나노입자를 이용한 환경정화기술 - cheric나노입자를 이용한 환경정화기술...

12 공업화학 전망, 제19권 제4호, 2016

1. 서 론1)

오늘날 지구상의 대부분의 국가들은 음용수 확

보 난과 더불어, 폐기물 및 폐수 처리, 대기오염,

토양 및 지하수 오염 등 심각한 환경문제에 직면

하고 있다. 물과 공기 등 환경을 오염시키는 근본

원인 중의 하나는 에너지의 과다 사용이다. 석탄과

석유 등의 화석연료를 사용하면 반드시 이산화탄

소가 발생하고, 에너지를 사용하는 과정에서 물의

오염도 초래된다. 더욱이 지금까지 우리의 주 에너

지원이었던 화석연료는 점차 고갈되어 가고 있다.

인류에게 가장 필요한 존재인 환경과 에너지가 오

늘날 가장 심각한 도전을 받고 있는 것이다.

근년 나노과학과 나노기술의 발전은 나노스케

일에서 물질이 나타내는 초 기능적 성질로 인해

과학적 학문과 기술 부문에 새로운 차원을 도입하

저자 (E-mail: [email protected])

고 있다. 나노기술은 다른 기술들과 융합하여 전

자, 화학, 바이오, 생의학 산업 등 많은 분야에 혁

명을 불러왔으며, 전 산업의 기반기술(platform

technology)로서 위치를 공고히 하고 있다. 이러한

나노기술을 오염 제어 및 처리, 오염 사이트의 정

화에 응용하려는 노력 또한 증가하고 있다.

나노물질은 질량당 표면적이 커서 보통의 큰 입

자들보다 상당히 반응성이 크다. 이 효과 때문에

환경정화에 나노물질을 사용할 수 있는 것이다.

1990년 이래 나노물질의 다양한 환경응용(수 정

화, 폐수처리, 실내 및 실외 대기 정화, 토양 및 지

하수 정화)이 연구되고 있다. 다양한 응용이 실험

실 스케일에서 실증되고 있지만, 대부분은 아직

필드에서의 효율성과 안전성의 검증을 필요로 하

고 있다. 현재까지 나노물질이 환경응용 시장에

진입해 있거나 연구가 진행 중인 것으로는 다음과

같은 것이 있다.

나노입자를 이용한 환경정화기술

김 경 호†⋅소 대 섭

한국과학기술정보연구원 산업정보분석실

Nanoparticle Applications in Environmental Remediation

Kyung-Ho Kim† and Dae-Sup SoDepartment of Industry and Market Analysis, Korea Institute of Science and Technology Information

Abstract: 오늘날 세계는 음용수 확보, 폐기물 및 폐수 처리, 대기오염, 토양 및 지하수 오염 등 심각한 환경문제에

직면하고 있다. 근년 나노기술의 발전은 전자, 화학, 바이오, 생의학 등 많은 산업 분야에 혁명을 불러왔으며, 이러한

나노기술을 오염 제어 및 처리, 오염 사이트의 정화에 응용하려는 노력 또한 증가하고 있다. 현재 사용 또는 연구

중인 환경정화용 나노물질에는 영가 철 나노입자(nZVI), 자성철 나노입자, 이원금속 철 나노입자, 탄소나노튜브 등이

있다. 그러나 이들 나노입자의 본격적인 사용에 앞서 인체 및 환경 위해성에 대한 연구가 이루어져야 한다. 이러한

우려에도 불구하고 나노기술은 에너지 소비 저감, 환경오염 완화, 생산 효율 증대, 맑은 물에 대한 요구, 전염병의

치료 등 여러 가지 사회문제를 해결하는데 유용한 도구가 될 것으로 전망되고 있다. 본고에서는 나노물질의 환경정화

응용에 있어서 토양 및 지하수의 오염 정화를 중심으로 기술 및 시장의 현황과 전망에 대해 기술한다.

Keywords: Nanomaterial, Nanoparticle, Environmental remediation, Contaminated soil and groundwater, nZVI (nanoscale zero-valent iron particles)

기획특집: 미래산업 대응 소재


KIC News, Volume 19, No. 4, 2016 13

- 나노스케일 TiO2 : 공기 중 오염물질(NOx,

VOCs) 및 수중 오염물질(미생물, 유기물)의

광촉매 분해

- 나노여과 : 폐수처리 및 음용수 정화(경도 제

거, 담수화)

- 나노스케일 영가 철(nanoscale zero-valent

iron particles, nZVI) : 토양 및 지하수 정화

그러나 나노기술의 잠재적 이점에도 불구하고

인체와 환경의 나노입자 노출 시 유해한 영향에 대

한 우려가 있다. 즉, 나노입자는 크기가 매우 작기

때문에 섭취, 흡입 또는 피부를 통해 인체 건강에

부정적인 영향을 끼칠 수 있다. 일반적으로 입자가

작을수록 큰 입자보다 반응성이 크고 독성이 강하

다. 나노 정화 기술에 사용되는 나노입자들은 직접

토양이나 지하수에 첨가되어 환경적 노출에 직면

하므로 독성과 환경 영향의 문제는 특히 중요하다.

