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폐수 속 골칫덩이 발암물질, 나노고분자로 잡는다

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2018년 10월 15일 00:01 프린트하기

KIST 연구팀이 6가 크롬이 들어있는 노란색 수용액에 가루 형태의 고분자 ′폴리피롤′을 첨가해 6가 크롬을 제거하고 있다. -사진 제공 KIST
KIST 연구팀이 6가 크롬이 들어있는 노란색 수용액에 가루 형태의 고분자 '폴리피롤'을 첨가해 6가 크롬을 제거하고 있다. -사진 제공 KIST

국내 연구진이 인체에 치명적인 피해를 일으킬 수 있는 1급 발암물질인 ‘6가 크롬(Cr6+)’ 화합물을 효과적으로 제거할 수 있는 기술을 개발했다.


고영진 한국과학기술연구원(KIST) 전자재료연구단 선임연구원과 고영진 책임연구원, 최재우 물자원순환연구단 책임연구원팀은 질소가 함유된 고분자 나노 물질을 이용해 폐수 속 6가 크롬 화합물을 빨아들이고, 인체에 해가 적은 물질로 변환시키는 기술을 개발해 국제학술지 ‘워터 리서치(Water Research)’ 11월호 온라인판에 발표했다.


6가 크롬 화합물은 부식이나 열에 강하고 전기 저항성이 높아 도금이나 염색, 가죽 제조 등 다양한 산업에 쓰이고 있다. 하지만 피부에 노출되면 피부염을 일으키고, 신장이나 골수 등에 장기간 농축될 경우 세포 조직을 손상시키거나 DNA에 변이를 일으키는 등 피해가 크다.

 

지금까지는 6가 크롬 화합물을 제거할 때 폐수를 가열해 수분을 증발시켜 6가 크롬을 농축하는 방법을 써 왔다. 하지만 비용과 에너지가 많이 들고, 처리 뒤에도 6가 크롬이 포함된 고농도 폐기물(슬러지)이 남는다는 단점이 있었다.


연구팀은 이 문제를 해결하고자 고분자를 이용해 6가 크롬을 해가 덜한 물질로 변환해 빨아들이는 방법을 구상했다.  전기가 잘 통하는 고분자로 연료전지와 인공근육, 약물전달체 등에 활용될 것으로 기대되는 ‘폴리피롤’을 준비한 뒤, 가루로 만들어 폐수에 주입했다. 그 결과, 알약 1개 무게인 10mg의 폴리피롤 만으로 종이컵 4분의 1 분량의 폐수에 담긴 10ppm 농도의 6가 크롬을 99% 이상 제거할 수 있다는 사실을 확인했다. 폴리피롤 양을 늘리면 제거 능력도 커졌다.

 

연구팀이 이용한 폴리피롤의 구조(a). 검은색이 탄소고 파란색이 질소, 노란색이 수소다. 폴리피롤이 6가 크롬을 만나면 수소를 잃고(산화, b), 이어 6가 크롬을 해가 덜한 3가 크롬으로 변환시킨 뒤 질소와의 공유결합을 통해 제거한다(d). 또 폴리피롤이 직접 6가 크롬 화합물과 수소결합을 해 흡착되기도 한다(c). - 사진 제공 Water Research
연구팀이 이용한 폴리피롤의 구조(a). 검은색이 탄소고 파란색이 질소, 노란색이 수소다. 폴리피롤이 6가 크롬을 만나면 수소를 잃고(산화, b), 이어 6가 크롬을 해가 덜한 3가 크롬으로 변환시킨 뒤 질소와의 공유결합을 통해 제거한다(d). 또 폴리피롤이 직접 6가 크롬 화합물과 수소결합을 해 흡착되기도 한다(c). - 사진 제공 Water Research

원리는 두 가지였다. 폴리피롤에 포함된 질소가 산화반응을 일으키며(수소 원자 및 전자를 잃는다. 원래는 폴리피롤 대신 알코올을 넣으면 알코올이 카르복실산 등으로 산화하는 '존스 산화'다. 위 그림 b) 폐수 속 6가 크롬을 환원시켰다(전자를 갖게 했다). 그 결과 6가 크롬이 독성이 적은 3가 크롬으로 변했다. 폴리피롤은 이렇게 만들어진 3가 크롬을 빨아들여(공유결합을 형성한다) 물에서 제거했다(흡착, 위 그림 d). 연구팀은 이 과정이 폐수가 산성일수록(즉 수소이온동도(pH)가 낮을수록) 잘 일어난다는 사실도 확인했다.

 

두 번째는 6가 크롬 화합물의 산소와 질소가 '수소결합'이라는 화학적 결합을 형성해 빨아들이는 과정에서 일어났다. 역시 물 속 6가 크롬이 고분자에 붙어 제거되는 식이다(위 그림 c).


최재우 책임연구원은 “실제 현장에서 적용하기 좋은 형태의 물질을 후속 연구로 개발해 저비용 폐수 정화 시스템을 만들 것”이라고 말했다.

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