광촉매의 사업화 3

볍씨 소독 폐수 처리, 의료 분야, 수송 분야, 섬유, 의류 분야, 축산 분야에 어떻게 광촉매가 사용되는지 알아보자.

 

• 볍씨 소독 폐수 처리

광촉매를 농업에 응용하는 예로 종자를 소독할 때 발생하는 폐수 처리에 적용하는 것이다. 종자를 사용하기 전에 병해충 방제 목적으로 농약에 의한 소독처리를 한다. 이 소독 후의 농약 폐수는 적절하게 처리되어져야 하는데 현재는 활성탄 등의 흡착제에 흡착시킨 후 응고제를 첨가하고 여과한 다음 남는 물질을 건조시켜 산업폐기물 업자에게 넘기는 방법으로 처리되고 있다. 그러나 이 방법은 많은 노력을 필요로 하고 또 산업폐기물을 배출하기 때문에 보다 간편하며 환경에 친화적인 방법의 개발이 요구되었다.

실험 장치로는 산화티탄 광촉매를 담지한 세라믹 판을 바닥에 얇게 깐 얕은 용기뿐이다. 이 용기에 소독 후의 폐수를 넣고 태양광 조건에 놓아둔다. 실험에 사용한 농약은 일반적으로 사용하는 살충제(페니트로티온)와 살균제(입코나졸)이다. 그리고 약 1주일간 태양광 조건에서 광촉매 처리하여 농약이 검출 한계 이하의 농도로 내려가는 것을 확인하였다. 농약이 분해되어 중간 생성물이 생성될 수도 있으므로 폐수처리 후 물 속의 전체 유기탄소량를 분석한 결과. 역시 1주일에 수 ppm까지 농도가 낮아지는 것이 확인되어 중간 생성물의 축적없이 신속하게 이산화탄소까지 산화분해되는 것을 알았다.

이와 같이 광촉매와 태양광을 이용하여 산업폐기물을 배출하지 않는 환경친화적이면서 간단하게 농약 폐수를 처리할 수 있다. 이 시스템에 적합한 광촉매를 토팅한 매트로 되어 잇는 광촉매 유닛에 농약 폐수를 담그면 무해화되는데 태양광을 쪼여줌으로써 농약을 분해, 정화할 수 있다.

농업분야는 태양광 덕분에 농산물을 얻을 수 있다. 또한 광촉매는 태양광을 이용하여 그 능력을 발휘한다. 어느 쪽이든 태양광을 이용하기 때문에 환경에 부담을 주지 않는다는 공통점이 있으며, 광촉매 응용분야로 농업분야는 매우 적절한 분야라 할 수 있다.

광촉매가 앞으로 농업 분야에서 더 많이 이용되리라 기대된다.

 

• 의료 분야- 카테테르에 응용

광촉매는 산화분해력이 뛰어나면서도 인체에 독성이 없어 의료 분야로의 응용이 시도되고 있다. 그 중 하나가 카테테르에 응용하는 것이다. 카테테르란 환자의 체내에 주입하여 체내의 액체를 배출하거나 약을 주입하는데 사용하는 고무로 된 튜브 의료 기구이다. 재질은 주로 실리콘 고무가 사용되고 있다.

의료 기구는 환자나 환부에 직접 닿기 때문에 그 안전 위생 관리가 특히 중요하다. 카테테르는 세균이 카테테를 통해 환자의 체내에 들어가 원내감염을 일으킬 위험성이 있다. 또한 재생형 카테테르는 소독액 중에 보관하여야 하며 1회용 카테테르의 경우는 경제적, 환경파괴 등 분제점이 지적되고 있다.

광촉매에는 항균성, 방오성이 있으므로 이 작용으로 카테테르가 가지정화된다면 외부로부터 카테테르를 통한 감염을 막을 수 있으며, 소독액도 줄이고 환자가 주입할 교환 횟수도 줄일 수 있을 것이다. 산화티탄 광촉매가 화학적으로 안정하며 생체반응이 적고 안전하다는 점은 큰 장점이다.

카테테르에 광촉매를 으용하는 기술적 과제는 실리콘 고무 같은 탄성재료에 어떻게 균일하고 견고한 산화티탄 코팅을 하느냐 이다. 이 과제에 대해 여러 시험 결과 딥-코팅법과 산처리를 조합하여 견고하고 균일한 산화티탄 박막을 만들 수 있었다. 카테테르는 구부리거나 잡아당기면서 사용하는데 이런 작업에도 산화티탄 광촉매 박막은 견고하게 유지하고 있다.

또 체네에 카테테르를 주입한 상태에서 장기간 사용할 때는 자외선을 쪼여주는 것이 곤란하기 때문에 항균효과를 지속시킬 필요가 있다. 이에 대해 카테테르에 먼저 산화티탄 광촉매를 코팅해주고 이 광촉매의 산화 환원 반응을 이용하여 항균금속인 은을 카테테르 표면에 미세한 입자 모양으로 담지시켜 빛이 닿지 않는 체내에서도 항균효과를 발휘할 수 있게 하였다.

