DGIST 대구경북과학기술원

- DGIST 박치영 교수팀, 수중 페놀계 미세플라스틱 및 VOC 오염물을 초고속 흡착 제거가 가능한 광열 특성 다공성 고분자 개발

- 값싼 원료, 초고속 제거효율 및 태양광 기반 정화 공정으로 차세대 수질 정화 소재로의 가능성 제시해

- 재료 분야 최고 권위 학술지 ‘Advanced Materials’에 2022년 50호 표지 논문으로 선정

 DGIST(총장 국양) 에너지공학과 박치영 교수팀은 수중 페놀계 유기오염물을 초고속으로 완전히 제거 가능한 ‘비정형 다공성 고분자 소재’ 개발에 성공했다. 이번에 개발된 다공성 소재는 광열효과를 바탕으로 물속 미세플라스틱뿐만 아니라 크기가 매우 작은 VOC의 효율적 제거 가능하며, 동시에 소재의 가격 경쟁력 및 태양광 기반 수질 정화 공정이 가능해, 향후 상업화 가능한 고효율 흡착 소재로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

 화학 산업의 급속한 발전으로 나타난 수질오염은 환경오염에서 대표되는 문제 사항으로, 이를 해결하기 위한 다양한 수질 정화 기술 및 소재들이 개발됐다. 기존의 흡착 메커니즘을 기반으로 하는 탄소 기반 다공성 소재는 흡착 속도가 느리고, 재활용을 위해 높은 열에너지가 필요하다는 한계점이 있다. 이에 오염물 제거효율 향상을 위해 다양한 소재들이 개발되었지만 우수한 재활용성, 고효율성, 소재 원료의 경제성 및 산업화 가능성을 동시에 만족하는 소재의 개발에 어려움이 있었다.

 DGIST 에너지공학과 박치영 교수팀은 저렴하고 효과적인 전구체를 반응시켜 흡착 성능과 광열 특성이 뛰어난 다공성 고분자를 합성에 성공했다. 그리고 해당 고분자에 추가적인 산화 반응을 실험하고, 그 결과를 바탕으로 친수성 작용기를 도입해 수중 환경에서 미세 오염물질의 빠른 흡착을 가능하게 했다.

 또한, 실험을 통해 연구팀이 개발한 고분자가 재활용에 있어 높은 열에너지가 필요 없고 성능 손실 없이 여러 번 사용 가능함을 확인했다. 연구팀은 개발된 고분자가 가진 넓은 범위의 빛 흡수 및 흡수된 빛의 열 전환 능력을 통해 태양 에너지를 구동력으로 물을 증발할 수 있는 수처리 분리막을 제작했고, 그 결과, 산화된 고분자가 코팅된 수처리 분리막이 태양광을 통해 페놀계 오염물 정화가 가능함을 확인했다.

 DGIST 에너지공학과 박치영 교수는 “이번에 개발한 기술은　수중 페놀계 미세플라스틱 및 VOC 오염물을 초고속으로 세계 최고 수준의 정화 효율 (99.9% 이상 제거)을 보이는 독보적인 수질 정화 기술이며 경제성이 우수하고, 전력이 없는 지역에서도 오염수를 정화해서 식수를 공급할 수 있는 범용성을 확보한 기술이 될 것으로 기대한다”고 밝혔다.

 한편, 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자 지원 사업과 나노 및 소재 기술개발사업 지원을 받아 수행됐으며, DGIST 에너지공학과 조완수, 최경현 석박사통합과정생, 이동준 석사과정생이 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 재료 분야 최고 권위 학술지인 ‘Advanced Materials’에 2022년 50호 표지 논문으로 선정 및 게재됐다.

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연구결과개요

Supramolecular Engineering of Amorphous Porous Polymers for Rapid Adsorption of Micropollutants and Solar-Powered Volatile Organic Compounds Management

Wansu Cho, Dongjun Lee, Gyeonghyeon Choi, Jihyo Kim, Acquah Ebenezer Kojo, and Chiyoung Park

(Advanced Materials, on-line published on September 19th, 2022)

담수 부족은 미세 플라스틱과 VOC로 인한 심각한 수질 오염으로 인해 전 세계에서 가장 심각한 문제 중 하나가 되고 있다. 그러나 현재의 정화 기술은 미세 오염 물질에 대한 흡착이 느리고 수중에서 VOC를 제거하기 위해 에너지 집약적인 공정이 필요하다.

