[화학뉴스]전기분해 원리로 녹조를 없애다

수년 전부터 녹조는 계속 우리나라 하천을 괴롭혀왔습니다. 다양한 원인으로 발생한 녹조들은 그 어마어마한 양으로 ‘녹조라떼’ 등 다양한 별칭으로 불리고 있으며, 생태계 파괴, 수질 저하, 악취 등 수많은 문제를 일으키고 있습니다. 이 문제를 해결하기 위해 황산동, 황토, 여과, 원심분리같이 다양한 재료와 방법으로 제거를 시도해봤지만, 녹조는 줄어들지 않았습니다. 그런데 2년 전, 한국기계연구원의 환경기계연구실 연구팀에서 전기분해 원리를 이용해 개발한 녹조 제거 시스템으로 99%의 녹조를 제거하는 데 성공했다고 합니다. 미세한 크기의 녹조 세포들을 응집시킨 뒤 물 위에 띄워 더욱 경제적, 친환경적으로 제거할 수 있는 방법이라고 연구팀은 설명했습니다.


이제 전기분해와 전기응집의 원리를 이용한 이 방법에 대해 더 자세히 알아봅시다. 조류와 영양염류를 효율적으로 제거하는 이 기술을 아래 그림과 함께 설명해보겠습니다.


전류를 가하면 한쪽 전극에서는 물이 수소기체와 수산화 이온을 배출하고, 다른 쪽 전극에서는 전극을 구성하는 금속에서 기원한 금속 양이온(다양한 종류의 금속을 사용할 수 있는데, 알루미늄의 효율이 가장 좋은 편이라고 합니다.)을 배출합니다. 이때 금속 양이온과 수산화 이온이 반응하여 앙금을 형성하는데, 이것이 응집제 역할을 하며 미세한 크기의 녹조 세포들을 응집시킵니다. 이렇게 응집된 물질은 발생한 수소 기체를 통해 떠오르게 되고, 이후 일련의 공정을 통해 깨끗한 물과 슬러지 형태의 오염 물질을 분리합니다. 그렇게 녹조로 가득한 물은 청정수로 변하게 됩니다.


위 두 반응은 전극에서 일어나는 반응이고, 아래 반응의 생성물은 응집제 역할을 하며 이미지 2의 pollutant(녹조)를 뭉치게 합니다.


연구팀은 다양한 실험과 테스트를 통해 이 장치의 성능을 검증했습니다. 특히 이 시스템은 1L의

녹조 용액에 들어있는 녹조를 접촉시간 1분 이내에 50% 이상 제거했고, 경기도의 소규모 연못에서 chlorophyll-a(엽록소의 한 종류: 녹조의 농도가 진할 경우 이와 밀접한 관련이 있습니다.)를 95%, COD(화학적 산소 요구량: 물의 오염 정도를 나타냅니다.)를 60% 감소시켰습니다. 이 결과는 개발된 녹조 제거 시스템의 효율이 상당히 좋고, 실용적인 제품으로 발전할 수 있다는 가능성을 보여주었습니다.


이 시스템은 다양한 방면에서 장점을 가지고 있습니다. 우선 환경적인 면입니다. 기존에 쓰이던 방법인 황토를 뿌리는 방법은 그 효율이 높지 않고, 녹조를 생태계에서 제거하는 역할을 하지 못하기 때문에 오히려 오염을 유발할 수 있습니다. 산화알루미늄이나 이산화티타늄 등을 하천에 뿌리는 방법도 2차 오염(오염물질이 자연적, 인위적 과정을 거쳐 다른 형태로 오염시키는 것입니다.)이 발생할 우려가 높습니다. 이런 기술들에 비하면 녹조 제거 효율도 매우 높고, 2차 오염의 우려도 없어 더욱 기대가 되도록 만들고 있습니다.


또한 이 정화 장치는 어디에서도 쓸 수 있는 장치입니다. 녹조의 농도가 높은 곳은 여름철의 하천만이 아닙니다. 대량의 녹조를 제거하는데 필요한 선박이 들어서기 어려운 호수, 골프장이나 공원에 있는 수많은 연못, 심지어 어항이나 수초를 키우는 물에도 없애야 할 녹조가 많이 있습니다. 이 시스템은 대량의 물을 제거할 때에도 효율적이지만, 상대적으로 소량의 물을 정화하는 용도로도 변형시킬 수 있어 일반 가정도 사용할 수 있을 것으로 연구팀은 기대하고 있습니다.


경제적으로도 큰 가치가 있습니다. 기본적으로 이번 기술은 전극을 만드는데 필요한 금속과 간단한 장치만 있으면 제작할 수 있기 때문에 매우 저렴합니다. 이는 오존, 살조제 등 화학적 처리 시 필요한 약품에 들어가는 비용을 줄일 수 있고, 여과 등의 다른 기술보다 더 효율이 높음을 의미합니다. 이 기술은 저렴하면서도 수질개선에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 보입니다.


우리나라의 하천은 현재 녹조가 지나치게 많이 발생하고 있고, 올해 낙동강 수질 개선에 쓰이는 돈만 하더라도 1626억원이 투입되는 등 이를 해결하기 위해 엄청난 인력과 비용을 들이고 있습니다. 이제 이 비용을 더 이상 녹조를 제거하는데 낭비하지 말아야 할 것입니다. 전기응집-부상의 원리를 이용한 녹조 제거 시스템은 앞으로 더 발전하여 우리에게 큰 경제적, 사회적, 환경적 혜택을 가져다 줄 것입니다.

원하던 케미 2019 여름호


작성자: 18-118 허진우

분야: 전기화학


참고문헌:

[1] KIMM(한국기계연구원) - 하천 골칫거리 녹조, 친환경 전기응집-부상 기술로 잡는다

https://www.kimm.re.kr/pr_kimm_news/articles/view/tableid/news/id/955

[2] NDSL - 친환경 녹조제거시스템의 실용화 연구

http://www.ndsl.kr/ndsl/search/detail/report/reportSearchResultDetail.do?cn=TRKO201100015483

[3] MK(매일경제) - 경남도, 낙동강 녹조 발생 막는다...1천600억 투입 수질 개선

https://www.mk.co.kr/news/society/view/2019/04/202486/


이미지:

[1] https://www.kimm.re.kr/pr_kimm_news/articles/view/tableid/news/id/955

[2] http://www.ndsl.kr/ndsl/commons/util/ndslOriginalView.do?dbt=TRKO&cn=TRKO201100015483&rn=&url=&pageCode=PG18



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