화학공학과 김종식 교수가 하·폐수, 환경호르몬 및 잔류의약품 등으로 오염된 수계를 정화하는 촉매를 개발했다. 개발한 촉매는 기존 상용화된 수산화 라디칼 또는 기개발된 라디칼 고정형 촉매 대비 3배 이상 뛰어난 분해 능력과 반영구적인 사용성을 보장한다. 사진 왼쪽부터 김민성 한국과학기술연구원 학연생(고려대학교 석박사통합과정), 김종식 교수

화학공학과 김종식 교수, 상용화된 수산화 라디칼 대비 분해 능력 3배 이상 뛰어난 염소 라디칼 고정형 신촉매 개발
반영구적 재사용 가능, 경제성까지 담보
“지금껏 시도된적 없는 라디칼 발생기작 구현, 수처리 촉매 상용화 기회까지 창출해”

화학공학과 김종식 교수 연구팀이 하·폐수, 환경호르몬, 잔류의약품 등의 수질오염을 유발하는 화합물을 라디칼(radical)로 산화분해하는 촉매를 개발했다. 연구팀이 개발한 염소 라디칼(Cl˙) 고정형 촉매는 기존 상용화된 수산화 라디칼(˙OH) 또는 기개발된 라디칼 고정형 촉매 대비 3배 이상 뛰어난 분해 능력 및 재사용성을 입증했다. 최근 지구 환경에 대한 경각심이 높아지는 가운데 깨끗한 수자원을 확보할 수 있는 원천기술이라 그 가치가 뛰어나다.

오염수 처리 효율 높이는 연구성과 연달아 제시해

국제 학술지 <Journal of Materials Chemisty>에 게재된 김종식 교수 연구팀의 표지 논문.

이번 연구 결과는 촉매 분야 저명 학술지 <Journal of Materials Chemistry (IF=14.511, JCR 7.143)>에 5월 8일(월)에 게재됐다. 논문은 과학적 우수성을 인정받아 표지 논문으로도 선정됐다. 이번 연구는 연구처의 미래선도 신진연구자 과제의 지원을 받았다. 김종식 교수는 “지금껏 시도된 적 없는 연구로 성과를 창출했고, 촉매 분야에서 인정받는 우수 학술지에 게재돼 뿌듯한 마음이다. 더 나아가 기술 상용화 기회까지 창출해 만족스러운 결과”라고 말했다.

김종식 교수는 촉매 계열 전문가로 특히 오염물질 정화와 관련된 성과를 꾸준히 도출하고 있다. 지난 1월에는 환경호르몬 처리 효율을 높이는 인산기 라디칼 고정형 신촉매를 개발했고, 이를 국제 학술지<Chemical Engineering Journal (IF=16.744, JCR 2.448)>에 게재하기도 했다. 당시 연구는 중견연구자 지원사업과 한국과학기술연구원 미래원천사업의 지원을 받았다. 김 교수는 “환경을 좋게 만드는 분야에 연구역량을 발현하도록 장려받았다. 또한, 개인적으로도 산업 현장과 국민에 실질적인 도움이 되는 연구를 진행하고 싶어 도전적인 분야를 택하게 됐다”고 설명했다.

폐수 정화는 역사가 깊어 광범위한 연구가 진행됐다. 또한 산업 현장에는 대용량의 오염수 처리시설이 마련돼 있다. 이러한 상황에서 새로운 오염수 처리를 위한 라디칼 발생용/고정형 신촉매를 개발하더라도 기존 응집제 기반 처리시설 또는 비촉매 기반 라디칼 발생용 처리시설을 완벽하게 대체하긴 다소 도전적이다. 김종식 교수는 “현재 상황은 위기이자 기회였다”고 진단했다. 산업 현장의 기존 오염수 처리장비에 호환이 가능한 효율적인 라디칼 발생용/고정형 신촉매를 접합하면 기존 오염수 처리시설의 효율을 뛰어넘을 수 있기 때문이다.

기존 라디칼과 염소 촉매 라디칼 간의 의약품 분해효율 비교.

