장민 교수(환경공학과) 연구팀, 플라즈마-광촉매 융합기술로 지하수 내 철·망간 동시 제거 및 제거 기작 규명

- Journal of Materials Chemistry A (JCR IF 9.2, JCR Rank: 17.4%) 과학전문지게재-

본교 환경공학과 장민 교수(교신저자) 연구팀의 윤소연 박사(제1저자), 종초은 연구교수 (공동 교신저자), 플라즈마바이오센터(PBRC) 최은하 교수(소장), 그리고 장민 교수(부소장, 교신저자)는 대기 플라즈마와 산화 세륨(CeO2) 광촉매를 결합한 플라즈마-광촉매(Plasma Photocatalysis, PPC) 기술을 개발하여 지하수 및 산성광산배수(Acid Mine Drainage, AMD) 내 철 이온(Fe(II))과 망간 이온(Mn(II))을 동시에 효율적으로 제거하고, 그 반응 기작을 상세히 규명하였다.

철과 망간은 대수층 광물에서 유래되어 지하수에 흔히 공존하는 용존 금속이온으로, 낮은 농도에서도 금속성 맛과 착색을 유발하는 대표적인 심미적 오염물질이다. 특히 망간은 만성 독성, 소아 신경발달장애, 파킨슨병과 유사한 신경계 질환을 유발할 수 있어 세계보건기구(WHO)는 먹는 물 중 망간 기준을 0.4 mg/L로 엄격히 규정하고 있다. 폭기, 침전, 여과, 이온교환, 생물학적 산화와 같은 기존 처리 기술은 비용 부담, 낮은 처리 효율, 높은 pH 조정 필요성 등의 한계를 가지고 있다.

특히 망간은 철에 비해 산화에 필요한 산화환원전위가 매우 높아 일반적인 산화 공정으로는 효과적인 제거가 어렵다. 화학시약 없이 오존(O3)과 과산화수소(H2O2) 등 산화성 물질을 생성하는 친환경 대기 유전체장벽방전(air dielectric-barrier-discharge, air-DBD) 플라즈마 기술 역시 철 제거에는 효과적이었으나, 망간 제거효율은 10~13%에 그쳐 실질적인 한계를 보였다.

이에 연구팀은 재사용이 가능한 입상 금속산화물 촉매(gCeO2)를 합성하고, 여기에 air-DBD 플라즈마와 LED 광원(400 nm)을 결합한 플라즈마-광촉매(PPC) 시스템을 세계 최초로 개발하였다. gCeO2는 풍부한 산소 공공(oxygen vacancy)과 우수한 Ce³⁺/Ce⁴⁺ 산화환원 특성을 가지고 있어, 광조사에 의해 생성된 전자(e⁻)와 정공(h⁺)이 플라즈마가 생성한 오존과 과산화수소를 활성화함으로써 반응성이 매우 높은 활성 산소종(ROS)을 추가로 생성할 수 있다.

개발된 PPC 시스템은 동일 조건에서 20분 이내 망간 제거율을 플라즈마 단독 처리 대비 10%에서 97%로 획기적으로 향상시켰고 철은 100% 제거를 유지하였으며, 5회 반복 실험에서도 뚜렷한 시너지 효과(초기 fsyn = 3.4, 5회 평균 fsyn = 2.3)를 안정적으로 나타내었다. 스캐빈저(scavenger) 실험과 전자스핀공명(ESR) 분석을 통한 반응기작 규명 결과, 철 제거는 광생성 정공(h⁺)과 과산화수소(H2O2)에 의한 직접 산화가 핵심적으로 기여하는 반면, 망간 제거는 광여기 전자(e⁻)에 의한 오존/과산화수소의 활성화를 통해 생성된 수산화라디칼(·OH) 및 단일항산소(¹O2) 등 비라디칼계 활성산소종이 주된 역할을 담당하는 것으로 확인되었다.

특히 XPS 및 SERS 분석을 통해, 촉매 표면의 Ce³⁺/Ce⁴⁺와 철·망간 이온 간에 일어나는 계면 산화환원 순환 반응이 촉매 표면에 금속 산화물이 침적된 이후에도 활성 부위를 지속적으로 재생시켜, 반복 사용 과정에서도 안정적인 처리 성능이 유지되는 것으로 밝혀졌다.

실제 현장 적용 가능성을 평가하기 위해 진행한 4시간 연속흐름 실험에서는 400 nm 파장의 LED 조사가 365 nm 조사 대비 장기 운전 안정성을 크게 향상시켜, 철·망간의 재용출 현상을 억제하고 WHO 먹는물 기준을 지속적으로 충족시켰다. 또한 PPC는 망간 제거에 있어 2,663 mg/kWh의 에너지 효율을 달성하여, 플라즈마 단독 처리(660 mg/kWh) 및 오존 처리(527 mg/kWh) 대비 월등히 높은 에너지 효율성을 입증하였다.

한편, 본 연구는 한국연구재단 교육부 지원 기초과학연구 지원사업(RS-2021-NR060112, RS-2024-00512818) 및 한국광해광업공단(KOMIR)의 지원, 그리고 2025년도 광운대학교 교내연구비 지원을 통해 수행되었으며, 2026년 6월 2일자 과학전문지인 Journal of Materials Chemistry A(IF: 9.2, JCR Q1)에 “Plasma-photocatalytic gCeO2 for selective Fe(II) and Mn(II) oxidation: charge-carrier-driven reactive oxygen species pathways”의 제목으로 게재되었다.

Web link: https://doi.org/10.1039/d6ta01527a