광촉매 수질정화, 더러움 방지, 대기정화 효과 (3)

• 광촉매 수질정화 효과

광촉매 수질정화 효과에 대해 알아보자. 탈취를 설명한 곳에서 말한 바와 같이 광촉매는 미량으로 그 존재가 문제가 되는 환경 오염물질의 분해제거에 적합함을 알았다. 그래서 공기 뿐만 아니라 물 속에 있는 환경 오염물질을 광촉매로 제거하려는 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 지구상에는 약 14억 ㎦ 물이 있는 것으로 알려져 있지만, 그 대부분(97.5%)이 해수(바닷물)이며, 담수(민물)는 불과 2.5%에 지나지 않는다. 거기에 담수의 70%는 빙하, 빙산으로 고정되어 있고, 나머지 30%의 대부분도 지하수이다. 인간이 이용하기 쉬운 강과 호수의 지표수는 담수의 0.4%(지구상의 모든 물의 불과 0.01%) 밖에 없다.

지구상의 물을 욕조 1개 분량이라고 하면, 강과 호수, 얕은 지층의 지하수 등 인간이 쉽게 사용할 수 있는 물의 양은 양손으로 뜬 양에도 못 미치는 귀중한 것이다. 그렇지만 우리는 공업생산이나 농업생산에 이 귀중한 물을 이용할 뿐만 아니라 폐수로 오염수를 환경에 배출하는 것은 피할 수 없다. 츠키지 시장의 이전 문제, 원전사고의 오염수 문제 등 일본 내애서도 물을 둘러싼 문제는 수 없이 많다.

또한 해외로 눈을 돌리면 안전한 물과 위생시설을 이용할 수 없는 사람들이 아시아, 아프리카를 중심으로 수억 명이 있으며, 매년 180만명의 어린이들이 물과 위생의 문제로 사망하는 것이 현실이다. 따라서 물을 깨끗하게 하는 것, 나아가 아시아, 아프리카 사람들도 이용할 수 있도록 가급적 비용을 들이지 않고 정화하는 것은 인류의 가장 중요한 문제중 하나로 아려져 있다.

물 속의 세균이나 오염물질을 태양 에너지로 분해할 수 있는 광촉매 수질정화 효과 기술을 실용화하여 인류의 물 문제 해결에 공헌하기 위하여 오랫동안 많은 연구개발이 진행되었다. 광촉매 수질정화 효과를 실용화에는 어려운 점도 많이 있었지만, 최근 온천시설의 레지오넬라균 대책과 토양 지하수 정화시스템, 농업 폐수처리 기술, 식품 가공 해수 제조기술 등이 진행되었기에 소개한다.

드라이클리닝 용매로 사용되는 테트라클로로에틸렌(PCE) 등의 휘발성 유기염소화합물은 토양오염의 원인물질의 하나로 분류되었다. 1980년대 초반까지는 유해성에 대한 인식이 낮았고, 적절한 처리 방법 등도 없었다. 그러나 1980년대 후반에 WHO(세계보건기구)가 트리클로로에틸렌(TCE)에 장기 노출은 발암성을 의심할 수 있다는 것을 공표하여 TCE에 의한 토양 지하수의 오염이 세계적으로 관심을 모았다.

일본에서도 지하수의 오염실태를 조사한 결과 휘발성 유기염소화합물에 의한 토양오염의 문제가 전국에 걸쳐 있다는 것이 명백히 밝혀졌다. 예전에는 주로 황성탄에 흡착시키는 방법으로 처리되었지만, 오염물질이 한번 흡착한 활성탄은 재생시킬 수 없어 그 처리가 새로운 문제가 되었다.

휘발성유기염소화합물을 분해하고 처리하는 방법은 몇 가지 제안되었지만, 유해물질을 발생시키는 문제 등이 있어 보급되지 않았다. 광촉매법은 PCE 등을 분해하여 무해화할 수 있기 때문에 유망한 방법으로 개발이 진행되었다. ADEKA종합설비(주)에 의해 개발된 토양 지하수 정화시스템을 소개한다. 토양 지하수에서 회수한 휘발성유기염소화합물을 가스화하여 광촉매 장치에 통과시키면 이산화탄소, 물, 염화수소로 분해된다.