예컨대 오염 토양 및 지하수 정화에 사용되는

영가 철 나노입자(nZVI)의 경우, nZVI의 표면 이

동성을 최대화하기 위해 표면 개질 방법들이 연구

되고 있다. 이동성의 증가는 보다 효율적인 정화

를 가능하게 하지만, 동시에 오염운(plume) 지역

바깥으로 나노물질이 이동하여 음용수 대수층

(acquifer) 또는 우물(well)로 흘러들어가거나 정화

공정 시 지표수로 방출될 가능성이 있다.

나노물질의 생물체 내 축적여부와 인체 유해성

에 대한 지식은 아직까지 부족한 상황이며, 또한

나노물질과 환경 내 다른 화학물질과의 상호작용

도 조사되지 않고 있다. 향후 나노제품에 대한 소

비자의 우려를 감소시키고 나노기술 개발의 장점

을 극대화하기 위해 인체와 환경에 미치는 폭넓은

나노물질의 위해성 평가 연구가 필요하다.

이러한 우려에도 불구하고 나노기술의 사용은

장차 많은 산업분야로 확대될 것이며, 에너지 소비

저감, 환경오염 완화, 생산 효율 증대 뿐 아니라 맑

은 물에 대한 요구, 전염병의 치료 등 여러 가지 사

회문제를 해결하는데도 유용한 도구가 될 것이다.

본고는 이러한 나노기술의 응용을 수처리, 토양 및

지하수의 오염 정화를 중심으로 기술 및 시장의 현

황을 분석하고 향후 전망에 대해 기술하고자 한다.

2. 토양/지하수 오염정화에 이용되는 나노입자

토양과 지하수 정화의 방법은 흡착 또는 반응

(adsorption/reaction) 원리를 이용하는 것과 이를

현장 처리 또는 이동 처리(in situ/ex situ treat-

ment)에 적용하는 방법으로 분류된다(Table 1). 현

재 비용 측면에서 나노물질을 사용한 현장 처리법

이 가장 유망한 것으로 인식되고 있다. 현장 처리

에 있어서는 비교적 고정 상태의 나노입자로 이루

어진 현장 반응영역을 형성하거나 오염영역으로

이동해 반응하는 나노입자 운(plume)을 만드는 것

이 필요하다. 표토(topsoil)에 적용 시 나노입자는

현장 처리(In situ) 이동 처리(Ex situ)

흡착

(Adsorption)결합제(철산화물 등)를 첨가하여 오염물질의 현장

격리(sequestration) 오염 용액을 추출한 후, 나노여과(nanofiltration)에서처럼 흡착제로 처리

반응

(Reaction)나노물질(nZVI 등)과 대상 오염물질의 현장 반응

오염 용액을 추출한 후, TiO2 광산화에서처럼 반응

물질로 처리

※출처 : ELEMENTS, 6, 395-400 (2010).

Table 1. 나노입자를 사용한 정화 방법의 분류

※출처 : M. K. Ram and A. Kumar, Decontamination Using Nanotechnology (2011).

Figure 1. 수질 정화에 이용되는 나노물질[1].


14 공업화학 전망, 제19권 제4호, 2016

통상의 농업 기술을 사용하여 오염 토양의 표면에

삽입될 수 있다. 이들의 여러 가지 방법이 Figure

2에 나타나 있다.

통상의 정화 기술로는 이동 토양세척과 양수처

리(pump-and-treat), 현장 열처리, 화학적 산화, 철

을 이용한 반응성 장벽(reactive barrier)이 있다.

토양과 지하수의 정화는 일반적으로 고가이며, 또

정화의 효과를 얻기까지 많은 시간이 걸린다. 양

수처리법은 평균 18년의 운전을 필요로 하지만,

영가 철 나노입자(nZVI)로 처리할 경우는 1~2년

이 걸린다[3].

현재 환경정화에 사용되는 나노입자에는 영가

철 나노입자, 에멀전화 영가 철 나노입자, 자성 철

나노입자, 이원금속 철 나노입자, TiO2 및 ZnO 나

노입자, 탄소나노튜브 등이 있다.

