장민 교수 연구팀, 

지하수내 질산염의 ~100% 탈질을 위한 

소수성 황 담지 영가철 나노 소재 개발

- Chemical Engineering Journal (JCR IF 16.74, JCR Rank: 2.8%) 과학전문지 게재 -

본교 환경공학과 장민 교수(교신저자) 연구팀의 Choong Choe Earn 연구교수(제1저자), 윤소연 석박 통합 과정, Kien Tiek Wong 박사후연구원, 플라즈마바이오센터 최은하 교수, 그리고 장민 교수는 수중 질산염의 완벽한 탈질을 위한 황 담지 영가철 (S-nZVI)를 개발하고 그 질산염 제거 기작을 규명하였다.

(좌) Choong Choe Earn 연구교수, 윤소연 석박 통합 과정, Kien Tiek Wong 박사후 연구원, 최은하 교수, 장민 교수

농업과 산업 활동으로 인해, 해외 및 국내 많은 지하수원이 질산염인 NO3-로 오염되어 있다. 이러한 NO3-가 오염된 물의 이용은 인간과 수생 생태계에 잠재적인 위협이 될 수 있다. 질산염 지하수 처리 기술 중 nZVI는 강력한 환원 능력, 무독성 및 낮은 생산 비용으로 인해 유기 및 무기 오염 지하수의 현장 및 외부 처리를 위한 촉매 환원 물질로 적용될 수 있으나, 피복(passivation) 현상으로 nZVI 표면에 산화철(옥시수소) 층이 형성되면 대상 오염 물질에 대한 nZVI의 반응성이 크게 저감될 수 있다. 무산소 조건에서 nZVI를 사용한 질산염 환원은 양성자와 상호작용하는 nZVI의 높은 수분 이온화 능력으로 인해 주요 부산물이며 독성이 높은 NH4 (암모늄)의 고농도 발생을 초래할 수 있으며, nZVI 입자의 응집은 Van der Waals 인력과 nZVI 입자 사이의 정전기 이중층 반발에 의해 발생하여 처리 성능을 저하시킨다. 특히, 지하수 처리를 위해 nZVI를 주입시, 수중 nZVI의 질산염 환원의 안정성과 성능을 개선하는 것이 반드시 필요하다.

본 연구에서는 황 담지 영가철 (S-nZVI)를 두단계 환원 공정을 통해 제조되었으며 일반적인 지하수 환경인 무산소 조건에서 질산염 환원에 적용되었다. S-nZVI는 실제 질산염오염 지하수 처리시, nZVI 보다 질소 가스(N2)로의 질산염 환원에 탁월한 선택성을 나타냈다. 더욱이, 독성부산물인 NO2-와 NH4 의 형성이 S-nZVI의 황 원자에 의해 현저하게 억제되었고, 질산염 환원 동역학은 촉매의 소수성 특성과 강한 선형 상관관계를 나타냈다. 특히, S-nZVI가 nZVI에 비해 더 나은 전자 전달, 더 높은 부식 전위 및 더 적은 부동태화를 갖기 때문에 질산염의 N-O 결합 절단이 S-nZVI가 nZVI보다 유리하다는 기작을 발견하였다. S-nZVI 표면의 황 원자는 양성자와 물 분자의 흡착을 억제하여 수소 발생 반응을 지연시키고 질산염 환원의 선택성을 향상시킬 수 있었다. S-nZVI는 120일 동안 연속 상향류 컬럼 실험과 최대 125일 동안 대규모 현장 지하수 주입 시험에서 높은 질산염 제거 성능을 보여주어, 차후 S-nZVI가 현장 질산염 오염 지하수 처리의 기존 기술의 대안이 될 수 있다고 기대된다.

S-nZVI의 수중 NO3- 탈질 기작 및 HRTEM 이미지

본 연구는 한국연구재단 교육부 지원 및 과학 기술정보통신부 지원을 통한 기초과학연구 지원사업(2021R1A6A1A03038785)으로 수행되었고. 연구결과는 과학전문지인 Chemical Engineering Journal (IF: 16.744, JCR rank: 2.8%) 2022년 10월26일자 온라인 판에 “Hydrophobic sulfur core-shell layered metallic iron for nitrate reduction with nearly 100% dinitrogen selectivity: Mechanism and field studies”의 제목으로 게재되었다.

Web link : https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.140083