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  • 기사등록 2020-03-25 12:00:02
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▲ 한국과학기술연구원(KIST)이 물 속 항생물질 유출 시에 발생하는 환경독성 및 항생 내성균의 문제를 해결하기 위해 버려지는 PET병을 활용한 고효율 흡착소재를 개발했다. 사진은 폐 PET에서 추출한 유기리간드(테레프탈산)로 수중 항생물질을 흡착하는 다공성 탄소복합소재를 개발하는 모식도



[기계신문] 항생물질은 병원성 미생물에 의한 전염병 예방 및 치료를 위해 사용되는 것으로 경제성장과 함께 건강에 대한 관심이 높아지면서 항생물질에 대한 사용량이 급격하게 증가하고 있다.


이러한 항생물질과 대사과정 중 생성된 중간산물은 생분해도가 낮고 용해도가 높기 때문에 수생태계로 유출 시 환경독성 및 항생 내성균이 형성될 수 있다는 문제점이 제기되고 있다.


우리나라는 항생제 사용률이 높아 항생제 다제내성균, 이른바 슈퍼박테리아 출현 가능성이 높은 국가로 분류돼 있다. 환경부 발표에 따르면, 축산폐수처리장이나 하수처리장, 일반 강물에서도 항생제 성분이 검출됐다고 알려졌다.


한국과학기술연구원(KIST) 물자원순환연구센터 정경원 선임연구원, 최재우 책임연구원 팀이 물 속 항생물질 유출 시에 발생하는 환경독성 및 항생 내성균의 문제를 해결하기 위해 버려지는 PET병을 활용한 고효율 흡착소재를 개발했다.


최근 물 속 항생물질을 효과적으로 제거하기 위한 방법으로 금속-유기구조체(metal-organic framework, MOF)를 열분해공정을 통해 합성한 다공성 탄소복합소재가 각광받고 있다. 다공성 탄소복합소재는 물 속 항생물질을 흡착하여 제거한다.


하지만 일반적으로 MOF 합성을 위해 고가의 유기 리간드(organic ligand)를 사용하기 때문에 대량 생산을 통한 실제 현장 적용에는 한계점이 있었다.



▲ 자성 다공성 탄소복합소재의 투과전자현미경 사진



KIST 연구팀은 수거된 폐 페트(PET)병에 주목했다. 우리 실생활에서 사용되는 페트병은 테레프탈산(terephthalic acid)과 에틸렌 글리콜(ethylene glycol)을 중합하여 만든 고분자 물질로, 테레프탈산은 금속-유기구조체(MOF) 합성을 위한 유기 리간드로 사용하는 물질이다.


연구팀은 버려지는 페트병으로부터 고순도의 유기 리간드를 추출하고, 이를 이용한 고효율 흡착 소재 합성에 성공함으로써 환경적·경제적 측면에서 유리한 항생물질 제거 방법을 찾았다.


이번 흡착소재 개발은 중화반응을 통해 고순도의 테레프탈산을 쉽게 얻을 수 있는 알칼리 가수분해 공정이 도입되었다. 이때 가수분해 효율을 극대화시키기 위해 초음파와 상간 이동 촉매(phase transfer catalyst) 공정을 결합하였고, 연구팀은 최적 설계를 통한 공정으로 고순도 테레프탈산을 100% 추출하는데 성공했다.


추출된 테레프탈산을 이용하여 다공성 탄소복합소재를 개발하였으며, 이때 철(Fe) 기반의 금속-유기구조체를 전구체로 사용하여 소재에 자성을 부여함으로써 흡착공정 후 외부 자기장을 통해 쉽게 분리할 수 있는 장점을 가진 환경소재를 개발했다.



▲ (좌측) 추출한 테레프탈산 (가운데) 이를 이용하여 합성된 철(Fe)기반 금속-유기구조체 (우측)자성 다공성 탄소복합소재



연구팀은 세균 감염치료를 위한 항생물질인 ‘테트라사이클린’에 대한 물 속 흡착효율을 검증한 결과, 일반적인 환경 수 조건(pH 6)에서도 약 90분 동안 100% 제거가 가능하였으며, 다공성 탄소복합소재 1 g에서 약 671 mg의 흡착성능을 보였다.


이는 학계에 보고된 테트라사이클린 흡착성능 중 최고 수준이다. 또한 흡착-탈착공정을 5회 반복하여 재이용해도 초기 성능 대비 약 90% 이상의 흡착성능을 보임으로써 높은 안정성과 폭넓은 수처리 적용 가능성을 보여주었다.



▲ 자성 다공성 탄소복합소재의 자석 반응 사진



정경원 박사는 “폐 플라스틱을 이용하여 환경오염을 방지하고, 고효율 흡착성능과 재사용에도 성능을 유지함으로써 폭넓은 수처리 적용이 가능할 것으로 기대한다”고 말했다.


최재우 박사는 “이번 연구를 통해 개발된 다공성 탄소복합소재는 환경소재뿐 아니라 에너지 소재 등 다양한 분야에 활용이 가능하며, 고부가가치 환경소재로 각광받을 것으로 기대한다”고 밝혔다.


이번 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 KIST 주요사업과 산업통상자원부 산업핵심기술개발사업으로 수행되었으며, 연구결과는 ‘Composites Part B : Engineering’ 최신호에 게재되었다.


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오상미 기자 osm@mtnews.net

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