2.1. 영가 철 나노입자(nZVI)

오염된 토양과 지하수를 정화하기 위해 영가 철

나노입자(nanoscale zero-valent iron particles,

nZVI)를 사용하는 것이 지난 10년간 큰 주목을 받

아왔다. 정화 기술로서 나노크기 철 입자는 다른

현장 적용 방법에 비해 i) 다양한 환경오염물질에

응용 가능성, ii) 높은 비용효과성, iii) 높은 반응

성, iv) 무독성 등 여러 가지 장점을 갖고 있다. 철

(iron)은 공기 중에 노출되면 쉽게 산화하여 녹이

쓴다. 그러나 철이 트리클로로에틸렌(TCE), 사염

화탄소, 다이옥신, PCB와 같은 오염물질 중에서

산화하면, 이들 유기 분자들은 훨씬 독성이 적은

간단한 탄소 화합물로 분해된다.

철 나노입자들은 보통 사용되는 철 분말보다

10~1000배 이상 반응성이 강하다[4]. 이 때문에

nZVI 현탁액(슬러리)은 주입 전에 재혼합 설비가

필요하다. 이들은 유기 오염물질과의 반응을 위한

큰 표면적을 갖고 있으며, 작은 크기(1~100 nm)

로 인해 보다 이동성이 커서, 지하수 흐름에 의해

효과적으로 수송될 수 있다. 나노입자-물 슬러리

는 오염 지역에 Figure 3과 같이 주입된다. 나노입

자는 토양의 산성도, 온도, 영양물질 농도에 의해

변하지 않기 때문에, 현탁 상태로 남아 현장 처리

영역을 형성하며 상당한 시간 동안 물성을 유지할

수 있다. 실험실이나 필드의 실험결과들은 나노크

기의 철 입자들이 다양한 환경 오염물질(염소화

유기 용매, 유기염소 살충제, PCB 등)을 완전하게

변환시켜 무독성화(detoxification)하는데 매우 효

과적임을 보여준다[4].

나노크기 철 분말은 사용 시 어떠한 독성 부생

물도 생성하지 않으며, 입상 철 분말에 비해 나노

입자의 반응성과 안정성이 증가한다. 주입 부위의

오염물질 농도는 1~2일 사이에 상당히 감소되며,

수일 내에 거의 다 제거된다. 안정성 덕분에 나노

철 입자는 한 사이트에서 지하수에 완전 분산되어

6~8주 동안 활성 상태를 유지하다가 자연의 철 농

도로 낮아진다. 나노 반응성 철(nZVI) 입자는 대수

① 영가 철 나노입자(nZVI)의 주입으로 반응 장벽(permeable reactivebarrier, PRB) 형성; ② 이동성 nZVI의 주입으로 nZVI 운(plume) 형성; ③ 나노입자의 표토 혼입으로 오염물질 흡착 또는 분해

※출처 : ELEMENTS, 6, 395-400 (2010).

Figure 2. 오염 지하수 및 토양의 정화에 사용되는 현장 적

용 기술[2].

※출처 : Journal of Nanoparticle Research, 5, 323-332 (2003).

Figure 3. 나노 철 입자(nZVI)를 이용한 현장 정화[5].



층 내의 고밀도 비수성상 액체(dense nonaqueous

phase liquid, DNAPL)의 정화에도 사용될 수 있다.

나노 영가 철(Fe0) 입자의 직경은 10~100 nm

로, 그 유용성은 +2 및 +3 산화상태로 산화되어

무기 및 유기 화합물을 환원시킨다는 데 있다. 그

메커니즘을 보면 먼저 금속 철(Fe0)은 식 (1)과 같

이 효과적인 전자 공여체(electron donor)로서 작

용한다.

Fe0 → Fe2+ + 2e- (1)

한편 염소화된 탄화수소는 식 (1)에서 방출된

전자를 받아들여 탈염소화하여 훤원된다[6].

RCl + H+ + 2e- → RH + Cl (2)

반응식 (1)과 (2)를 결합하면 전체 반응은 식

(3)과 같이 된다.

RCl + Fe0 + H+ → RH + Fe2+ + Cl- (3)

nZVI(Fe2+/Fe)의 표준 환원 전위(E0)는 -0.44 V

이다. 이는 염화 탄화수소와 같은 유기 화합물 및

Pb, Cd, Ni, Cr과 같은 금속보다 낮다. 그래서 이

들 유기화합물과 금속은 nZVI에 의해 환원되기

쉽다. 지난 수년 동안 nZVI는 lindane 및 astrazine,

pentachlorophenol, 4,4’-dinitrostilbene-2,2’-disulfonic

acid 등과 같은 유독, 유해 유기 오염물질의 분해

에 광범위하게 사용되어 왔다. 영가 금속의 환원

능력은 할로겐화 탄화수소(DDT, DDD, DDE)의

분해만 아니라, 질산염, 비소, Cr(VI) 및 Pb(II),

s-triazines, RDX 및 perchlorate를 함유하는 오염

수의 정화에도 적용되고 있다[6].

