화학과

환경오염물질 Cr(VI)의 효율적인 제거를 위한 2차원 나노뗏목 구조 합성

• 수용액상 크롬이온 제거는 여전히 난제
• 본 연구진은 2차원 나노구조에 주목
• 촉매특성이 높은 면을 임의로 노출시킨 나노선을 연결한 나노뗏목 구조 합성 성공
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가죽, 금속 연마, 합금 등 다양한 산업 공정에서 중금속의 환경오염은 커다란 환경 문제가 되고 있습니다. 특히, 산업폐수로 배출되는 크롬(Cr(VI) 및 Cr(III))은 물의 주요 오염물이 되며 심근세포 변성 및 암과 같은 무서운 건강 문제를 유발합니다. 따라서 폐수에서 Cr(VI)을 제거 후 방류하는 것은 필수적입니다.

지난 수십 년 동안 전기화학적 처리, 물리화학적 흡착, 이온 교환과 같은 화학적, 물리적 및 생물학적 제거 방법이 사용되었습니다. 상당한 노력과 엄청난 진전이 이미 이루어졌지만 대부분의 Cr(VI) 처리 방법의 실제 적용은 2차 오염, 운영 비용, 에너지 소비 및 제거 효율을 포함한 여러 단점으로 인해 여전히 난제입니다. 

본 실험실은 2차원 나노구조물질의 물리적 특징에 주목을 했습니다. 2차원 나노구조 물질은 표면적이 매우 높아 본래의 물리적/화학적 특징을 증강시킬 수 있는 잇점이 있습니다. 특히, 2차원(2D) 산화철-수산화철(FeOOH) 나노물질은 저렴하고 환경 친화적인 복합 재료로서 중금속 제거에 응용할 수 있는 유망한 재료입니다. 그러나 높은 흡착 용량과 우수한 내구성을 가진 2차원 구조 흡착제를 개발하는 것은 여전히 어려운 과제입니다. 

우휘 박사 (2020년 졸업, 現, 중국 푸단대학 박사후연구원)과 이재범 교수 (화학과/응용화학공학과) 연구진은 병렬로 정렬된 초박형 나노와이어로 구성된 폴리에틸렌이민(PEI)을 이용해 2D 나노 뗏목형 α-FeOOH 구조를 수열합성법을 통해 합성에 성공하였습니다. 

이 α-FeOOH 나노 뗏목구조는 다공성 구조를 가진 높은 표면적을 가지고 있어 물에서 Cr(VI) 이온을 선택적으로 포획하는 효율적인 능력을 가진 것을 확인하였습니다. 

게다가, Cr(VI) 흡착을 최적화 하기 위해 2D 나노구조체의 촉매특성이 높은 특정 결정면을 임의적으로 노출시켜 폐수에서 Cr(VI) 제거에 대해 경쟁력이 높혔습니다. 최대 흡착 용량은 67.1 mg/g이었고 제거 효율은 다섯 번째 주기에서 여전히 83.9 %를 유지했습니다.

본 연구는 한국연구재단 중견과제 지원을 받아 환경과학분야 상위 10% 저널인 Science of The Total Environment (Impact Factor: 10.754)에 출간되었습니다. (Science of The Total Environment, Volume 857, Part 2, 20 January 2023, 159446)