광촉매에 의한 환경정화 기술

개요 최근 환경호르몬 문제와 새집증후군(신건축자재의 화학물질 때문에 피부, 목 등에 생기는 이상증상) 등 유해화학물질에 의한 환경오염이 전 세계적으로 확산되고 있어 인류의 생존을 위협하는 심각한 문제로 대두되고 있다. 지금까지는 환경오염물질을 처리할 때 한데 모아서 농축시켜 태우는 열분해에 의한 방법을 써왔지만, 환경호르몬도 같은 방법으로 처리하려고 하면 오염이 광범위하게 확산되기 때문에 오히려 더욱 방대한 양의 물과 공기, 토양을 처리해야만 하는 일이 발생한다. 만약 그렇게 되면 화석연료 등 대량의 에너지가 필요하고 그에 따라 다량의 탄산가스가 발생하여 결국엔 소각처리에 따른 다이옥신 등의 맹독물질을 생성시킬 우려가 있다. 즉, 종래의 기술로 환경오염물질을 처리하면 에너지 고갈에 따른 위기를 초래할 수 있으며, 지구온난화를 가속화시켜 환경오염을 더욱 촉진시키기 때문에, 앞으로는 환경을 오염시키지 않는 새로운 환경정화기술이 필요하다. 광촉매는 유독한 약품이나 화석연료를 사용하지 않고도 결코 고갈되지 않는 태양광이나 전등의 빛 등, 옆에서 바로 사용해 쓸 수 있는 빛 에너지를 이용하여 환경을 오염시키는 거의 모든 유해유기화학물질을 탄산가스나 물로 간단하게 분해하여 무해하도록 처리할 수 있다. 또한 처리 후에도 쓸데없는 유해물질을 만들어내지 않고, 공기정화나 수처리(水處理), 항균, 곰팡이 방지, 방오, 방담 등 여러 분야에서 사용할 수 있으며, 반영구적으로 사용할 수도 있다. 이렇듯 광촉매는 다양한 이점을 가졌으므로 환경의 세기인 21세기에 꼭 필요한 기대의 기술이다. 광촉매 연구개발의 진전 광촉매 반응은 원래 산화티탄 등의 안료를 포함한 도료에 태양광을 쬐여 두면 도료가 바짝 말라 열화로 인해 못쓰게 만들어 버리므로 오랫동안 위험한 것으로 취급되어 왔다. 그 때문에 안료 메이커는 이 광촉매 반응을 억누르기 위해 광촉매반응을 일으키지 않는 세라믹스로 산화티탄의 안료 표면을 피복하는 등 열화방지의 연구를 열심히 해 왔다. 하지만 반대로 이 광촉매반응을 환경의 정화나 유용물질의 합성에 적극적으로 이용한 연구가 1950년대부터 시작되어, 유명한 혼다-후지시마 효과가 발견되기 10여년 전인 1956년에 교토공예섬유대학의 마스오 후지오 교수와 가토 신이치 교수가 산화티탄의 광촉매 반응을 이용한 과산화수소의 제조법을 출원하였다. 그리고 1957년에는 미국에 특허를 출원하여 59년에 특허가 성립되었으며, 1964년에는 이 두 교수에 의해 ‘산화티탄을 광촉매로 하는 데트라린의 액상산화’ 논문이 발행되었다. 이 산화티탄 광촉매를 사용한 유해유기화학물질의 분해·유해화 연구는 그 이후 전 세계적으로 확산되어 탄화수소나 유기염소화합물, 농약, 합성세제 등 여러 가지 환경오염물질에 대해서 실험을 거듭해온 결과 오늘날에는 산화티탄 광촉매를 사용한 유해유기화학물질의 분해·무해화가 가능하다는 것이 밝혀졌다. 하지만 이 실험은 광촉매로서 분말이 이용되었기 때문에 수처리에 의해 처리일 경우, 처리 후에 물과 촉매의 분리가 곤란하다는 점, 탈취처리의 경우에는 공기 중으로 분말이 비산된다는 점, 그리고 다루기가 까다로운데다 배지처리밖에 할 수 없다는 결점이 있어 좀처럼 실용화되지 않았다. 1990년대 초입에 들어서자 졸겔법을 이용한 취급이 용이한 산화티탄의 투명박막광촉매가 개발되어 광촉매가 단숨에 실용화 단계에 이르렀다. 