염소라디칼 고정형 촉매로 기존 오염수 처리 촉매 단점 극복, 3배 이상 뛰어난 성능 보여
기존 오염수 처리 과정에서는 라디칼을 이용해 물속에 있는 난분해성 유기물을 분해한다. 라디칼은 산화제의 일종으로 물에 잘 분해되지 않는 오염물을 산화 분해한다. 하지만, 상용화된 수산화 라디칼은 높은 유기물 분해 능력을 보이지만, 일회성이고, 유기물을 비선택적으로 분해한다는 단점이 있다. 또한, 수산화 라디칼이 분해해야 할 유기물의 일부가 되는 ‘비라디칼’ 현상을 방지하기 위해, 라디칼 전구체인 과산화수소(H2O2)를 지속 공급해야 했다.

김종식 교수 연구팀은 염소 음이온(Cl-)을 라디칼 전구체로 활용해 기존 단점을 해결했다. 그동안 염소 라디칼은 ˙OH에 필적하는 산화력과 ˙OH 대비 긴 수명을 가졌음에도 라디칼 구현 조건이 까다로워 연구 주제로 거의 다뤄지지 않았다. 염소 라디칼을 발생시키기 위하여 건강에 해로운 UV 라이트를 비추고, 수계의 pH를 정밀히 조정해야 했다.

염소 라디칼 구현을 돕기 위해 염소 음이온을 금속-유기 골격체(Metal-Organic Framework, 이하 MOF)에 분자 단위로 고립시켰다. MOF 합성에는 연구 제1저자인 김민성 연구원(한국과학기술연구원 학연생, 고려대학교 석박사통합과정)의 활약이 주요했다. 김민성 연구원은 염소 라디칼 발생 반응을 일으키는 기작 전환 규명에 핵심적인 역할을 진행했다. 김민성 연구원은 “지금껏 진행한 연구 주제 중 가장 많이 고민했고, 그만큼 힘든 주제였다. 그런 만큼 개인적으로 더 감명 깊은 연구성과”라고 말했다.

MOF에 고정된 염소 라디칼은 수산화 라디칼의 고질적인 문제인 비라디칼 현상을 완벽히 해결했다. 또한, MOF에 고정된 염소 라디칼은 추가적인 염소 라디칼 전구체 투입 없이도 재사용이 가능해 오염수 처리 비용 절감 효과도 우수했다. 김종식 교수는 “촉매 표면에 고정된 라디칼을 이용해 오염수를 처리하면 기존 처리시설 대비 초기비용은 클 수 있으나, 반영구적인 재사용이 가능하므로 단시간 내 비용 회수가 가능하다”고 강조했다. 실험 결과 검증은 육군사관학교 물리화학과 정근홍 교수가 담당했다. 정근홍 교수는 계산기법(DFT)을 활용했다.

“산업 현장에 적용할 수 있도록 노력할 것”
개발한 촉매는 공장 하·폐수 정화 외에도 하수 처리장, 페놀류, 환경호르몬, 잔류의약품 처리 등 수처리를 요하는 다양한 산업 분야에 적용될 수 있다. 김종식 교수는 “난분해성 유기물은 라디칼을 이용한 분해를 반복해도 제거하기 힘든 물질이다. 개발한 라디칼을 활용해 물질을 분해하면 수질오염 저감에 공헌할 수 있을 것”이라고 전망했다.

기술 실용화까지 관문이 남아있다. 수처리 과정에 있어 기술 도입의 관건은 촉매의 경제성이다. 김종식 교수 연구팀은 산업 현장의 수요에 맞춘 연구도 진행하고 있다. 김종식 교수는 “과학적인 우수성은 논문 게재 성과를 통하여 증명했다”며 “라디칼 연구를 진행하며 축적된 노하우와 핵심 기술을 확보한 만큼 앞으로 촉매에 염소 라디칼의 양을 높여 수처리 효율을 높이는 연구를 수행해 기존 처리설비 대비 가격 우위를 꾀할 계획”이라고 향후 목표를 밝혔다.

김종식 교수 연구팀은 개발한 촉매 상용화를 위한 연구에 나설 계획이다. 김 교수는 “연구적인 우수성은 결과를 통해 증명했다. 앞으로 보유한 노하우와 핵심 기술을 바탕으로 가격 우위를 꾀하는 연구를 진행할 것”이라고 밝혔다.

※ 관련 정보 보기
김종식 교수 연구실
김종식 교수 연구자 정보

글 김율립 yulrip@khu.ac.kr
사진 정병성 pr@khu.ac.kr

ⓒ 경희대학교 커뮤니케이션센터 communication@khu.ac.kr