광촉매 장치에는 광원과 세라믹에 산화티탄을 고정한 반응기가 효율적으로 다수 배치되어 있다. 광촉매 반응의 분해생성물은 중화장치에서 알칼리로 중화 무해화시켜 대기로 방출한다. 이미 70기 이상이 토양 지하수 정화를 위해 활약하고 있으며, 최근에는 처리능력을 높이기 위해 장치의 대형화도 시도되고 있다. 이 토양 지하수 정화는 오염물질은 증발 기화시켜 기체로 만들어 광촉매 필터에서 처리하고 있다. 즉 공기 중의 기체물질의 광촉매 처리이므로 공기청정기의 작용 기능과 동일하다.

한편 물 속의 오염물질을 물 속에서 처리하는 것은 매우 어려운 주제이다. 왜냐하면, 물 속의 미량 오염물질을 광촉매 필터로 유도하여야 하고 더구나 필터에는 충분한 빛을 조사해야만 하기 때문이다. 또한 물의 저항이 매우 크기 때문에 물 속의 미량 오염물질의 광촉매 처리가 어려운 이유이다. 물론 산화티탄 미립자를 물에 현탁(액체 속에 고체의 미립자가 분산)한 상태에서 빛을 조사하는 방법도 있지만, 이 후 물 속의 산화티탄 미립자의 분리가 쉽지 않는 점이 큰 문제이다.

2017년 9월에 이탈리아에서 개최된 국제회의에 참석했을 때 인도의 젊은 연구자와 이야기하는 중, 그는 철 입자 위에 산화티탄을 코팅한 광촉매 시스템(광촉매에 의한 반응시스템)을 만들어 광촉매 작용 후에는 자석으로 산화티탄 입자를 회수하는 방법을 사용한다고 하였다. 이것은 꽤 재미있는 아이디어이다. 필자는 타마강 근처에 살고 있는데 강물을 깨끗하게 할 수 없을까 하고 10년 전부터 카와사키시의 몇 분과 상담하고 있다. 타마강의 환경호르몬 물질을 광ㅎ촉매로 분해할 수 없을까 고민하며 연구를 시도한 적도 있지만, 실현에 이르지는 못했다. 다량의 물 속의 오염물질을 처리하는 것은 매우 어려운 주제이다. 그러나 지금도 이다바시의 Sotobori 등 도랑의 물을 광촉매로 깨끗하게 처리할 수 없을까 계속 생각하고 있다.

앞 부분의 토양 지하수 정화시스템은 세탁소나 공장 폐수가 지하에 스며들어 오염이 퍼져버리기 때문에 토양으로부터 오염물질을 회수하여 기화시키는 방법 등과 같이 별도의 과정이 필요하여 개발하기 어렵다. 따라서 이제는 지하수를 결코 더럽히지 않도록 지상에 있는 동안, 물을 깨끗이 하도록 손써야 하는 점이 무엇보다 중요하다. 강과 같은 물이 아니라 어느 정도 한정된 양의 수처리에는 광촉매 방식이 일부 사용되고 있다. 예른 들어, 지상에서 수질정화 목적으로 광촉매 섬유를 정착한 장비가 개발되어 온천시설의 레지오넬라균 대책 등에 성과를 거두고 있다.

필터로 작용하는 광촉매 섬유는 부직포 모양으로 되어 있어 물 속의 세균이나 오염물질을 3차원적으로 효율적으로 접촉시켜 분해하는 구조로 되어 있다. 일본 각지에서 지역주민에 대한 서비스와 지역관광의 핵심으로 온천, 목욕 시설이 만들어져 있지만, 레지오넬라균의 집단감염이 잇따르는 등의 피해가 발생하고 있어, 공중목욕탕의 온수나 온천수를 깨끗하게 유지하는 것이 과제가 되고 있다.

특히 알칼리성이 높은 온천에서는 통상의 염소 살균만으로는 효과를 얻기 어려운 것이 문제가 되지만, 광촉매 방식의 정수장치에서는 수질정화에 높은 효과를 발휘하는 것으로 알려져 있다. 또한 가장 큰 특징은 광촉매 방식의 경우 균의 사체까지 분해할 수 있기 때문에 더러운 물을 깨끗한 물로 재생할 수 있다는 점이다. 또한 살균에 특화된 정수장치로뿐만 아니라 난분해성의 맹독성 다이옥신, PCB, 시안 화합물의 분해 등 일반 산업 용도로도 뛰어난 효과를 얻을 수 있다. 예를 들면 물 속 다이옥신은 거의 100% 분해할 수 있는 것이 입증되었다.