Figure 4는 nZVI의 전형적인 core-shell 구조를

나타낸다. 코어는 주로 영가 철 또는 금속 철로 구

성되며, shell은 Fe(II)와 Fe(III)의 혼합가(mixed

valence) 산화물로 이루어지며 금속 철의 산화로

생성된다. 철은 전형적으로 환경 중에서 Fe(II) 및

Fe(III) 산화물로서 존재한다. nZVI 나노입자는 대

표면적을 갖고 있고 또 마이크로 입자보다 반응

사이트 수가 많기 때문에 일반적으로 나노정화에

서 선호된다. 이것은 Figure 4에서 보는 바와 같이

흡착과 환원이라는 이중적 성질을 가지고 있다.

nZVI 분말은 상온의 건조 상태에서는 공기와

접촉하면 즉시 점화하므로 대부분 슬러리로 공급

된다. 그러나 현탁 상태에서 nZVI는 매우 신속히

산화철로 산화한다. 그래서 nZVI 현탁액은 산화

반응을 최소화하고 또 수소 생성을 최소화하기 위

해 공기조절된 용기에 담아서 수송된다.

nZVI 정화의 유효성에는 입자의 이동성(mobility)

이 중요하다. 단순히 nZVI의 이동도를 증가시키

는 데는 입자 표면을 고분자 전해질(polyelectrolyte),

계면활성제, 셀룰로오스/다당류로 코팅하는 방법

이 있으며, nZVI 입자의 안정성, 반응성 및 이동

성을 함께 증가시키기 위해서는 입자를 다른 금속

(bimetallic nZVI)이나 탄소 재료와 결합시키거나

유기 막에 함입(에멀전화 nZVI)시키는 방법이 있다.

Table 2는 나노 철 입자로 처리 가능한 대상 오

염물질을 요약한 것이다. 이러한 오염물의 현실적

인 분해 효율은 보통 1년 내 60~80%라고 알려져

있다.

2.2. 에멀전화 영가 철 나노입자

(Emulsified nZVI, EZVI)

영가 철 나노입자(nZVI)가 염소화 유기화합물

의 파괴에 효율적이나, 이동성의 제약 때문에

※출처 : International Perspectives on Environmental Nano-technology - Applications and Implications, EPA 905/R-09/032 (2009).

Figure 4. nZVI core-shell 구조와 오염물질 제거 반응의 개

념도[7].


16 공업화학 전망, 제19권 제4호, 2016

DNAPL (고밀도 비수성상 액체 : 물보다 밀도가

크고 물에 혼합/용해되지 않는 액체)의 제거에는 어

려움이 있다. 따라서 환원적 탈할로겐화(reductive

dehalogenation)를 촉진하기 위해서는 수용액상으

로 존재해야 할 필요가 있다. 그래서 DNAPL의

현장 처리를 위해 NASA 등에 의해 에멀전화한

영가 철(Emulsified nZVI, EZVI)이 개발되었다.

EZVI는 nZVI, 물, 계면활성제(식품 등급) 및 생분

해성 식물성 오일로 제조된다. 그 구조는 물로 둘

러싸인 철 코어(마이크로 또는 나노입자)가 계면

활성제와 식물성 오일의 액적으로 둘러싸여 있다

(Figure 5). 계면활성제로 안정화된 oil-liquid 막이

수중에서 철 입자 주위에 형성되며, 이 막은 소수

성을 나타낸다. nZVI core를 사용할 시 액적의 크

기는 대략 직경 15 µm이다.

오염물질 중 트리클로로에탄(TCE)과 DNAPL

은 소수성이지만 에멀젼과는 혼합이 가능하기 때

문에, DNAPL은 이 막을 통하여 수성상(aqueous

phase)의 에멀전 액적 내부로 확산하여 nZVI에 의

해 연속적으로 환원적 탈염소화 반응을 겪게 된다.

