국립창원대학교 GAST-기계공학대학 윤태영 교수 연구팀은 수중의 유해 유기오염물질을 흡착한 뒤, 전기장만 가해 주면 필터 손상 없이 오염물질을 깨끗이 떨어뜨려 재사용할 수 있는 차세대 친환경 수처리 기술을 개발하고, 그 연구 성과를 국제학술지 ‘Desalination(IF:9.9, JCR 분야 상위 2.7%)’에 게재했다고 24일 밝혔다.

(*논문링크=https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0011916426005667)

 기존의 열적·화학적 재생법을 대체할 지속 가능한 대안으로 전기화학적 재생 기법이 주목받아 왔으나, 오염물질의 탈착을 지배하는 분자 수준의 메커니즘과 실제 실험에서 얻어지는 재생 성능 간의 상관관계는 그동안 명확히 밝혀지지 않았다. 연구팀은 분자동역학(Molecular dynamics, MD)시뮬레이션, 밀도범함수이론(Density functional theory, DFT) 및 전기화학 실험을 결합한 ‘멀티스케일 프레임워크’를 구축해 이 난제를 풀었다. 

 연구팀은 그래핀, 산화그래핀, 환원산화그래핀 변형 전극을 제조하여 카테콜의 흡착 및 탈착 거동을 체계적으로 분석했다. MD 시뮬레이션 결과, 카테콜의 탈착은 탄소 표면의 화학적 상태, 수화(Hydration) 구조, 그리고 인가된 전기장의 방향에 강력하게 지배받는 것으로 나타났다. 특히 DFT 분석을 통해 산화그래핀 표면의 산소 작용기가 국부적인 전하 재분배와 편극 기반의 흡착 채널을 유도하여 카테콜을 강하게 붙잡아둔다는 원자 단위의 메커니즘을 밝혀냈다. 이러한 시뮬레이션 예측은 실제 정량적 흡착-탈착 실험을 통해 그대로 증명되었다. 세 가지 소재 중 산화그래핀이 가장 높은 카테콜 흡착 용량을 나타낸 반면, 전기화학적 재생 효율은 순수 그래핀 플랫폼이 87.96%로 가장 높았다.또한, 그래핀 기반 플랫폼은 5회의 흡착-재생 싸이클을 반복한 후에도 초기 흡착 용량의 약 69.6%를 안정적으로 유지했으며, 카테콜 회수 시 소모되는 재생 에너지가 0.206 kWh/kg 수준에 불과해 탁월한 저에너지 고효율 특성을 보였다. 이 시스템은 다양한 pH, 이온 강도, 경쟁 유기물이 존재하는 조건 및 실제 수질 환경 하에서도 재현성 있는 전극 성능을 유지했다. 

 이번 연구는 등온 흡착, 반응 속도론, Raman, XPS, LC-MS 분석을 통해 시뮬레이션이 도출한 오염물질 유지 및 탈착 경향성을 일관되게 뒷받침하여 전산해석의 높은 신뢰성을 증명했다. 단순히 제거 성능을 평가하는 것을 넘어 원자 수준의 탈착 메커니즘과 실제 실험 성능을 직접 연결함으로써, 향후 강하게 흡착되는 페놀계 오염물질 제거용 탄소 흡착제를 합리적으로 설계할 수 있는 전략을 제시했다는 점에서 학술적 의의가 크다. 마지막으로, 기존 활성탄 및 그래핀 기반 분리막 재생 공정에 필요한 고온 열처리나 화학약품 사용을 최소화할 수 있어 친환경 수처리 기술 및 차세대 흡착제 재생 기술 개발에 새로운 방향을 제시할 것으로 기대된다. 

 이 연구에 공동연구자로 참여한 국립창원대 스마트제조융합협동과정 석사과정 정수민 학생은 “국제학술지에 논문을 게재하게 돼 매우 영광스럽다. 전산역학을 활용한 시뮬레이션을 통해 실험만으로는 확인하기 어려운 흡착·탈착 메커니즘을 원자 수준에서 분석하고, 그 결과가 실제 실험 결과와 잘 부합하는 것을 확인하며 시뮬레이션 기반 연구의 중요성과 가능성을 실감할 수 있었다. 이러한 소중한 연구 기회를 주신 윤태영 교수님과 연구팀에게 감사드린다”고 소감을 전했다.

 한편, 이번 연구는 국립창원대 윤태영 교수 연구팀과 성균관 박진성 교수 연구팀, 고려대 나성수 교수 연구팀, 금오공대 류준석 교수 그리고 스티븐스 공대 등이 공동 수행했으며, 수중 환경에서 대표적인 페놀계 오염물질인 카테콜의 흡착 및 탈착 메커니즘을 원자 수준에서 규명하고 이를 실험적으로 검증했다.

이 연구는 국립창원대 G-램프(LAMP)사업단(단장 박종규 교수), 과학기술정보통신부 우수신진연구 과제, 세종과학펠로우십, BK21 스마트공장 교육연구단(4단계 BK21사업, 단장 박용갑 교수)의 지원으로 수행됐다.