오염된 하천과 강물, 공장폐수 재활용 길 열려
오염된 하천과 강물 그리고 공장폐수를 재활용할 수 있는 길이 열렸다. 전기에너지를 이용해 질산염으로 오염된 폐수에서 바로 암모니아를 생산해낼 수 있는 전기촉매를 국내 연구진이 개발한 것이다.
한국과학기술원(KAIST) 신소재공학과 강정구 교수 연구팀은 전기를 이용해 저농도 질산염 수용액에서 암모니아를 생산할 수 있는 고효율 전기 촉매를 개발했다고 8일 밝혔다.
탄소 순환 못지않게 질소 순환도 중요한 문제다. 특히 질산염은 수질을 오염시키고, 산성비 그리고 미세먼지 생성 원인으로 꼽힌다. 반면 암모니아는 주로 농업용 비료, 플라스틱, 폭발물, 의약품, 선박용 청정원료, 수소 운반체, 암모니아 발전 등으로 유용하게 쓰이는 자원이다.
연구팀은 전기촉매제로 지구에 풍부하게 있으면서 비교적 저렴한 금속인 구리와 철, 니켈을 이용했다. 구리 폼(Cu foam)과 니켈-철 층상이중수산화물(NiFe Layered double hydroxide)의 복합체로 구성된 전기촉매는 질산염에서 암모니아를 직접 생산할 수 있다.
구리 폼은 질산염을 선택적으로 흡착하는 역할을 하고, 니켈-철 층상이중수산화물은 화학이나 생체반응을 통해 생성된 중간체 수소 라디칼을 구리 폼에 전달해 질산염이 암모니아로 바뀌도록 한다.
이 기술은 특히 기존 질산염 환원의 가장 큰 문제였던 저농도 질산염 수용액에서도 적용 가능했다. 하천이나 강물, 혹은 여러 질산염을 배출하는 저농도 폐수에서 암모니아를 생산할 수 있는 것이다.
현재 암모니아 생산은 대부분 '하버-보쉬 공정'을 통해 생산된다. 이 공정은 고온·고압 상태에서 진행되기 때문에 항상 안전문제를 갖고 있다. 또 값비싼 수소를 반응물로 이용하기 때문에 원가부담도 큰 편이다. 하지만 연구진이 개발한 이 기술을 이용하면 친환경적으로 암모니아를 생산할 수 있을 뿐만 아니라 원가부담도 낮아진다.
여기에 질산염에 오염된 하천이나 강물을 정화할 수 있는 대안도 생긴다. 연구진이 개발한 전기에너지를 이용한 질산염 환원법은 질소를 직접 전기환원시키는 질소 환원법보다 효율이 더 높은 것으로 확인됐다.
연구팀은 표면적이 넓은 구리 폼을 호스트로 사용해 저농도 질산염이 효율적으로 흡착될 수 있도록 했다. 구리 폼에 수소 라디칼 생성이 가능한 니켈-철 층상이중산화물을 포함하는 '구리 폼·니켈-철 층상이중수산화물' 복합체를 형성했는데, 니켈-철 층상이중수산화물의 전기전도도가 낮아 질산염 환원이 일어나는 전압에서 수소-수소 결합을 통한 수소(H2)를 생성하지 않고 효율적으로 수소 라디칼 (H)을 물로부터 만들 수 있었다.
강정구 교수는 "친환경적인 전기에너지를 이용해 질산염 환원법으로 암모니아를 생성하는 경우, 주로 메탄 리포밍을 통해 생산되는 값비싼 수소 기체를 이용하며 고온·고압의 반응 조건으로 유발되는 안전성 문제를 가진 하버-보쉬 공정을 대체할 수 있다ˮ며 "반응 자리와 수소 라디칼 자리가 분리된 촉매 구조를 통해 저농도 질산염에서도 효율적으로 암모니아를 생성할 수 있기 때문에 실제로 강물이나 하천, 공장 폐수에 포함돼 있는 질산염을 농축시키는 과정없이 바로 암모니아를 생산할 수 있어 질산염을 통한 암모니아 생산의 상용화에 이바지할 것ˮ이라고 기대했다.
과학기술정보통신부 나노 및 소재기술개발사업 미래기술연구실의 지원을 받아 수행된 이번 연구는 옥스퍼드대학교 김건한 박사가 제1저자로 참여했고, 같은학교 더모트 오헤어 교수가 공동으로 참여했다. 연구결과는 에너지 및 환경분야 국제학술지 '에너지 환경 과학(Energy & Environmental Science, IF 39.71) 1월 24일자 온라인에 게재됐다.
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