요도 카테테르를 실제 환자에 사용한 임상실험이 실시되고 있다. 이 기술은 폭넓게 의료용 튜브나 카테테르에 응용할 수 있어서 의료의 질 향상에 공헌하리라 기대된다.

 

• 의료 분야- 암세포 치료에 응용

암은 신진대사의 조절기능이 제대로 이루어지지 않아 세포가 폭주하여 무질서, 무제한으로 번식하는 병이다. 일본인의 3대 사망원인은 암, 심근경색, 뇌졸중이라고 하는데 그 가운데서도 암은 사망 원인 1위로 전체의 30%를 차지하고 있다. 즉 일본인 3명 중 1명이 암으로 목숨을 잃고 있다. 이렇게 무서운 병을 극복하여 사람이 건강하게 생활할 수 있도록 수술요법, 방사선요법, 화학요법, 면역요법, 온열요법 등 여러 가지 암치료법이 개발되고 있다.

여기에 적용할 수 있는 것이 광촉메 의한 항균작용이다. 1000럭스 정도의 책상 위나 수술실 정도 밝기의 빛이 있으면 광촉매 작용으로 대장균이나 포도상구균 등 세균을 사멸시킬 수 있다.

최근 산화티탄 박막 위에 힐러셀이라는 전형적인 암세포를 심은 후 자외선 조사에 의해 암세포가 어떻게 되는가를 조사하였다. 그 결과 자외선 조사에 의해 암세포가 완전히 죽는다는 것을 확인하였다.

다음으로 암세포를 심은 누드마우스의 환부에 산화티탄 초미립자를 주입하고 자와선을 조사한 결과, 자외선을 조사하지 않은 부위에 비해 암세포 번식이 현저하게 억제되었다.

산화티탄은 화학적으로 안정하며 무독의 물질이다. 그러므로 세포막에 주입한 산회타탄 미립자가 인체에 남아도 문제되지 않는다고 생각한다. 또한 자외선을 조사하였을 때만 반응을 일으키기 때문에 용이하게 반응을 조절할 수 있는 방법이라 할 수 있다.

최근 X선 조사에 의해 산화티탄이 광촉매 작용을 발휘하는 내용이 보고된 바 있다. 기존의 방사선 요법과 광촉매를 이용한 치료를 병행하는 새로운 암치료 방법에 대한 기대가 높아지고 있다.

 

• 수송 분야에 응용

과일, 생선, 꽃 등의 신선 상품에 수송할 때 가장 중요한 것은 어떻게 신선도를 유지할 것인가이다. 과일 등은 자신의 호흡으로 방출한 에틸렌 가스에 의해 신선도가 현저하게 떨어지며 그 외에도 공기 중의 곰팡이나 균류에 의해 부패가 진행한다. 또한 수송 컨테이너 내에 상품의 냄새가 스며들어 버리는 문제도 있었다.

그래서 광촉매 장치가 달린 항공 컨테이너를 개발하였다. 광촉매를 코팅한 다공질 세라믹 필터와 자외선램프를 조합한 공기정화 장치에 의해 에틸렌 가스, 부유균, 악취를 분해하여 신선도를 유지하는 것이다. 먼저 이 장치를 탑재한 화물용 항공 컨테이너로 신선도 유지가 어렵다는 아주 잘익은 딸기의 수송을 시작하였다. 이어서 냉장 컨테이너의 체리 수송에도 채용되었으며 또한 대형 10톤 트럭용으로 대용량 장치도 개발되어 지상 수송 분야에도 이용되고 있다. 이 방법으로 운반한 상품의 마크도 만들어 새로운 부가가치 상품으로 아시아를 겨냥한 고급품의 딸기, 메론, 체리, 복숭아, 사과 등의 수송에 확산되고 있다.

또한 신선도 유지가 어렵다고 알려진 꽃은 바켓 수송이 주류였는데 짐을 실은 부분에 발광다이오드를 부착한 트럭의 광촉매 바켓 수송의 테스트도 시작되었다. 시장에 운반하는 동안, 산지와 똑같은 일조 상황을 라이트로 재현하고 짐 실은 곳 온도를 관리하여 생육환경을 맞추는 것으로 신선도, 품질을 유지 한다. 보통 바켓의 물에 사용하는 약제가 이 방법에서는 필요하지 않아 환경친화적인 유통방법으로도 주목받고 있다. 점포 도착 후에는 플라워 저장고 내에 광촉매 장치를 설치하여 에틸렌 가스나 부유 잡균을 정화하여 신선도를 유지한다. 가스 발생이 많은 카네이션이나 장미 등에 특히 효과적이다.

지금까지는 수송용 완충재로 발포스티롤이 이용되었는데 깨지기 쉽다. 더러워진다 등의 문제가 지적되었다. 최근에는 내구성이 좋은 보드가 개발되어 여기에 광촉매를 코팅하여 방오, 항균 효과까지도 부가되었다. 몇 번이고 계속해서 사용할 수 있으므로 자원이나 경비 낭비를 크게 막을 수 있다.