광촉매 방식의 정수장치에서도 높은 효율로 광촉매 반응을 실현시키려면 광촉매 필터와 광원을 세트로 통합한 방식이 일반적이다. 그러나 농업분야에 광촉매를 활용하는 경우는 기본적으로 태양광을 에너지원으로 이용하고 있다. 여기서 농업에 다가가서 태양광을 에너지원으로 한 시스템을 생각해 보려는 시도가 성과를 거두고 있다. 이것도 하나의 발상의 전환이라고 말할 수 있다. 여기 두 가지 예를 소개한다.

하나는 벼농사에서 농약 폐액의 처리, 또 하나는 토마토 양액재배에 광촉매 폐액처리를 도입한 순환식 재배시스템이다. 벼농사는 그 첫 번째 씨뿌리기할 때 병해충을 방제하기 위해 농약에 담근 후 파종하기 때문에 아무래도 농약 폐액이 발생한다. 보통은 활성탄에 흡착시키거나 응고제를 넣는 등으로 처리한 후 최종적으로는 산업 폐기물로 처리할 것을 권장하지만, 농가들도 쉽게 받아들일 것이다. 그래서 고안된 것이 태양광만을 에너지원으로 하는 광촉매를 활용한 농약 폐액처리시스템이다. 얕은 수조 안에 광촉매 세라믹 필터를 나란히 넣고 거기에 농약 폐액을 넣어두는 것으로도 며칠 후에 폐액을 정화할 수 있다는 것을 알았다. 앞으로 벼 종자 소독 폐액 뿐만 아니라 다른 농약 폐액과 농약 분부기와 용기세척 등의 처리에도 응용할 수 있을 것으로 기대된다.

또한 농업분야에는 자연 토양에서 재배하는 것 뿐만 아니라 시설을 이용한 양액(수경)재개도 활발하다. 날씨에 좌우되는 농업에서 한 걸음 더 나아가 생육환경을 어느 정도 제어하려는 시도이다. 일본에서 양액재배가 가장 활발한 품종이 토마토이고, 이어서 딸기, 장미 등도 이루어지고 있다. 그래서 토마토 양액재배의 폐액처리에 광촉매를 응용하여 기존에 주류였던 배약액 일회 흐름방식에서 환경을 배려한 순환방식으로 전환을 도모하는 노력이 카나가와현농업기술센터를 중심으로 이루어지고 있다.

광촉매는 폐액 중에 포함된 질산과 인산 등 식물에 필요한 비료분이 되는 무기물은 분해하지 않고 불필요한 잡균 등의 유기물만을 분해제거할 수 있다. 또한 광촉매 전용 광원을 도입하지 않고 농약 폐액처리시스템처리 태양광을 에너지원으로 한 시스템으로 구성되어 있다. 이 광촉매 처리시스템을 사용하면 갈색의 폐액이 점점 투명하게 되어 유기물 제거율은 거의 100%로 기존의 배양액 일회 흐름방식과 같은 정도의 토마토를 수확할 수 있는 것을 확인하였다. 이는 광촉매를 이용한 수질정화의 방법이다.

광촉매국제연구센터에서 토마토 재배 실험 모습이다. 이와 같이 태양광을 에너지원으로 하는 농업과 광촉매는 궁합이 아주 좋기 때문에 앞으로도 다양한 아이디어에 의해 21세기에 요구되는 친환경농업으로 전환이 가능하여 더욱 활용될 것이다.

어항 근처 수산시장과 식품가공공장에서는 물고기를 씻거나 저장할 때 바다에서 펌프로 뿜어 올린 해수를 사용하지만, 해수 중에는 식중독균도 포함되어 있을 수 있다. 특히 수온이 높은 여름철에는 설사와 복통 등의 식중독 증상을 일으킬 수도 있다. 그래서 자외선을 이용하여 해수의 살균처리를 하고 있지만, 처리한 해수를 형광등 아래에 저장해 두면 일단 살균되었다고 여겼던 균이 살아나 버리는 광회복현상이 일어나는 것으로 알려져 있다. 이것은 자외선에 의한 살균처리에서는 균은 유전자의 증식기구에 손상을 받아 기절할 뿐이며, 여기에 형광등이 조사되면 균의 유전자가 복구되어 되살아나 버리는 현상이다.