또한 거의 모든 유기물을 분해해 버리기 때문에 섬유나 플라스틱의 응용이 불가능했던 광촉매의 기능을 보완하여, 산화티탄 입자의 표면을 광촉매 활성이 없는 세라믹스로 부분적으로 피복한 산화티탄 하이브리드 광촉매가 개발되었다. 광촉매는 대상물질에 접촉하지 않으면 분해되지 않기 때문에 산화티탄 하이브리드 광촉매를 섬유나 플라스틱에 섞어도, 표면에 있는 광촉매작용을 견디지 못하는 실리카나 아파타이토 등의 세라믹스에 의해 산화티탄 광촉매와 섬유나 플라스틱과의 접촉이 방해받아 분해가 저지된다. 따라서 이때까지 불가능했던 섬유나 플라스틱의 응용이 가능하게 되고 실용화가 이루어져 발전하게 되었다. 게다가 광촉매의 성능을 올리기 위한 광촉매와 흡착제의 복합화, 광촉매의 다공질화에 의한 반응표면적의 증대화로 인해, 투명하고 다공질의 담채(운반체 carrier)인 실리카겔에 산화티탄투명박막을 코팅한 광촉매 실리카겔 등의 고성능 광촉매가 개발되었다. 광촉매는 빛을 받지 못하면 활성하지 못한다는 제약이 있지만 이러한 광촉매는 빛이 없을 때에도 화학물질 흡착하여 제거할 수 있다. 광촉매의 응용 광촉매는 수처리, 셀프크리닝, 얼룩방지, 항균곰팡이 방지, 대기정화(탈취, 배기가스 정화) 등 넓은 분야에 응용이 가능하다. 게다가 항균과 탈취 등 여러 가지 기능을 동시에 발휘할 수도 있다. 현재, 위에서 언급된 광촉매 재료가 발견됨에 따라 여러 가지 분야에 응용할 수 있게 되어 이미 수많은 제품이 개발되었다. 그 주요 응용분야를 소개해본다. 1. 수처리 광촉매를 이용한 수처리법은 미생물을 이용한 생물처리로는 어려운 하수나 산업폐수를 처리할 수 있는데, (a)폐수의 pH나 온도, 독성 등의 반응조건의 제약이 적고 (b) 빛을 이용하기 때문에 유독한 약품을 사용하지 않으며 (c) 촉매가 안전·무해한 데다 (d) 거의 모든 유기화합물질을 분해·무해화할 수 있는 등 많은 이점을 가지고 있기 때문이다. 현재 유리기구나 물통, 해초의 번식을 억제하는 수조용 통, 물을 썩지 않게 하고 꽃을 오래 피울 수 있도록 유지시키는 꽃병 등이 이미 시중에 유통되고 있다. 또 담체에 산화티탄 박막을 입힌 광촉매 팔레트가 개발되어 유조선 사고에서 원유가 유출된 곳에 뿌리면 원유를 흡착하여 태양광으로 분해할 수 있게 되었다. 그리고 광촉매를 이용한 테트라클로로에틸렌 등의 유기염소화합물을 분해하는 수처리 장치도 개발되었다. 2. 공기정화(탈취·배기가스 정화 등) 광촉매 응용분야 중에서 이용이 가장 간단하여 제품화가 진행되고 있는 것은 탈취 분야이다. 왜냐하면 냄새의 성분은 비교적 적은 양이라 빛이 적어도 금방 탈취되기 때문이다. 인간의 코의 감도는 상당히 좋아 미량의 물질에서도 바로 냄새 맡을 수 있다. 담배 냄새의 성분인 아세토알데히드의 수치, 즉 냄새난다고 느끼는 한계점은 1.5mg/dm3의 극저농도이다. 따라서 미량의 아세토알데히드만 분해하면 냄새가 나지 않는다. 처리하는 분자수가 적기 때문에 광촉매가 아세토알데히드 분자를 분해하기 위해 필요한 광자수도 적어서, 수은램프 같은 강한 빛이 아니더라도 태양광으로 충분히 통합 처리 가능하다. 3. 방담, 방오(셀프크리닝) 광촉매를 이용하면 더러운 때를 쉽게 분해할 수 있기 때문에 셀프크리닝의 재료로써도 이용할 수 있다. 특히 조금씩 묻은 기름때나 담뱃재 등의 얼룩에 효과가 크다. 산화티탄은 원래 물에 대한 접촉각이 0도인 초친수성을 가지는데, 얼룩이나 먼지 등의 소수성 물질이 붙으면 표면이 소수성으로 변해 물방울이 생겨 더러워진다. 하지만 빛을 받으면 광촉매 작용에 의해 얼룩이 분해 되어 원래의 초친수성 성질로 돌아가기 때문에 얼룩이 사라진다. 