해외신기술
처리된 폐수 미세오염물질 포획·분해 화학물질 개발
중국 다롄기술대학 연구진, 포획 후 KMnO4 이용 오염물질 분해
초기단계로 실용화 위해 기술·비용·환경·건강문제 해결이 과제
최근 폐수처리장을 이탈하기 전 미세오염물질을 포획하는 방안이 개발됐다. 연구진은 시클로덱스트린 고분자(cyclodextrin polymer)에 오염물질을 포획하고 이후 과망간산칼륨(potassium permanganate, KMnO4)을 이용하여 오염물질을 분해하는 방안을 제안했다.
미세오염물질(micropollutants)을 제거하는 현재의 방법은 분말 형태의 활성탄 위에 미세오염물질을 흡착하는 공정을 포함한다. 이후 활성탄 위에 흡착된 미세오염물질은 폐수로부터 분리되어 연소된다. 그러나 이 공정은 폐수에 풍부한 자연적인 유기물이 분말 위에 흡착되기 때문에 고가의 비용이 소요될 수 있어 많은 활성탄이 처리공정에서 소비될 수 있다는 것을 의미한다. 다른 방법으로 오존처리로 산화를 통해 화합물을 분해하는 방법이 있지만, 포름알데히드를 포함한 유해한 부산물을 생성할 수 있다.
중국 다롄기술대학(Dalian University of Technology) 소속의 Xiyun Cai와 동료 연구진은 독성부산물의 생성을 제한하는 한편, 미세오염물질을 목표로 포획하는 2단계의 방법을 고안했다. 첫 단계에서 연구진은 흡착제(adsorbent)로 에피클로로히드린(epichlorohydrin)이 교차되어 있는 시클로덱스트린(cyclodextrin)으로 만들어진 불용성 고분자를 사용했다. 전분에서 유래한 시클로덱스트린은 작은 소수성 유기화합물을 선택적으로 포획한다. 도넛 형태의 시클로덱스트린은 활성탄을 막는 더 큰 유기물질을 제외시키는 한편, 미세오염물질을 둘러쌀 수 있는 소수성 구멍(hydrophobic cavity)을 가진다.
두 번째 단계에서 연구진은 이산화탄소, 물 및 유기산(organic acids) 등과 같은 덜 유해한 구성 원소로 포획된 화학물질을 분해시키기 위하여, 폐수 처리에 일반적으로 사용되는 산화제로 KMnO4를 적용했다. 연구진은 가능한 내분비 교란 물질(endocrine disruptor)인 난연제인 TBBPA(tetrabromobisphenol A) 또는 13개의 다른 항생제 중 하나를 각각 폐수에서 농도 범위를 대표하는 50ng/L와 50㎍/L 농도를 함유하는 증류수 또는 호수의 물 시료에 대해 시험했다.
시클로덱스트린 고분자를 포함하는 용액을 10시간 동안 흔든 후, 시클로덱스트린을 여과해 이중질량분석법(tandem mass spectrometry)을 구비한 고성능 액체 크로마토그리피를 이용하여 남아 있는 오염물질에 대한 여과액(filtrate)을 분석했다. 연구진은 시클로덱스트린이 94%의 TBBPA와 12∼79%의 항생제를 4시간 이내에 흡착했으며, 폐수에서 발견되는 수준에서 칼슘, 마그네슘 및 용존 유기물(dissolved organic matter) 등을 함유하는 물을 시험했을 때와 유사한 결과를 얻었다. 이는 흡착이 방해되지 않았다는 것을 의미한다.
이후 다양한 농도에서 KMnO4와 오염물질을 흡착하고 있는 시클로덱스트린을 배양하여, 시클로덱스트린을 회수하고, HPLC-MS/MS를 이용하여 분석하기 전 메탄올을 이용하여 시클로덱스트린을 추출했다. 100-μmol/L의 KMnO4 처리는 2시간 이내에 흡착된 오염물질의 91% 이상을 분해했다.
시클로덱스트린에 의한 제거 효율이 특정 화합물에 대하여 낮아진다고 하더라도, 미세 오염물질에 대한 다른 개선된 처리 방법의 효율에 필적하는 것이라고 Cai는 밝혔다. 시클로덱스트린 고분자는 재활용이 가능하고, 시클로덱스트린 고분자와 KMnO4는 저렴하다. 결합된 방법이 수많은 살충제, 약품, 개인위생 용품 및 유기 용매 등을 포함하는 KMnO4 산화에 의해 분해될 수 있는 특정 유기 미세오염물질을 목표로 할 수 있다고 덧붙였다.
카네기 멜론 대학(Carnegie Mellon University) 산하 녹색과학연구소 책임자인 Terrence J. Collins는 이 연구에 강한 흥미를 표했다. 그러나 개발이 아직 초기단계에 머물러 실생활 가능성에 도달하기 위해서는 기술, 비용 및 환경·건강문제 등을 해결해야 한다고 말했다.
[출처 = KISTI 미리안(http://mirian.kisti.re.kr) 『최신 모니터링정보』 2015년 7월 31일 /
원문출처 =http://cen.acs.org/articles/93/web/2015/07/Chemical-Combo-Captures-Destroys-Micropollutants.html]
[『워터저널』 2015년 9월호에 게재]