경북대학교(총장 허영우)는 김웅 환경공학과 교수팀이 철 기반 금속-유기 골격체(Fe-MOF)를 활용해 산업 폐수 속 유독성 염료를 효율적으로 제거하는 수처리 기술을 개발했다고 1일 밝혔다. 연구성과는 최근 수처리 분야 국제학술지 '디살리네이션(Desalination)'에 게재됐다.
산업폐수에 포함된 합성염료는 화학적으로 안정하고 생분해가 어려워 기존 수처리 공정만으로는 완벽히 제거하기 힘든 대표적인 난분해성 오염물질이다. 연구팀은 이를 해결할 차세대 소재로 Fe-MOF에 주목했다. Fe-MOF는 내부 표면적이 넓고 세밀한 구멍 구조를 지녀, 철의 산화·환원 및 촉매 특성을 이용해 오염물질을 흡착하고 동시에 분해할 수 있는 장점이 있다.
연구팀은 2020년부터 2025년까지 보고된 관련 연구를 종합적으로 검토해 Fe-MOF의 합성 기법과 구조적 특성이 염료 제거 성능에 미치는 상관 관계를 분석했다. 분석 결과, 염료 제거는 단순 흡착뿐만 아니라 광촉매 반응, 과황산염 활성화, 포토 펜톤(Photo-Fenton) 반응 등 복잡한 경로를 통해 이뤄지며, 이 과정에서 Fe-MOF 소재 내부의 철-산소 결합체(Fe-O 클러스터)와 기공 구조, 표면 특성 및 전자 구조 등이 염료 제거 성능에 중요한 영향을 미치는 것으로 나타났다.
또 반도체나 탄소 소재를 결합하거나, 결정 구조에 미세한 변화를 주는 방식으로 전자 흐름과 반응 부위의 접근성을 높여 소재의 안정성과 재사용성을 향상시킬 수 있음을 확인했다. 이를 통해 연구팀은 Fe-MOF가 단순한 흡착재를 넘어 오염물질의 포집과 분해를 동시에 수행하는 다기능성 수처리 소재로 발전할 가능성을 제시했다.
공동저자로 참여한 경북대 대학원 건설환경에너지공학부 비슈와짓 차브다(Vishwajit Chavda) 박사후연구원은 “실제 현장 적용을 위해서는 단일 염료를 쓴 인공 폐수 중심의 연구를 넘어 실제 산업 폐수를 통한 검증이 필요하다. 또 수중에서의 장기 안정성, 반복 사용 시 성능 저하 극복, 철 이온 용출 방지, 대량 생산 비용 절감 등도 해결해야 할 과제”라고 밝혔다.
김웅 교수는 “Fe-MOF는 오염물질을 흡착하는 동시에 촉매 반응을 통해 분해할 수 있다는 점에서 차세대 수처리 소재로서 잠재력이 크다. 이번 연구는 소재의 구조와 성능, 오염물질 제거 메커니즘, 실용화를 위한 과제를 통합적으로 분석했다는 데 의미가 있다. 향후 실제 산업폐수를 대상으로 안정성·재사용성·경제성을 검증한다면 지속가능한 고도수처리 기술로 발전할 수 있을 것이다.”라고 밝혔다.
이번 연구는 경북대 Powerful LAMP 우수 박사후연구원 연구지원사업, 교육부 4단계 BK21 사업, 대구시 앵커(지역성장 인재양성)사업 등의 지원을 받아 수행됐다.
한편, 김웅 경북대 교수는 사우디아라비아 킹사우드대 등과 국제 공동연구를 통해 폐수 속 유독성 유색 염료를 1시간내에 98% 이상 분해할수 있는 고효율 광촉매 기술을 개발한바 있다.
대구=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
