국립금오공과대학교(총장 김상호)는 김태오 건축토목환경공학부 교수 연구팀이 수중의 질산염(NO₃⁻)을 효과적으로 제거하면서 동시에 유용한 암모니아(NH3)로 전환할 수 있는 '고효율의 전기화학 전극 기술'을 개발했다고 8일 밝혔다.
질산염은 농업 비점오염원, 산업폐수, 축산폐수 등에서 유입되는 대표적인 수질 오염물질이다. 과도한 질산염은 하천과 호소의 부영양화를 유발하고 지하수 오염 및 인체 건강 문제를 초래할 수 있어 효과적인 처리 기술 개발이 지속적으로 요구되고 있다. 최근에는 단순히 오염물질을 제거하는 수준을 넘어, 질산염을 유용한 화학 자원으로 전환하는 '질소 자원순환 기술'이 차세대 환경기술로 주목받고 있다.
연구팀은 티타늄 기판 위에 아연코발트산화물(ZnCoOx) 나노필름을 형성한 전기화학 전극을 개발해 질산염 환원 반응 특성을 체계적으로 분석했다. 특히 코발트와 아연의 조성을 조절하여 전극의 전하 전달 특성과 암모니아 선택성을 향상시켰으며, 질산염 제거와 암모니아 생성을 동시에 높은 효율로 달성하는 최적 조건을 확인했다.
개발된 전극은 1000 mg L⁻¹의 고농도 질산염 조건에서도 약 94% 이상의 질산염 제거율을 보였으며, 암모니아 생성 효율도 88.8%로 높게 나타냈다. 또 장시간 연속 운전 조건에서도 안정적인 성능을 유지해 실제 수처리 공정 적용 가능성을 확인했다. 연구팀은 전극 내 Co-Zn 복합 구조가 전자 전달을 촉진하고 수소 발생 반응을 억제함으로써 질산염의 선택적 환원을 유도한다는 점도 함께 규명했다.
특히 이번 연구는 실제 수처리 환경을 고려하여 pH, 전류 밀도, 염소 이온(Cl⁻)과 같은 운전 변수들이 질산염 제거와 암모니아 선택성에 미치는 영향을 함께 분석했다는 점에서 의미가 있다. 이를 통해 단순 소재 개발을 넘어 실제 공정 운전 조건에서의 적용 가능성과 운전 전략까지 제시했다.
이번 연구 제1저자로서 전극 합성 및 전기화학 반응 실험, 장기 안정성 평가와 반응 메커니즘 분석 등을 수행하며 연구 전반의 핵심적인 역할을 담당한 신성우 연구원(석사 졸업)은 “오염물질로 인식되던 질산염을 유용한 자원으로 전환할 수 있는 가능성을 열게 되어 자부심을 느끼는 한편, 앞으로도 지속가능한 환경·에너지 기술 분야의 연구를 통해 사회 발전에 기여하도록 노력하겠다”고 전했다.
김태오 교수는 “이번 연구는 질산염 제거와 동시에 암모니아 자원 회수 가능성을 제시했다는 점에서 의미가 크며, 향후 지속가능한 수처리 기술뿐만 아니라 질소를 기반으로 하는 자원순환 공정 개발에도 활용될 수 있을 것으로 기대된다.”고 밝혔다. 이어 “장기간 성실하게 연구를 수행해 준 학생들의 노력 덕분에 의미 있는 성과를 얻을 수 있었다”고 밝혔다.
한편, 이번 연구 성과는 수처리 및 담수화 분야의 국제 저명 학술지인 '디셀리네이션(Desalination)' 온·오프라인에 게재됐다.
구미=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