해수의 수질정화 처리에 광촉매 처리를 추가하면 항균 기능 부분에서 언급했듯이, 세균의 세포막을 파괴하고 사체까지 분해 제거하므로 균이 되살아나는 광회복현상이 발생하지 않고, 더 안전하고 깨끗한 해수를 제조할 수 있다. 다만, 앞 타마강의 수처리 부분에서 언급한 바와 같이 광촉매 장치로는 한번에 대량의 해수를 처리할 수 없기 때문에, 생선저장과 진열, 가공품용 등 비교적 소량이더라도 안전하고 질이 좋은 바닷물이 요구되는 곳에 보급될 것이다.

 

• 광촉매 더러움 방지 효과

카나가와과학기술 아카데미 안에 광촉매전시관이 있다. 이 시설은 카나가와현 카와사키시의 카나가와사이언스파크의 1층에 있다. 여기에는 광촉매 기술을 활용한 다양한 응용제품을 한 곳에 모아 전시하고 있다. 또한 직원의 설명을 들으면서 실제로 빛을 쪼이면 어떤 효과가 있는지, 그 변화를 실감할 수 있는 모의실험 장비도 갖추고 있다. 전시관을 개관한지 10년 이상이 지나 봄방학과 여름방학이 되면 많은 초등학생들이 찾고 있다. 분명히 초등학생이나 중학생들이 자유연구의 테마 찾기가 곤란할 경우 광촉매 전시관에 가면 뭔가 찾을 수 있다는 소문이 카나카와현의 초등학생이나 중학생들에게 비밀리에 퍼져있는 것 같다.

2017년 3월 14일에는 개관 이후 총 관람객수가 10만명이 되어 기념행사를 했다. 학생들이 놀라 환성을 지르는 모의실험의 대표가 셀프클리닝 효과이다. 첫 번째 모의실험은 광촉매의 산화분해 작용을 체험하는 빛으로 깨끗하게라는 실험이다. 광촉매 타일 및 일반 타일의 표면에 잉크를 발라 햇빛 대신에 블랙라이트를 조사한다. 10초, 20초 시간이 경과하면서 광촉매 타일 쪽만 점점 색이 희미해져 가고, 30초 정도에 완전히 잉크색이 없어진다. 한편 일반 타일 표면에는 잉크가 남아 있는 상태로 유지된다.

아이들의 함성을 들을 때는 과장이 아니라 정말 연구자로서 행복감을 느끼는 시간이다. 아이들 중에는 와~ 마법 같다라는 감격스러워하는 아이도 있어 솔직히 이런 반응이 부담스럽다. 일반 잡치 등에서 광촉매가 다루어지는 경우에도 그 중에는 마치 마술사 또는 현대의 연금술사일까? 라고 소개되는 경우도 있다. 그러나 마법도 마술도 아니고, 식물의 광합성 일부를 과학적으로 재현한 광전기화학의 연구성과이기 때문에 그것을 제대로 잘 설명하는 것도 광촉매전시관에 주어진 사명이 아닌가 싶다.

벌써 50년 전 일이지만, 물의 광분해 성과가 영국의 과학잡지 Nature에 게재된 후 얼마동안 수소 박사라고 불렸던 기억이 난다. 당시는 오일쇼크(1973년)를 계기로 석유를 대체하는 미래의 에너지 문제를 어떻게든 해결하지 않으면 안된다는 생각이 전세계에 충만하던 때였다. 그러던 중에 태양광 에너지로 물을 산소와 수소로 분해할 수 있다는 발견에 주목되어, 태양광 에너지를 변화하여 청정에너지인 수소를 만들 수 있는데다가 원료가 물이라는 점에서 이것으로 인류는 에너지 문제에서 자유로워지는 것이 아니냐고까지 말하였다.