2.3. 자성 철 나노입자

자성 물질이 나노크기로 작아지면 벌크 자성 물질

과는 다른 자화 거동을 나타낸다. 자성 나노입자

(magnetic nanoparticle)는 비자성 나노입자에 비해

특별한 이점이 있다. 즉 자성 나노입자는 자장에 의

종 류 오염물질 예

Chlorinated methanes Carbon tetrachloride (CCl4), Chloroform (CHCl3) Dichloromethane (CH2Cl2), Chloromethane (CH3Cl)

Chlorinated ethenes Tetrachloroethene (C2Cl4), Trichloroethene (C2HCl3)cis-Dichloroethene (C2H2Cl2), trans-Dichloroethene (C2H2Cl2), 1,1-Dichloroethene (C2H2Cl2), Vinyl chloride (C2H3Cl)

Chlorinated benzenes Hexachlorobenzene (C6Cl6), Pentachlorobenzene (C6HCl5), Tetrachlorobenzenes (C6H2Cl4), Trichlorobenzenes (C6H3Cl3), Dichlorobenzenes (C6H4Cl2), Chlorobenzene (C6H5Cl)

Trihalomethanes Bromoform (CHBr3), Dibromochloromethane (CHBr2Cl) Dichlorobromomethane (CHBrCl2)

Other polychlorinated hydrocarbons PCBs, Dioxins, Pentachlorophenol (C6HCl5O)

Other organic contaminants N-nitrosodimethylamine (NDMA) (C4H10N2O), TNT (C7H5N3O6)

Pesticides DDT (C14H9Cl5), Lindane (C6H6Cl6), chlorinated cyclohexanes

Organic dyes Orange II (C16H11N2NaO4S), Chrysoidine (C12H13ClN4) Tropaeolin O (C12H9N2NaO5S), Acid Orange, Acid Red

Heavy metal ions Mercury (Hg2+), Nickel (Ni2+), Silver (Ag+), Cadmium (Cd2+), Zinc(Zn2+), Beryllium(Be2+)

Inorganic anions Dichromate (Cr2O72-), Arsenate (AsO4

3-), Perchlorate (ClO4-), Nitrate (NO3

-)

※출처 : Journal of Nanoparticle Research, 5, 323-332 (2003).

Table 2. 나노 철 입자로 처리 가능한 환경 오염물질 예[5]

※출처 : International Journal of Environmental Science and Development, 2(3) (2011).

Figure 5. EZVI 입자의 구조[8].



해 물로부터 쉽게 분리된다는 것이다. 이러한 기술은

의약 및 광석 가공에서 널리 이용되며, 입자가 물로

부터 화합물을 선별, 제거할 뿐 아니라 다시 쉽게 화

합물에서 분리되어 재활용 또는 재생될 수 있다. 이

방법은 폐수로부터 크롬(VI)을 제거하기 위해 자철

석(magnetite, Fe3O4), 자적철석(maghemite, g-Fe2O3),

자콥사이트(jacobsite, MnFe2O4) 나노입자에 대해

제안되고 있다[9]. 물로부터 방향족 화합물의 제거

와 재사용을 위해 탄소나노튜브(CNT)를 자성 철 나

노입자로 기능화하는 방법도 제안되고 있다.

라이스 대학의 연구자들은 녹(rust) 나노입자들

이 자석을 이용해 물로부터 비소를 제거하는데 사

용될 수 있음을 발견했으며, Pan 등[10]은 나노스

케일 자철석 입자가 흡착에 의해 토양 중 인산염

을 성공적으로 고정화시킬 수 있음을 발견하였다.

2.4. 이원금속 철 나노입자

이원금속 나노입자(Bimetallic Particles, BNZVI)

는 영가 철(nZVI)의 반응성을 높이기 위하여

nZVI를 금속 촉매(팔라듐, 백금, 니켈, 은, 구리)로

코팅시킨 형태(Pd-Fe, Pt-Fe, Ni-Fe, Ag-Fe,

Cu-Fe)이다[8,11]. 이 금속 조합은 산화환원 반응

속도를 증가시켜 반응을 촉진하며, 유해한 부생물

의 생성을 방지 또는 저감할 수 있다. 가장 자주

사용되는 이원금속 나노입자는 Pd-Fe 나노입자이

다. Pd-Fe 나노입자는 프레시 나노 철 입자를 1

wt% palladium acetate ([Pd(C2H3O2)2]3)를 함유하

는 에탄올 용액으로 함침시켜 제조된다[5]. 이것은

Fe 표면에 Pd의 환원과 연속 증착을 일으킨다.

Fe0 + Pd2+ → Fe2+ + Pd0 (4)

유사한 방법으로 Pt-Fe, Ni-Fe, Ag-Fe, Co-Fe,

Cu-Fe 이원금속 입자를 얻을 수 있다[5,11].

Pd-Fe 나노입자는 nZVI보다 활성이 크고 안정

하여 표면 반응 속도가 nZVI의 100배 이상 크기

를 나타내므로 이를 이용하면 정화 기술을 한층

향상시킬 수 있다. Pd-Fe 이원금속 나노입자는 일

반적으로 지하수 중 TCE의 제거에 사용된다.

