장민 교수(환경공학과) 연구팀, 금속-유기 골격체(MOF)의 배위 조정을 통한

수중 불소이온 흡착 성능 향상 및 고효율 La-MOF 흡착제 개발

- Chemical Engineering Journal (JCR IF 13.4, JCR Rank: 3.7%) 과학 전문지 게재 -

왼쪽부터 종초은 연구교수, 윤소연 박사, 유혜진 학부연구생(제1저자), 황건덕 박사, 장민 교수

본교 환경공학과 장민교수(교신저자) 연구팀의 유혜진 학부연구생(제1저자)(2025년 석박통합과정 입학 예정), 윤소연 박사, 황건덕 박사, 종초은 연구교수(공동 교신저자), 김민희 연구원(환경부), 윤여민 교수(이화여대), 그리고 장민 교수는 수중 불소 이온의 효과적인 제거를 위해 금속-유기골격체 (Metal-Organic Frameworks, MOFs)의 배위 조정(coordination tuning)을 가능하게 하여 La(Lanthanum), Zr(Zirconium), Ti(Titanium) 금속을 사용하여 BDC 기반의 MOF 흡착제를 합성하고, FTIR, XPS 및 in-situ Raman 분석을 통해 불소 제거 메커니즘을 구체적으로 규명하였다.

불소(F)는 자연적으로 불소 함유 암석과 퇴적물의 화학적 풍화 과정에서 용출되거나, 불소 화합물을 포함한 산업폐수 배출로 인해 국내외 지하수원에서 검출되고 있다. 불소는 적정 농도에서 (< 1.5 mg/L) 치아 건강에 이롭지만, 수중에 고농도로 존재할 경우 이를 섭취시 치아 및 골격 불소증, DNA 손상, 신경계 질환, 암을 유발할 수 있는 위험이 있다. 

따라서 세계보건기구(WHO)에서는 음용수 수질기준을 1.5 mg/L로 규정하여 제한하고 있다. 최근 산업폐수, 특히 반도체 제조공정에서 불산 (HF) 사용 증가로 반도체 폐수 및 산업폐수의 불소 오염도 심각해지면서 다양한 폐수 조건(농도, pH, 온도, 공존이온)에 적용할 수 있는 효과적인 불소 제거기술 개발이 필요하다. 흡착은 낮은 운영비용과 용이성으로 인해 전 세계적으로 수중 불소 제거를 위한 유망한 기술로 주목받고 있으나 실규모 수처리 공정 적용을 위해서는 흡착제의 우수한 불소 흡착 성능이 필수적이다. 기존의 흡착 공정에 주로 사용되는 활성탄, 활성 알루미나 등은 낮은 결합 친화도, 불소 제거성능, 선택성, 느린 흡착속도, 불충분한 재생 가능성과 같은 한계를 보이며, 이를 극복할 새로운 흡착제 개발이 요구되고 있다. 

금속-유기 골격체 (Metal Organic Frameworks, MOFs)는 금속이온과 유기 리간드를 용액 내에서 반응시켜 합성되는 하이브리드 결정공유구조로 높은 다공성, 큰 표면적, 조절 가능한 기공크기 및 기능화가 가능한 특성으로 수중 불소 제거를 위한 유망한 흡착제로 주목받고 있다. 따라서 본 연구에서는 La, Zr, Ti을 중심 금속으로 사용하여 테레프탈산(BDC) 기반 MOF를 합성하였으며, MOF 배위 환경을 조정함으로써 수중 불소 제거 성능을 향상시키는 새로운 접근법을 개발하였다.

장민 교수연구팀이 개발한 MOF 중 La를 중심 금속으로 BDC를 유기링커로 사용하여 합성된 La-BDC는 163.3 mg/g의 높은 불소 흡착 성능을 보였으며, Zr와 Ti를 각각 중심 금속으로 MOF를 합성한 UiO-66 (Zr-BDC, 70.7 mg/g)와 Ti-BDC (65.6 mg/g)의 경우보다 높은 제거 효율을 나타냈다. 이는 La-BDC의 경우 La(9배위)가 Zr(8배위)와 Ti(6배위) 보다 큰 금속이온 크기를 가지며, 더 높은 배위수를 형성해 유기 링커와의 상호작용이 증가하였음을 나타내고, FESEM 분석과 BET분석을 통해 배위 환경조정을 통해 결정 성장과 입자크기 및 기공크기에 영향을 주어 추가적인 불소 흡착사이트를 제공하였음을 나타낸다. FTIR, XPS, in-situ Raman 분석을 통해 La-O 부위에서의 정전기적 상호작용이 주요 불소 흡착 메커니즘임을 확인하였고 La-BDC는 경쟁적 음이온이 존재하는 환경에서도 뛰어난 불소 선택적 흡착 성능을 보였다. 

재생실험에서도 La-BDC는 0.01 M MgCl₂ 용액을 사용하여 5회 반복 재생 후에도 93.6%의 불소 제거 효율을 유지하며 높은 재사용 가능성을 입증하였고 pH 4.0~10.0의 넓은 범위에서도 안정적인 성능을 보였으며, 상향류 컬럼 실험에서도 La-BDC는 129 mg/g의 고효율의 흡착 성능을 보여주며 실제 적용 가능성을 확인했다. 경제성 평가결과, La-BDC는 불소 처리비용이 720.1 mg/F/$로, 기존에 널리 연구된 타 흡착제보다 높은 흡착 성능과 비용효율적인 해결책을 제공하는 것으로 분석되었다. 본 연구는 MOF의 배위 환경조정을 통해 수처리 기술의 효율성과 지속가능성을 개선할 수 있는 새로운 방안을 제시하였고 유망한 흡착제로 사용될 수 있을 것이라 기대된다.

한편 본 연구는 한국환경산업기술원 (RS-2023-00215807) 및 한국연구재단 (2021R1A6A1A03038785, 2023R1A2C1003464, RS-2024-00512818) 지원으로 수행되었으며, 2025년 2월 9일자 과학 전문지인 Chemical Engineering Journal (IF: 13.4, JCR rank: 3.7%)에 "Enhanced fluoride adsorption via coordination tuning in metal-organic frameworks"의 제목으로 출판 되었다.

Weblink: (https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.160451)

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