그리고 어떻게 하면 수소를 효율적으로 대량으로 만들 수 있는지, 빨리 성과를 내주세요. 수소 박사라고 불린 데에는 그만큼 세상의 기대가 담겨져 있었던 것이다. 광촉매로 수소를 생성하는 연구는 인공광합성으로 현재도 활발하게 연구되고 있기 때문에 연구성과를 일반인들에게 알기 쉽고 정확하게 전하고 이해와 응원을 받으면서 세상이 요구하는 연구를 해 나가는 것, 그러한 것의 중요성에 눈뜨기 시작한 계기가 되었다.

광촉매전시관에서 실시하고 있는 셀프클리닝 모의실험의 두 번째는 광촉매의 초친수성 효과를 체험하는 빛과 물로 깨끗이란 실험이다. 이번에는 복사기의 토너 등에 사용되는 카본을 기름에 섞어 검은 기름때를 만든다. 이것을 광촉매 타일 및 일반 타일에 부착시킨다. 빛이 충분히 쪼여진 조건에서 여기에 물을 뿌려 본다. 일반 타일에 묻은 기름때의 경우 물은 기름에 튕겨 얼룩이 그대로 남아 있다. 한편, 광촉매 타일에서는 빛이 닿은 표면이 물하고 매우 친해지는 초친수성 상태로 되어 물은 기름때의 아래에 들어가 막의 형태로 젖어 퍼진다. 그 때문에 기름때는 떠올라 물을 뿌리는 것만으로 흘러 떨어져 내려간다.

사실 이 초친수성의 발견도 생각하지 않은 계기로 태어났다. 광촉매의 산화분해 작용을 갖는 타일을 개발한 당시에는 표면에 더러움이 부착하지 않도록 하기 위하여 물을 튕기는 발수성의 성질을 갖게 하려고 한 것이다. 그러나 이 연구 과정에서 표면의 물과의 접촉각이 0도 가까이 떨어지는 결과가 나와서 처음에는 완전 실패라고 담당자는 낙담하고 있었다. 그렇지만 생각을 바꾸면, 지금까지 없었던 매우 독특한 물이 매우 스며들기 쉬운 초친수성 표면을 만드는 데 성공했다고 말할 수 있지 않은가? 이 때 발상의 전환에서 초친수성이 되는 메커니즘의 해명을 거쳐 실용화로 흐름이 단숨에 가속되어 나갔다.

실험결과를 실패로 해석하고 끝낼 것인가, 정반대의 견해에서 성공이라고 파악하고 발전시킬 것인가, 이것은 연구의 묘미라고도 말할 수 있는 다이나믹한 전개에 눈을 크게 뜨고 본 추억이다.

산화티탄 표면에 태양광이 닿으면 강한 산화분해력이 생기고 한층 물이 스며들기 쉬워지는 초친수성 효과를 합하여 셀프클리닝 효과라고 부르고 있다. 옥외의 벽 등에 광촉매 타일을 시공하면 태양광과 강우라는 자연 에너지에 의해 두 가지 효과가 나타나 다른 에너지를 사용하지 않고도 표면이 깨끗한 상태를 유지하기 때문이다. 이것으로 에너지 비용에서 해방될 뿐만 아니라 야외 건물 외벽을 깨끗하게 유지하기 위한 청소비용 등 유지 보수비용 절감으로도 연결된다. 또한 고층 빌딩을 청소하는 청소부들의 생명줄을 걸어 놓고 작업하는 횟수를 줄일 수 있어 안전성의 향상으로도 연결된다.

셀프클리닝 효과와 동시에 광촉매 타일 표면에 접근하는 질소산화물 및 황산화물 등의 대기오염물질의 제거 효과도 일어나고 있다. 빛으로 이들 대기오염물질을 무해한 물질로 분해하여 비로 씻어내고 있는 것이다. 이 뛰어난 셀프클리닝 효과로 인해 외장용 건축자재 또한 도로교통 관련 자재로 다양한 응용제품이 개발되어 1000억엔 정도의 새로운 광촉매 관련 시장을 형성하는 데까지 성장하였다. 더 많은 장소에서 광촉매가 활약해 나가기 위해서는 효과가 날 수 있는 곳을 파악하고, 확실하게 효과를 낼 수 있는 형태로 시공해 나가는데 전력을 다해야하지 않을까?

