하이드로겔을 활용한 수질 오염 제거

하이드로겔을 활용한 수질 오염 제거

대학생신재생에너지기자단 26기 김예은

 

수질 오염 문제와 하이드로겔의 활용 가능성

국제연합환경계획(UNEP)의 보고서에 따르면, 전 세계 인구의 1/3이 극심한 물 부족에 시달리고 있다. 기후 변화로 인한 물 부족 현상과 더불어 인구수 증가와 환경 파괴로 인한 수질 오염 등이 겹치면서 물 부족 상황이 가속되고 있다. 각종 생활하수와 폐수 등으로 인해 하천과 바다로 오염 물질이 유입되고 있고, 이에 따라 매년 전국적으로 수질 오염 사고가 발생한다. 특히 최근에는 미세플라스틱과 관련해서도 수질 오염 문제가 심각하다.

이러한 수질 오염 문제를 해결하기 위한 대안으로 하이드로겔(Hydrogel)을 활용하는 방법이 주목받고 있다. 하이드로겔(Hydrogel)은 친수성 고분자 사슬들이 3차원 네트워크(화학적 또는 물리적 가교) 구조로 구성된 물질을 말한다. 하이드로겔은 일반적으로 자체 무게의 수십 배에서 수백 배에 달하는 물을 흡수하고 보유하면서도 형태를 유지할 수 있다. 하이드로겔은 이러한 특성을 이용해 약물 전달, 조직 공학, pH 센서, 바이오 센서 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 최근에는 하이드로겔의 성질을 활용해 환경오염 물질 제거에 활용될 수 있다는 가능성을 보인다.

 

미세플라스틱 제거 하이드로겔

미세플라스틱에 대한 오염도 최근 심각한 문제로 대두되고 있다. 미세플라스틱은 자연 작용과 물리력에 의해 마모되거나 쪼개져 길이 또는 지름이 5nm 이하인 미세한 플라스틱이다. 석유화학 산업의 발전에 따라 플라스틱 사용이 불가결해지면서 미세플라스틱 문제도 대두되고 있는데 미세플라스틱이 체내에 축적되면 세포 단위에서 염증, 내분비계 교란, 미세순환 장애 등을 유발할 수 있다.

[자료 1. 3D pGel@IPN 하이드로젤을 이용한 수중 미세 플라스틱 오염 해결]

출처 : phys org

미세플라스틱을 제거하기 위한 방법으로 일반적인 것은 여과막을 사용하는 방법이지만, 미세 입자에 의해 막이 막히면 지속적으로 사용하는 것이 불가능할 수 있다는 한계가 있다. 이러한 한계를 해결하고 미세플라스틱을 제거하기 위해서 최근 하이드로겔을 이용한 연구가 진행되고 있다. 인도 과학 연구소(IISc) 연구진은 물에서 미세플라스틱을 제거할 수 있는 지속 가능한 하이드로겔을 개발했다. 이 물질은 독특한 고분자 네트워크를 가지고 있어 오염 물질과 결합해 자외선을 받아 분해할 수 있다. 이 하리드로겔은 중성 pH(~6.5)에서 미세플라스틱을 95%까지 제거하는 선능을 보였으며, 물의 pH 수준, 온도, 미세 플라스틱의 농도가 다른 곳에서 미세플라스틱의 제거를 확인했다.

 

중금속 제거 하이드로겔

아연(Zn2+), 수은(Hg2+), 비소(As2+), 카드뮴(Cd2+), 은(Ag2+), 니켈(Ni2+), 납(Pb2+) 등의 저중금속은 수중 내에서 강한 독성을 보이는 오염 물질이다. 산업 폐수 등에 의해 배출된 중금속들은 이온화를 거치면서 수생물의 체내에 축적되고, 수생물을 섭취하는 인간의 체내에도 쌓인다. 중금속이 축적되면 폐나 신장, 중추 신경계, 위장관, 뇌와 같은 주요 장기에 세포 손상 및 다양한 질병을 유발할 수 있다.