2.5. TiO2 및 ZnO 나노입자

반도체 TiO2와 ZnO는 태양광을 사용해 독성 오

염물질(염소화 세제 등)을 무해한 물질로 변환하

는 능력을 보인다. 이것들이 특히 연구의 관심을

끄는 것은, 쉽게 구할 수 있고 저렴하며, 나노 크

기의 TiO2와 ZnO는 동일한 물질 부피에 대해 활

성 표면이 훨씬 크다는 점 때문이다. 이러한 나노

구조 광촉매는 환경오염물질의 제거 뿐 아니라 폐

수처리 공정을 포함한 수처리에도 사용될 수 있다.

TiO2는 강력한 광촉매제로서 수중에서 대기로

부터 유입된 산소와 결합하여 반응성이 강한 수산

기(hydroxyl) 라디칼로 전환되어, 수중에서 생물학

적 분해가 어려운 유기 오염물질을 분해하는 작용

을 한다. TiO2 관련 연구개발은 일조량이 높은 국

가에서 광촉매제로 활용하거나 오염도가 높지 않

은 소량의 수처리에 주로 응용되고 있다.

Figure 6은 유기 오염물질에 대한 TiO2 나노물

질의 광촉매 효과의 메커니즘을 나타낸다. TiO2는

밴드갭 에너지(bandgap energy)가 3.2 eV인 반도

체이다. TiO2는 루틸(rutile), 아나타제(anantase),

브루카이트(brookite) 상으로 존재하며, 이 중 아

나타제 TiO2가 광촉매 활성을 나타낸다[1].

전형적으로 광촉매 반응은 서브마이크론 반도

체 물질의 현탁액 중에서 수행된다. 그러므로 처

리수로부터 미세입자상의 촉매를 제거하기 위해

추가적인 분리단계가 필요하며 추가 비용이 소요

된다. 이것이 폐수처리에 광촉매 공정을 적용함에

있어 주된 단점이다. 이 문제를 최소화하기 위해

티타니아(TiO2)를 여러 가지 기재(글래스 비즈, 모

래, 실리카 겔, 광섬유, 글래스 파이버 등)에 메쉬

※출처 : M. K. Ram and A. Kumar, Decontamination Using Nanotechnology (2011).

Figure 6. TiO2의 광촉매 작용 메커니즘[1].


18 공업화학 전망, 제19권 제4호, 2016

(mesh) 형태 또는 유리 반응기 벽에 고정화시키는

연구가 진행되고 있다.