때문에 본 연구 그룹은 미세 오염 물질의 빠른 흡착 및 광열 능력에 의한 우수한 VOC 체질 (sieving) 성능을 가진 저비용 다공성 고분자 흡착 소재를 합성하였다. 추가적인 산화 과정을 통해 내부 채널의 친수성을 향상시킴에 따라 수중에서의 분산을 용이하게 했고 미세 오염 물질의 흡착 효율을 개선했다. 산화된 다공성 고분자는 수중에서 약 10초 만에 99.9 % 이상의 흡착 효율을 보여주며 성능 손실 없이 쉽게 여러 번 재생될 수 있다는 것을 확인하였다. 또한 광열 성능을 바탕으로 하이드로젤 시스템을 도입해 태양광 구동 증류 수처리 분리막을 제조하여 약 98 % 효율로 VOC 오염 물질 수용액을 정화할 수 있음을 제시하였다. 값싸면서도 효율적으로 페놀계 오염물질이 포함된 폐수를 정화할 수 있는 기능을 보유한 CTF 흡착 소재는 수질 정화 기술의 한 축을 담당할 것으로 보인다.

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연구결과문답

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?

탄소 기반 다공성 소재를 통해 미세 오염물질을 흡착하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만, 오염물질에 대한 느린 흡착 속도, 저렴하지 않은 가격, 재사용을 위해 높은 열에너지를 필요로 한다는 점에서 한계점이 있다.

본 연구에서는 저렴한 전구체로부터 간단한 합성 과정을 거쳐 경제적으로 합성할 수 있는 다공성 고분자 흡착 소재를 개발했다. 이러한 흡착 물질은 매우 높은 흡착 역학으로 미세 오염 물질을 흡착할 수 있고 우수한 재활용성과 뛰어난 흡착 능력을 보였다. 또한, 높은 광열 능력을 가진 소재로써 하이드로젤과의 하이브리드 시스템을 통해 페놀계 수용액을 완전히 정화할 수 있는 광열 수처리 분리막으로의 활용 가능함을 확인했다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?

폐수를 저비용, 고효율로 정화할 수 있기 때문에 페놀계 오염물질이 포함된 수질 정화 기술의 흡착 소재로써 활용될 것으로 기대된다.

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?

다공성 고분자 합성에 있어 가격 경쟁력이 우수하지만 뛰어난 흡착 능력을 보이기 위해서는 추가 산화 과정이 필요하기 때문에 시간이 오래 걸린다는 단점이 있다. 또한 흡착할 수 있는 오염물질의 다양성 측면에서 페놀계 분자를 제외한 오염물에 대한 흡착 가능성이 확인되지 않았다. 따라서, 합성 과정을 단일화할 수 있는 새로운 합성 방법을 설계하고 다양한 오염물질의 흡착 가능성을 확인하는 후속 연구가 진행될 필요가 있다.

Q. 연구를 시작한 계기는?

화학 산업의 급속한 발전으로 인해 수질오염이 가장 중요한 환경오염 주제로 강조되어오고 있다. 기존 탄소 기반 다공성 같은 경우 수질 정화를 위한 일반적인 흡착 재료이지만 오염 물질에 대한 흡착 속도가 충분히 빠르지 않고 재활용을 위해 에너지가 많이 필요하다는 제한이 있다. 때문에 오염물 제거에 있어 높은 효율과 우수한 재활용뿐만 아니라 경제성까지 만족하는 소재의 개발을 위해 시작하였다.

Q. 어떤 의미가 있는가?

본 연구 결과에서 가장 의미 있는 부분은 흡착 성질 및 광열 능력을 이용하여 다양한 크기의 페놀계 오염물질의 완전한 정화가 가능하다는 것이다. 이 연구는 재생 가능한 에너지인 태양광을 이용한 증발 공정을 통해 미세 오염 물질과 VOC를 신속하게 제거하기 위한 효과적인 전략을 제공할 수 있다는 점에서 의미가 크다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?

본 기술을 고도화하여 보다 정교한 흡착 소재를 제조하여 흡착에 의한 다양한 오염물 정화를 극대화시켜 상용화를 하는 것이 최종 목표이다.
 

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그림설명

[그림 1] 다공성 고분자의 흡착 및 광열 능력을 통한 수질 정화 

(그림설명) 폐놀계 혼합 오염 물질인 BPA (Bisphenol A), BPS (Bisphenol S), 2-NO (2-Naphthol) 및 페놀의 빠른 흡착 및 광열 분자 체질의 개략도. 페놀류 오염 물질들이 포함된 수용액에 다공성 고분자를 분산시키고 태양광에 의해 열을 낼 수 있는 다공성 고분자 수처리 분리막 시스템을 도입하여 오염물을 흡착 및 체질할 수 있다. 정화된 수용액은 식수로 사용할 수 있을 정도로 깨끗함을 보여주고 있다.

[그림 2] Advanced Materials 표지 논문 선정