이 성질을 이용하여 얼룩지지 않고 더러워지지 않는 거울이나 창문 유리, 코팅제품이 개발되어 만들어지고 있다. 이런 산화티탄 광촉매의 성질을 이용하면 얼룩이나 먼지가 비나 물에 잘 씻기기 때문에 방오효과, 셀프크리닝 효과를 얻을 수 있다. 건물의 외벽에 산화티탄 광촉매를 코팅해 사용한 경우, 산화티탄이 초친수성이므로 비가 내리면 얼룩이나 먼지가 씻겨 나간다. 그리고 건물의 외벽에 기름때 등의 유기물 때가 접착제가 되어 모래나 먼지 등의 무기물 때가 붙으면 접착제인 유기물 때를 분해해서 쉽게 비에 씻겨나가게 한다. 앞으로의 전개 향후 광촉매의 응용이 진행될 분야는 실내용도와 농수산업분야이다. 오늘날, 다다미나 건재 등에서 방출되는 접착제, 방충제, 진드기 방지제, 포르말린, 용제로 인해 생기는 새집증후군이나 신학교 증후군(Sick school syndrome)이 심각한 문제가 되고 있다. 이때까진 광촉매를 자외선에서밖에 이용할 수가 없었기 때문에 자외선이 거의 없는 실내에서는 이용하기 힘들었지만, 가시광선에서 활성할 수 있는 광촉매가 개발되었기 때문에 새집증후군 대책이나 원내감염방지 등 실내용도의 응용이 급속하게 확산될 것이라 생각된다. 농업 분야에서는 식물을 감염시키는 에틸렌 가스를 광촉매로 분해해서 곡물의 신선도를 유지하는 장치나 필터가 이미 개발되었고, 또한 최근에는 광촉매를 이용한 온실에서의 야채 무농약 재배 기술이 개발되었다. 온실재배는 다량의 농약이 사용되어 농작업자의 건강에 피해를 줄 수 있으며 작물에 남아있는 잔류 농약이 문제가 되어 왔다. 하지만 광촉매를 이용해서 온실 토마토를 농약 없이 재배한 결과, 병이나 곰팡이가 발생하지 않았고 온실내의 악취도 사라져 환경정화효과도 얻을 수 있었다. 게다가 광촉매를 이용해서 토양의 잔류농약 처리나 탈색에도 성공하였다. 또, 광촉매는 물고기 양식장의 수질정화나 항균 등에도 응용하도록 개발이 진행되고 있다. 이처럼 농수산업분야의 응용이 급속하게 진행되어 태양광의 이용이 가능해지고 있으므로, 일본 뿐 아니라 전 세계에도 보급할 수 있기를 기대하고 있다. 마무리 광촉매로 이용되는 산화티탄은 치약성분이나 화장품에도 사용되고 식품첨가물로도 인정받은 안전 무독한 물질로, 자원적으로도 풍부한 물질이다. 전세계규모로 확산되고 있는 환경오염을 정화시키기 위한 기술은 사용하기 쉬운 심플한 기술이어야 한다. 광촉매는 아이부터 노인까지 모두가 안전하게 사용할 수 있고, 빛만 있으면 어디에서나 사용가능하다. 그리고 유해한 약품이나 화석연료를 사용하지 않고 태양광이나 바로 옆에 있는 빛에너지를 이용하여 유해화학물질을 분해·무해화 할 수 있으며, 선진국이든 개발도상국이든 어디에서나 사용할 수 있다. 특히 태양광은 자원적인 면에서 풍부한 에너지 자원이기 때문에 에너지 사정이 나쁜 개발도상국에 최적의 기술이다. 일본뿐만 아니라 세계 각국으로 보급되기를 기대하지만, 무엇보다 광촉매의 보급에는 용도에 따른 광촉매의 개발이 중요하다. 현재 광촉매의 응용기술 개발이 활발하게 진행되고 있으며 새로운 용도의 광촉매 개발도 이루어지고 있다. 광촉매는 안전, 안심, 청결, 건강, 환경, 에너지 절약, 유지보수의 불필요성 등 현재 사회가 요구하고 있는 많은 이점을 가지고 있어 세계 각국에 보급할 수 있으리라 예상된다. 새로운 용도에서의 광촉매 개발도 활발하게 진행되고 있어 앞으로 거대한 시장으로 성장할 것으로 보이며 지구환경개선에도 도움이 되리라 기대한다.