄격한 규제를 실시하고 있으며, 이를 위한 중금속 처리 기술 개발에 힘쓰고 있다.
국내에서는 중금속 배출에 대한 법적 규제가 선진국보다 완화된 수준이지만 국제 환경협약의 발효에 따라 향후 유해물질에 대한 규제 강화가 예상된다.
본 기술은 산업 환경설비에 적용이 가능한 배기가스와 산업폐수 중의 중금속 제거 기술로서 특히 중금속이 많이 발생하는 반도체, 도금 등의 산업 현장에 활용하여 중금속의 효율적인 제거 및 회수를 통해 환경 오염을 방지하고 중금속 재활용에 효과적이다.
본 기술은 다양한 분야에서 활용 가능한 고부가가치의 원천 기술로서 환경 분야 뿐만 아니라 의약분야에서 이용 가능할 것으로 판단된다.
기술적 측면은 뛰어나지만 경제적 측면은 향후 추가 기술 개발을 통한 가격절감이 필요하며, 현재 상용화되어 있는 기술과의 호환 및 교환이 가능하도록 실용화 연구를 통한 사업화 추진이 필요하다.
기술개발의 경우 보다 완성된 높은 공정을 만들어 사용하가 하기 위해서 실증화 연구사업을 통한 추가 연구가 진행되면 바람직하다고 판단된다.
본 기술의 중금속 제거용 흡착 필터를 제조할 경우 단가면에서 경제적 타당성이 낮기 때문에 실용화를 위해 저렴한 중금속 제거용 리간드 개발이 필요하다.
비고리형 아조벤젠 유도체, 파이렌 유도체, 로다민 유도체 등을 이용한 발색·발광체 리간드 합성 연구도 진행 중이며, 상용화를 위한 나노 소재 단가를 낮출 수 있는 추가 연구와 실증 규모의 연구를 위한 실시기업 발굴 및 공동연구도 진행 중이다.

※ 본 기술 자료는 한국환경산업기술원(KEITI)과 (주)델타텍코리아에서 발간한 2014 환경기술개발사업에 게재된 기술 중의 하나이며 다음호에도 관련 기술 자료로 연재 할 계획이다.