2.6. 탄소나노튜브

탄소나노튜브(Carbon Nanotubes, CNT)는 새로

운 형태의 탄소로서 속이 빈 모노리스 실린더형

막이다[9]. CNT의 탁월한 흡착능, 기계적 물성,

독특한 전기적 성질, 높은 화학적 안정성, 큰 표면

적 등 특이한 물성으로 인해 발견 이래 큰 연구적

관심을 끌고 있다. 이러한 성질은 매우 작은 크기,

균일한 기공분포 및 대면적에 기인한다[1]. CNT

는 다공성 구조로 인해 활성탄보다 다이옥신 및

불소화합물 제거 능력이 상당히 우월하다. CNT는

Cr3+, Pb2+, Zn2+와 같은 중금속, 비소 화합물과 같

은 메탈로이드, 유기물 및 생물학적 불순물의 제

거와, 다이옥신, VOC와 같은 많은 유기, 무기 오

염물질을 제거하는데 이용된다[8]. 또 CNT는 박

테리아나 탄화수소의 제거에 효율적이며, 초음파

처리(ultrasonication)나 고압살균(autoclaving)에 의

나노입자 유형 처리 기작 대상 오염물질 이 점 단 점

Nanoparticles based TiO2

광촉매산화 유기 오염물질 비독성, 수불용성, 광안정성 고 운전비용, 회수 곤란, 슬러지 발생

Nanoparticles based iron

환원, 흡착 중금속, 음이온, 유기

오염물질(탈염소화)현장 정화, 토양/수질 처리, 저비

용, 취급 안전

회수 곤란, 슬러지 발생, 슬러지 처리 비용, 건강 위험

Nanoparticles based Bimetallic

환원, 흡착 탈염소화, 탈질화 철 나노입자보다 고 반응성 회수 곤란, 슬러지 발생

Nanoclay 흡착 중금속, 유기 오염물질 저비용, 독특한 구조, 장기 안정

성, 재사용, 고 흡착 능력, 회수 용

이, 큰 표면적/기공부피

슬러지 발생

Nanotube & fullerene 흡착 중금속, 음이온, 유기

오염물질

공기/물 오염처리, 탁월한 기계적

물성, 독특한 전기적 성질, 높은

화화적 안정성

고 투자비, 낮은 흡착능력, 회수 곤란, 슬러지 발생, 건강 위험

Dendrimers 캡슐화 중금속, 유기오염물질 분리 용이, 재생가능, 큰 결합력, 비용효과적, 슬러지 미발생, 오염

농도를 수 ppb로 저감, 토양/수질

오염처리

고비용

Micelles 흡착 토양 중의 유기오염물질 현장처리, 소수성 유기오염물질에

대한 높은 친화력

고비용

Metal-sorbing vesicles

흡착 중금속 재사용, 높은 선택적 흡수 프로파

일, 높은 금속 친화력

Magnetite nanoparticles

흡착 중금속, 유기오염물질 분리 용이, 슬러지 미발생 분리를 위해 외부 자기장 필

요, 고비용

Nanofiltration & nanosieve membranes

나노여과 유기/무기 화합물 RO보다 낮은 압력 고비용, 막 오염 가능성

※출처 : Annual Review of Nano Research, 2, 1-73 (2008).

Table 3. 환경 정화에 이용되는 나노입자들의 성능 비교[12]

1-2 nm(A) SWCNT

2-25 nm(B) MWCNT

※출처 : International Journal of Environmental Science and Development, 2(3) (2011).

Figure 7. 단일벽 탄소나노튜브(A)와 다중벽 탄소나노튜브

(B)의 구조[8].



해 쉽게 재생될 수 있다.

다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)에 있어 흡착은

응집된 기공, 튜브 내부, 또는 외부 벽면에서 일어

날 수 있다. MWCNT는 지하수 중의 2,3-디클로로

페놀, 중금속을 제거하는 우수한 흡착제로 입증되

고 있다. Pb(II), Cu (II), Cd (II)에 대한 MWCNT

의 흡착 능력은 물 정화에 통상적으로 사용되는

분말 활성탄 및 입상 활성탄보다 3~4배 크다.

나노튜브 표면은 화학적으로 개질되어 특정 이

nZVI PRB Thermal Chemical oxidation

Material nanoscale iron granular iron steam, (heat) oxidizing agents (e.g. permanganate)

Material reactivity high low - very high

Material mobility belowground

limited (max. a few meters)

not mobile (passive treatment)

limited - depending on thermal conductivity

fairly mobile

Material longevity (treatment time)

up to a few months years restricted to the duration of the application

hours (Fenton’s reagent) to months (permanganate)

Material costs high low high energy costs for steam/heat production

moderate

Material toxicity uncertainty about environmentalimpact of nanoparticles

low non-toxic significant

Installation costs moderate expensive (especially ifcontaminant at greater depth)

moderate (high technical expertise and sophisticatedequipment necessary)

inexpensive

Operation and maintenance costs

low to moderate inexpensive expensive moderate

Requirements regarding siteaccess

possible underneath buildings

open access for machinery necessary



Plume vs. source treatment

source and plume treatment; rebound possible if source is not completely eliminated

plume treatment only source treatment; rebound possible if source is not completely liminated

source and plume treatment; rebound possible if source is not completely eliminated

Formation of by-products

possible (e.g. NH3, H2) possible (e.g. H2, OH-)

possible (hydrolysis-products of chlorinated compounds,uncontrolled condensation of contaminants)

possible (reactive oxygen species, solubilization ofheavy metals (e.g. Cr))

Environmental effects more reducing conditions → temporal change in microbiology

more reducing conditions → temporal change in microbiology

increase in temperature → temporal change in microbiology

oxidation of reducingenvironment → temporal change in microbiology

※출처 : ObservatoryNANO, Nano zero valent iron - The solution for water and soil remediation?, EMPA (2010).

Table 4. 오염 사이트 정화를 위한 현장처리법의 비교[11]

2014년

2020년

※출처 : BCC Research Report (2009).

Figure 8. 나노기술의 환경응용 분야별 시장의 변화 전망[13].


20 공업화학 전망, 제19권 제4호, 2016

온이나 분자의 흡착을 향상시킬 수 있다. 수 분산

성(또는 용해도) 증가와 흡착능 향상을 위해 CNT

를 산화산(oxidized acid)으로 산화하면 CNT 표면

에 많은 기능성 그룹(수산기(-OH), 카르복시기

(-COOH), 카르보닐기(>C=O))을 도입할 수 있다

[1]. 이러한 CNT 표면에 부착된 기능 그룹은 용액

중 금속 이온과 유기 오염물질에 대한 흡착 능력

을 향상시킨다.

