[살균과 최고 수준의 인산염 회수 능력, 환경보호와 자원 순환 동시 구현, 상하수도, 스마트팜, 산업단지 등에 저에너지 친환경 시스템으로 활용 기대]

 우리가 매일 사용한 물은 하수처리장에서 정화된 후 하천으로 방류되며, 최근 들어 물 부족 문제 해결을 위하여 생활, 산업 용수 등으로의 처리수 재이용이 확대되고 있다. 정화 과정에서는 다양한 유해 물질의 제거가 이루어지며, 그 중에는 녹조를 유발하는 ‘인(燐)’의 제거와 총대장균군(Total coliform)과 같은 미생물들의 살균도 포함된다. ‘인’은 비료, 세제, 가축 분뇨 등 생활 및 산업 폐기물에 포함된 필수 성분이지만, 물속에 남아 있으면 강이나 호수에서 녹조를 유발하는 원인이 된다.

 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 물자원순환연구단 최재우·조경진 박사 연구팀은 단시간에 인을 고효율로 회수하고, 동시에 유해 미생물을 살균할 수 있는 수 처리 신소재를 개발했다고 밝혔다. 개발된 소재는 물속 총대장균군을 효과적으로 살균하는 동시에, 녹조의 원인이 되는 인을 빠르게 제거·회수할 수 있는 이중 기능을 갖추고 있다. 회수된 인은 비료, 청관제, 세제 등 다양한 산업 소재로 재활용이 가능해, 단순 정화를 넘어 순환 경제 실현에도 기여할 수 있다.

 특히 연구팀은 ‘성게 모양’의 나노 구조를 활용해 세계 최고 수준의 인 회수 성능을 구현했다. 개발된 소재는 1kg당 약 1.1kg의 인산염을 단 5분 만에 회수할 수 있으며, 이는 기존 기술 대비 매우 빠르고 효율적인 수준이다.

 특히, 이번 기술은 전기 없이 작동 가능한 친환경 시스템으로 구성되어 있다. 외부에서 자석의 자기장을 활용해 소재의 움직임을 정밀하게 제어할 수 있어, 기존 수처리 기술 대비 소비되는 에너지를 99% 이상 절감할 수 있다. 또한, 이를 통해 탄소 배출과 에너지 비용을 줄일 수 있어, 물 부족과 기후 위기에 대응하는 유망한 대안 기술이 될 수 있다.

 개발된 신소재와 제어 기술은 하수처리장, 정수장, 축산 및 산업 폐수 처리 현장 등 다양한 수처리 환경에 적용 가능하다. 특히 인과 같은 영양염류 농도가 높은 산업·농업 현장에서 녹조 유발 물질 제거와 자원 회수를 동시에 달성할 수 있다. 또한, 이 기술은 살균 기능까지 갖추고 있어 안전한 수자원 확보에도 효과적이다. 별도의 전력이나 복잡한 설비 없이도 설치와 운영이 가능해, 에너지 인프라가 부족한 지역이나 농촌 지역에서도 활용이 용이하다.

 향후에는 휴대형 수처리 장치, 자연재해 대응용 응급 정화 시스템, 저개발국가용 이동식 설비 등으로도 확대 적용이 기대되며, 공공 상하수도 시스템은 물론 스마트팜, 정밀농업, 친환경 산업단지 등 다양한 친환경 기술 기반 산업 분야에서도 활용될 수 있다.

 KIST 최재우 박사는 “이번 연구는 인 제거와 미생물 살균이라는 두 공정을 하나로 통합한 데 의의가 있으며, 이를 통해 다양한 수질 환경에 적용 가능한 저에너지 수처리 솔루션을 제시할 수 있게 됐다”고 밝혔다. 함께 연구를 수행한 KIST 조경진 박사는 “염소 약품이나 전기 없이도 총대장균군을 효과적으로 살균할 수 있음을 보여준 점에서 의미가 있으며, 향후 에너지 절감형 살균 기술로 발전 가능할 수 있을 것”이라고 전망했다.

