장민 교수(환경공학) 연구팀, 효과적인 수중 불소이온 제거를 위한 입상 MOF/산화 그래핀 흡착제 개발 및 제거 기작 규명

- Chemical Engineering Journal (JCR IF 15.1, JCR Rank: 3.5%) 과학전문지 게재 -

불소는 광물의 화학적 풍화작용 또는 불소화합물을 함유한 산업폐수 배출로 인해 국내는 물론 해외의 지하수원에서 다수 검출되고 있다. 낮은 농도의 불소 이온(< 1.5 mg/L)은 치아건강에 도움이 된다고 알려져 있지만 고농도로 함유된 물을 섭취할 경우 치아 및 골격 불소증(Fluorosis), 갑상선 장애, 신장 및 간 손상을 유발하고 체내 DNA 합성을 방해할 수 있다.

수중 불소 정화기술 중 흡착은 적은 운영비용 및 높은 제거효율, 그리고 조작 용이성으로 인해 세계적으로 널리 적용되고 있는 정화기술이다. 활성탄 또는 산화 그래핀(GO) 등 탄소 기반 흡착제들은 높은 표면적으로 인해 흡착공정에서 주로 사용되지만, 풍부한 산소 작용기로 인해 음전하를 띄는 불소 이온 흡착에는 적합하지 않다. 또, 분말 타입 흡착제의 경우 나노입자들 간 응집으로 활성 흡착 사이트가 줄어 제거효율이 떨어질 수 있으며, 물에 분산되어 처리 후 분리가 어렵기 때문에 실제 적용 및 스케일업 측면에 제한이 있다. 그로 인해 장민 교수 연구팀은 GO의 불소 선택성 및 제거효율을 높이고자 MOF 중 불소 선택성이 뛰어나다고 알려진 UIO-66와 GO를 폴리머인 폴리아크릴아마이드(PAM)와 폴리비닐 알코올(PVA)를 이용하여 입상화(granulation)를 진행해 복합 흡착제인 gGO-U-50을 개발했다.

장민 교수 연구팀이 개발한 UIO-66와GO의 복합재로 구성된 gGO-U-50은 102 mg g-1의 높은 불소 흡착성능을 보였으며, 분말 타입의 UIO-66의 불소 흡착성능(67mg g-1)보다 높은 불소 제거효율 및 시너지 효과를 나타냈다. 이는 UIO-66와 GO의 입상화에 사용된 PAM과 PVA가 추가적인 불소 흡착 사이트를 제공하였음을 보여주며, BET 분석과 FESEM 분석을 통해 폴리머를 이용한 입상화가 GO 시트의 적층을 완화하여 보다 높은 표면적을 가지게 했음을 보여준다. 개발된 gGO-U-50은 전반적인 pH에서 불소 제거효율이 높았고, 경쟁 음이온이 존재하는 조건에서도 높은 불소 선택성 및 흡착성능을 드러냈다. Time-lapse FTIR, XPS 분석 및 in-situ 라만 분석과 같은 디테일한 특성분석을 통해 gGO-U-50의 여러 표면 작용기 중에서도 UIO-66의 Zr-O 작용기가 주된 불소 흡착 사이트로 밝혀졌으며, 특히 전자 흡인 특성을 가지고 있는 Zr-O-C 결합이 정전기적으로 유리한 불소 흡착을 보인 것으로 나타났다. 또한 연속 상향류 컬럼실험에서 gGO-U-50은 6.18mg g-1의 불소 흡착성능을 보여 타 문헌에 보고된 입상 흡착제보다 뛰어난 불소 제거성능을 나타냈다. gGO-U-50은 실제 불소 오염수에서도 뛰어난 불소 제거성능과 높은 불소 흡착 선택성을 보여주어, 불소 오염 지하수의 정화에 있어 유망한 입상 흡착제로 사용될 것으로 기대된다.

한편, 본 연구는 한국연구재단 교육부 지원 및 과학 기술정보통신부 지원을 통한 기초과학연구 지원사업(2021R1A6A1A03038785) 및 한국환경산업기술원 (2020002470002 및 RS-2023-00215807)의 지원으로 수행됐으며, 2024년 4월 16일자 과학전문지인 Chemical Engineering Journal(IF: 15.1, JCR rank: 3.5%)에 ‘Preparation of granulated UIO-66/graphene oxide using polyacrylamide/polyvinyl alcohol for selective fluoride removal: Mechanism studies via in situ surface-enhanced raman spectroscopy analysis and continuous-flow column operation’의 제목으로 출판됐다. 웹링크는 다음과 같다. https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.151217

종초은 연구교수, 윤소연 석박통합과정 학생, 장민 교수(사진 왼쪽부터)