 

• 섬유, 의류 분야에 응용

자외선은 햇볕에 타는 현상이나 기미의 원인으로 알려져 있다. UV 차단 가공 의료품이 많이 있다. 이들 상품은 자외선을 흡수하거나 반사에 의해 자외선을 차단하여 피부에는 도달하지 않도록 가공되었다.

광촉매를 가공한 섬유는 자외선을 흡수할 뿐만 아니라 그 자외선에 의해 광촉매 기능이 활성화되어, 땀이나 식품 등의 유기물 오염물 분해, 실내에서 건조할 때 잡균의 항균 성능, 땀, 방안 냄새, 배설물 냄새 제거, 새집증후군이나 알레르기 물질의 분해와 같은 효과를 얻을 수 있다.

그러나 섬유 그 자체에 가공하는 방법은 광촉매의 높은 분해 성능에 의해 섬유 자체나 염료가 분해된다는 결점이 있었다. 그래서 개선책의 하나로 광촉매 입자의 표면을 아파타이트 등으로 부분적으로 피복하여 광촉매와 섬유가 직접 접촉하지 않도록 가공하는 방법이 제안되었다. 아파타이트는 무기물이므로 광촉매에 의해 분해되지 않을 뿐 아니라 단백질이나 물질의 흡착력이 뛰어나 세균이나 바이러스 등도 대량 흡착할 수 있다고 알려져 있다. 아파타이트에서 흡착하면 광촉매에 의해 효과적으로 오염물을 분해할 수 있다. 이 밖에 실리카를 이용한 방법도 있다.

바인더를 사용하는 방법도 있다. 바인더는 광촉매와 섬유의 직접 접촉을 중이면서 의류에 광촉매를 고정하는 작용도 있다. 보통의 유기 바인더는 광촉매가 분해해버리지만 다공질 규산염 등의 무기 바인더나 복잡한 분자 구조를 갖는 특수한 유기 바인더는 분해되지 않으므로 섬유에 광촉매를 고정시키느데 효과적이다.

세탁 후 효과의 지속성에 대해서는 각 회사의 내세탁성 시험에 의해 보통 제품과 비슷한 정도의 세탁 횟수에서도 광촉매 효과가 유지된다는 결과가 나와 있다.

광촉매가 각 방면에서 활용되는 가운데 업계에서의 항균성에 관한 통일된 기준을 설정한 것은 제품의 적정한 평가 및 안전성을 높여 소비자의 신뢰도를 향상시킬 수 있으리라 기대된다.

 

• 축산 분야에 응용

축산업에서는 축사나 퇴비사에서 대량으로 악취가 발생하기 때문에 민우너의 절반 이상이 악취와 관련한 것이다. 발생하는 악취는 축사에서 발생하는 저급 지방산이나 퇴비사에서 나오는 고농도 암모니아 등으로 모두 아주 강한 악취이다.

지금까지는 이것을 해결하기 위하여 퇴비화, 오염수 정화, 탈취 기술이 별도로 검토되어 축산농가는 각각의 설비를 도입하여야만 하였다. 최근 산화티탄 광촉매의 항균, 탈취 효과를 이용한 축산 악취탈취시스템 연구가 이루어지고 있다. 축산 악취는 농도가 진하면서 대량이기 때문에 미생물 탈취로 전처리한 다음 미량으로도 강력한 잔류 악취물질을 산화티탄 광촉매로 제거하는 시도이다. 여기에 흡착제로 활성탄 필터 등과 조합하여 처리능력을 한층 더 높여 완전히 악취를 제거하는 연구도 진행되고 있다.

한편 축산에서는 오염수도 배출되고 있다. 지금까지의 활성오니 등으로 처리하고 있는데 환경기준을 넘기지 않는다 하여도 배수는 진한 갈색으로 적은 비용의 효율적인 탈색기술이 요구되었다. 기금의 탈색처리는 응집, 흡착을 병행한 방법, 세균을 이용한 생물처리, 오존처리 및 전기분해와 같은 산화처리가 적용되어 왔는데, 설치비나 유지비가 비싸고 또 어느 정도 기술력이 필요해서 보급이 잘 되지 않았다.

광촉매와 태양광(자외선)을 이용하여 탈색이 가능하다면 지금보다 설치비 및 운영비가 절약될 수 있다. 최근 연구로는 설치가 용이하고 물과의 접촉면적이 큰 광촉매 코팅 유리섬유 재료를 이용한 축산배수 탈색처리가 시도되고 있으며 여러 조건에서 평가를 검토하고 있다. 또한 광촉매를 이용한 탈취와 배수정화, 탈색을 동시에 수행하는 복합장치 개발도 진행되고 있어 경제적인 시스템 개발이 기대된다.

폭염으로 인한 건축물의 온도 상승은 축사내의 위생에도 악영향을 준다. 그래서 광촉매의 친수성을 이용한 증발 잠열에 의한 산수 냉각시스템이 연구되고 있다. 건축물의 지붕, 외벽, 창을 광촉매로 코팅하고 소량의 물을 뿌려주면 초친수성 효과에 의해 건물표면에 얇은 수막이 만들어지면서 효율적으로 증발잠열을 얻을 수 있어 건물이 냉각되는 것이다.

 

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