이러한 이유로 폐수에서 중금속을 제거하는 것은 중요하며, 이를 위해 하이드로겔을 사용한 중금속 흡착제가 활발히 개발되고 있다. 예시로 카드뮴(Cd2+)과 납(Pb2+) 이온을 제거하기 위한 황마/폴리아크릴산(jute/polyacrylic acid) 하이드로겔 흡착제가 있다. 황마(jute)는 열대지방에서 재배되는 갈대류에 초본에서 채취한 섬유 재료로 다량의 –OH, -NH2, -COOH와 같은 작용기를 가지고 있어 중금속과의 이온 결합을 유도할 수 있다. 또한 폴리아크릴산의 자유 라디칼 중합을 통해서 다공성 하이드로겔을 대량으로 제작이 가능하고, 이렇게 제작된 하이드로겔은 12시간 동안 전체 용적의 80% 이상에 해당하는 물을 흡수함으로써 흡착을 유도할 수 있다. 카드뮴과 납에 대한 선택도는 90% 이상이고 최대 흡착 용량은 각각 401.7mg/g, 542.9mg/g으로 높은 흡착 효능을 보이고 재사용이 가능하다.

이 외에도 카르복시메틸 셀룰로오스(carboxymethylcellulose)와 폴리아크릴산(polyacrylic acid)을 이용한 하이드로겔은 구리와 납 이온 흡착에 활용할 수 있고, 카르복시메틸 리그닌을 활용한 하이드로겔은 구리, 납, 크롬 등의 흡착에 활용이 가능하다.

 

하이드로겔 기반 오염물질 흡착제 전망 및 방향성

하이드로겔 기반 오염물질 흡착제는 최근 심화되고 있는 수질 오염 문제에 대한 해결책으로 주목받고 있다. 하이드로겔의 팽윤과 물 흡수 특성 등을 활용해 다양한 오염 물질을 제거할 수 있는 가능성을 가지고 있다. 특히 높은 흡착 효율과 다기능성 설계가 가능하고 생분해성 소재를 활용한 친환경성과 재사용이 가능하다는 장점을 가지고 있어 상용화된다면 수질 오염 문제 해결에 많은 도움이 될 것으로 보인다. 다만 현재까지는 실험실 규모에서의 연구만 진행되고 있어 대량 처리 시 구조가 붕괴될 수 있고, 단일 오염원에 대한 흡착뿐만 아니라 복합 오염 환경에서의 다중 흡착 능력을 강화할 필요성 등의 해결해야 할 과제가 남아있어 이를 개선하기 위한 연구들이 필요하다.

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수질 오염에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "초록색이지만 생태계에 치명적인 녹조", 25기 남궁성, https://renewableenergyfollowers.tistory.com/4608

초록색이지만 생태계에 치명적인 녹조

2. "폐수가 우리집에 다시 돌아온다고?", 22기 이지원, https://renewableenergyfollowers.tistory.com/4081

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참고문헌 

[수질 오염 문제와 하이드로겔의 활용 가능성] 

1) 김정희, "지속되는 수질 오염·물 부족 현상…지구온난화 막기 위한 노력 必", Daily environment, 2023.12.29, https://www.dailyt.co.kr/newsView/dlt202312290008

2) 요미, 경기도공익활동지원센터, "세계 물의 날을 아시나요?", 2022.03.22., https://www.gggongik.or.kr/page/archive/archiveinfo_detail.php?board_idx=1555

3) 이덕환, "[이덕환의 과학세상]수질 오염과 물고기 집단 폐사", 동아사이언스, 2022.06.22, https://m.dongascience.com/news.php?idx=54984

[미세플라스틱 제거 하이드로겔]

1) Shreya Gangwal, IISC, "Novel hydrogel removes microplastics from water", 2024.04.12., https://www.iisc.ac.in/events/novel-hydrogel-removes-microplastics-from-water/

[중금속 제거 하이드로겔]

1) Jung, J.-E., Song, K., & Kang, S.-M., "하이드로겔 기반 기능성 흡착제 개발기술 동향", 한국공업화학회, 34(5), pp. 461–471, 2023.10