 제1저자 정영균 박사는 “이번 연구의 핵심은 성게 구조 소재로 인을 빠르게 회수하고, 자기장으로 물속 입자를 정밀 제어하는 공정을 구현한 것”이라며, “향후 다기능 수처리 시스템으로 확장 가능성이 크다”고 덧붙였다.

 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 우수신진연구 세종과학펠로우십사업(RS-2023-00209565) 등으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Advanced Composites and Hybrid Materials」 (IF 23.2, JCR 분야 1.4%) 최신 호에 게재됐다.

* (논문명) Electromagnetic-field-sensitive bridges based on urchin-like La/Cu-Fe3O4 nanocapsules for ultra-efficient phosphate recovery and water disinfection

[그림 1] 성게 모양 나노 입자의 제조 과정

자성 나노 입자 표면에 정전기적으로 금속(구리/희토류 금속)이온을 코팅하고, 코팅된 금속 이온들의 결정 핵 형성을 유도하여 표면에 수직 방향의 결정으로 성장을 유도하는 신기술

[그림 2] 성게 모양 나노 입자의 껍질 층상 구조

자성 나노 입자 표면의 층상 구조는 음이온(NO3- 및 물분자) 층과 금속 수산화층이 반복적인 구조로 되어 있으며, 금속수산화층은 hydrotalcite 구조를 지닌다. 즉, 구리/희토류 금속 이온을 중심으로 수산화 이온(OH-)이 팔면체 구조로 구성된다.

[그림 3] 성게 모양 나노 입자의 인산염 회수 원리

자성 나노 입자 표면 층상 구조에서 인산염이 회수되는 원리는, NO3- 및 물분자로 구성된 음이온 층이 인산염으로 채워지면서 회수가 된다. 이러한 원리는 층상 구조 사이와 용액 사이의 삼투압이 커질수록 촉진되기 때문에 인산염의 농도가 높은 오염수에 적용할수록 인산염 회수 용량이 높아진다는 특징이 있다.

[그림 4] KIST 개발 소재와 기존 개발된 문헌상의 인산염 회수 소재의 인산염 회수 용량과 회수에 걸리는 시간 비교

KIST 연구 결과는 지금까지 문헌에 보고된 대부분의 인산염 흡착 소재(금속-유기물 복합체, 금속 수산화물, 점토, 탄소 기반 물질들)와 비교했을 때, 인산염 회수 용량은 큰 폭으로 상회하는 결과를 얻었으며, 회수에 걸리는 시간이 5분으로, 굉장히 빠른 시간 내에 반응이 종료되므로 대용량 수처리 공정에 적용 가능성이 높다고 평가된다.

[그림 5] 자석을 활용한 나노소재 제어 장치

폐수가 유입되는 관 내부에 자성을 띄는 성게모양 소재(KIST 개발 소재)를 투입하고 관 외부에 자석을 활용해 자가 배열(self-assembly)을 유도한다. 배열된 성게모양 소재는 폐수 속 부유 고형물에 의해 오염되면, 자기장을 조절하여 쉽게 세정할 수도 있다.

[그림 6] 배열된 소재의 수투과 원리

배열된 자성 나노 입자는 유입되는 폐수와 함께 밀리다가 국부적으로 작용하는 압력에 의해 배열이 붕괴되고, 동시다발적으로 소재가 재배열하면서 효율적으로 물을 통과시킬 수 있다.

[그림 7] 배열된 소재의 총대장균군 살균 효율

자기장과 자성입자 자체로는 살균 효율이 거의 나타나지 않은 반면, KIST에서 개발한 성게모양 소재는 99% 이상의 살균 효율을 나타냈다.

[그림 8] 자석을 활용한 나노소재 제어 장치의 대규모 수처리 적용 방안

자석을 활용한 나노소재 제어 장치는 자석이 부착된 관을 여러 개 연결하는 방식으로 대면적화를 통한 수처리 용량을 높힐 수 있다. 부유 고형물로 인해 오염된 나노소재들은 자기장을 제어하는 간단한 공정으로 쉽게 세척이 가능하기 때문에 저에너지 기반 장기 운전이 가능하다.

[그림 9] 자석을 활용한 나노소재 제어 장치

KIST에서 개발한 자석을 활용한 나노소재 제어 수질 정화 장치