3. 나노기술의 환경응용 시장

BCC Research 보고서[13]에 따르면 나노기술

의 환경응용에 대한 전체 세계 시장은 2014년 218

억 달러에서 연평균 성장률(CAGR) 61.8%로 성장

하여 2020년 3,980억 달러에 이를 것으로 전망된다.

이를 부문별로 살펴보면, 환경오염방지(environ-

mental protection) 부문은 2014년엔 103억 달러에

서 연평균 성장률(CAGR) 58.1%로 성장하여 2020

년엔 1,542억 달러에 이를 것으로 전망된다. 환경

유지/관리(Environmental maintenance) 부문은 2014

년엔 18억 달러에서 연평균 성장률(CAGR) 30.8%

로 성장하여 2020년엔 90억 달러에 이를 것으로

전망된다. 환경개선(Environmental enhancement)

부문은 2014년엔 28억 달러에서 연평균 성장률

(CAGR) 43.6%로 성장하여 2020년엔 248억 달러

에 이를 것으로 전망된다. 환경정화(Environmental

remediation) 부문은 2014년엔 69억 달러에서 연

평균 성장률(CAGR) 153%로 성장하여 2020년엔

2,100억 달러에 이를 것으로 전망되며(현재 토양

및 지하수 정화 부문이 성장속도가 가장 빠르다),

나노기술의 환경응용 시장 중 가장 큰 시장으로

부상할 것으로 기대된다.

오염 정화는 사이트 특성과 대상 오염물질에 따

라 가장 효과적인 방법이 선택되어야 한다. 최근

열처리(steam enhanced extraction 또는 thermal

conductive heating), 화학적 산화, 화학적 환원

(nZVI 등), 화학적 토양세정(surfactant co-solvent

flushing), 바이오정화 등 많은 새로운 현장 정화기

술이 상용화되기 시작하고 있다. Table 4는 주요

오염 사이트 정화법을 비교한 것이다.

4. 맺는말

나노크기 입자는 매우 반응성이 높고 큰 흡수

능력을 갖고 있기 때문에, 나노정화 방법은 현장

에서 오염 사이트를 정화할 수 있는 잠재력을 갖

고 있다. 나노정화 기술은 대규모 오염 지역을 정

화하는데 드는 비용을 저감시킬 뿐 아니라, 정화

시간을 줄이고, 오염 토양을 처리⋅처분할 필요성

을 없애주며, 일부 오염물질은 농도를 거의 제로

에 가깝게 줄이며, 현장에서 행해질 수 있다는 이

점이 있다.

영가 철 나노입자(nZVI)의 산화환원반응을 이

용한 토양과 지하수의 정화 방법은 나노물질을 응

용한 유일한 상업적 성공 사례로 꼽히고 있다.

nZVI는 벌크 분말 또는 입상 철보다 반응속도가

25~ 30배 빠르고, 흡수 능력도 훨씬 크기 때문에,

유기 오염물질을 효과적으로 분해⋅제거할 뿐 아

니라 중금속 및 무기 음이온들도 제거할 수 있다.

또 처리비용도 기존의 정화 방법들보다 저렴한 것

으로 나타나고 있다. 미국에서는 nZVI 정화법이

급속히 증가하고 있으며, 양수처리법 등 기존의

이동처리(ex-situ) 방법들을 대체해가고 있다.

한편 나노입자의 사용에 대한 많은 장점이 부각

되고 있는 가운데 사용 시 나노물질의 토양 중으

로의 대규모 방출에 대한 우려도 제기되고 있다.

따라서 본격적인 사용을 위해서는 나노물질의 광

범위한 인체 및 생태계 독성 시험에 대한 평가가

먼저 이루어져야 한다. 요컨대 나노기술이 주는

기회와 위험을 주의 깊게 저울질하는 것이 필요하

다. 아울러 필드 조건에서 나노기술 응용의 성공

은 화학, 재료과학, 지질학, 생물학, 독성학 등 관

련 학제간의 협력 작업이 필수적이다.

참 고 문 헌

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13. BCC Research, Nanotechnology in environ-

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김 경 호1979 서울대 화학공학과 학사

1981 KAIST 화학공학과 석사

2012 서울시립대 환경공학과 박사

1981~1984 한국화학연구원 연구원

1984~현재 한국과학기술정보연구원

책임연구원

소 대 섭1986 한양대 화학공학과 학사

1989 한양대 공업화학과 석사

2010 한양대 나노공학과 박사

2011~2012 카네기멜론대 방문연구원

1989~현재 한국과학기술정보연구원

책임연구원

2012~현재 과학기술연합대학원대학교

교수

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