 

• 광촉매 대기정화 효과

대기오염에 대한 가장 오래된 문헌의 하나로 꼽는 것으로, 인류가 안고 있는 도시화와 환경오염의 상관관계는 뿌리 깊다는 것을 새삼 실감할 수 있다. 게다가 세네카가 오염된 환경에서 탈출하면 금방 건강이 회복하는 것을 2000년 전에 실감하고 있는 것도 놀랍다. 그 후 유럽의 산업혁명과 일본의 고도성장기처럼 사회의 발전단계에서는 반드시라고 말해도 좋을 만큼 그 부정적인 측면으로 대기오염 문제를 동반하는 것이다. 그러나 그와 동시에 과학적인 연구도 진행되어 행정적인 규제의 근거가 제안된 것도 사실이다.

현재는 석유에 많이 함유된 황 성분에서 유래하는 황산화물에 관해서는 탈황장치의 설치가 진행되어 선진국에서는 가장 많았던 시기의 1/6 정도까지 감소하고 있다. 그런데 이른바 광화학스모그를 일으키는 원인이 되는 질소산화물 등은 선진국에서도 크게 저감시키지 못하고 있는 것이 현실이다. 또한 최근 문제가 되고 있는 입자상물질(PM), 초미세입자상물질(PM2.5) 등 세네카에서 2000년 가까이 지난 21세기에도 인류는 대기오염에 관해서 많은 과제를 그대로 안고 있다. 지구상에 사는 모든 생물의 건강을 보호하는 관점에서도 대책을 미룰 수 없는 상황이라고 말할 수 있다.

그러던 중 대기정화 기술의 하나로서 NOx를 제거할 수 있는 광촉매 기능에 주목하여 다양하고 독특한 제품들이 생겨나고 있다. NOx는 질소원자(N)와 산소원자(O)가 결합하여 생성되는 물질의 총칭으로 일산화질소, 이산화질소 등이 포함된다. 대기오염의 상시 감시에서는 일산화질소와 이산화질소의 합을 NOx로 모니터하고 있다. NOx는 연료를 고온에서 연소시킬 때 연료 중이나 공기 중의 질소와 산소가 결합되어 발생한다. 발생원은 공장이나 화력발전소, 자동차, 가정 등 다양하며 연소온도가 높을수록 발생량이 많아진다.

NOx가 발생하여 대기 중에 방출될 때에는 그 대부분은 NO이지만 대기를 이동하는 과정에서 공기 중의 산소와 반응하여 이산화질소로 된다. 이산화질소는 호흡으로 인체에 들어오며, 고농도 흡입 시 호흡기에 악영향을 미친다. 또한 산성비나 광화학옥시던트(Ox)의 원인물질의 하나이다. Ox는 자동차나 공장 등에서 배출된 질소산화물이나 휘발성유기화합물(VOC)이 자외선을 받아 광화학반응을 일으켜 생기는 물질이다. 고농도의 Ox가 대기 중에 존재하는 현상을 광화학스모그라 하며, 눈의 통증이나 구토, 두통 등을 일으켜 문제가 되고 있다.

광촉매에 의해 NOx가 제거되는 원리는 간단하지 않지만, 광촉매 표면에 빛이 닿으면 공기 중의 NOx는 산화되어 이산화질소를 거쳐 최종적으로는 질산이 생성되는 것으로 알려져 있다. NOx가 발생단계에서 유리되지 않도록 활성탄과 같은 흡착제를 병용하기도 한다. 생성물인 질산이 축적되면 광촉매 반응을 저해하고 NOx 제거 효율이 떨어지는 문제가 발생하지만, 실외에서 이 시스템을 이용하는 경우 비가 오면 자연스럽게 질산을 씻어주기 때문에 지속적으로 이 시스템을 활용할 수 있다.

즉 더러움 방지의 셀프클리닝 기능과 마찬가지로 여기서도 정화재료를 설치한 후에는 태양광을 빗물이라는 자연에너지를 활용하여 환경 대기정화를 할 수 있다. 에너지 비용과 유지보수 비용 문제에서 거의 해방되는 장점이 있는 매우 획기적인 시스템이라 할 수 있다.

 

• 참고글

광촉매 탈취 김서림 방지 효과

광촉매 항균 항바이러스 효과