알기 쉬운 나노의 과학과 기술
Nano-science and Nano-technology for Non-specialist 날짜: 2021년 12월 13일 (Date: December 13, 2021)
■ 11월 29일 연구 IP의 연습문제 해답 ⇒ Underline/컬러 표시
① 하루에 지구 표면에 조사되는 태양 에너지를 모두 활용하 더라도 인류가 하루에 필요로 하는 에너지를 도저히 충당하 지 못한다. (○×)
② 수소 연료전지 자동차에 탑재할 수소연료의 단위 부피당 에너지 생산량은 같은 부피의 가솔린에 비해서 현저하게 크 다. (○×)
③ 향후 50년간 인류가 당면하게 될 가장 큰 문제는 에너지 이다. (○×)
④ 태양 에너지를 전기에너지로 바꾸는데 있어 태양전지의 효율도 좋아야 하지만 전력의 저장 및 송전 문제도 함께 해 결해야만 한다. (○×)
■ 7차 연구 IP 내용 (2021년 12월 13일 제출)
-. 나노 기술의 잠재력을 이용하여 환경의 개선에 기여할 수 있는 방법을 설명함.
-. 아래의 그림에 나타나 있듯이 대부분의 산업화된 국가에서 대기오염 물질이 다량 발생 함 ⇒ CO (일산화탄소), CFC (프레온 가스), 중금속 (As, Cr, Pb, Cd, Hg, Zn), 탄화수소, 질소산화물, 유기약품 (VOC (휘발성 유기화합물), 다이옥신 등), SO2와 미세먼지 입자 ⇒ 이 중 NO2와 SO2는 산성비를 내리게 하여 토양에 침투하여 토양오염원으로 작용함. NO2와 SO2는
주로 석유, 석탄, 천연가스의 연소로 발생 ⇒ 대기오염원 일부는 화산 활동 및 토양 내 박테리아의 부패에 기인.
-. 반면 수질오염은 대부분 하수, 기름유출, 비료의 누출, 살충제, 제초제, 제조업 부산물 및 폐기물, 화석연료의 연소에 기인함.
-. 이러한 대기/수질 오염물질들의 독성은 주로 독성치 (toxic level)로 정의되며 ppm이나 ppb로 농도가 측정됨. 예를 들자면
As (10 ppm), Hg (0.002 ppm) ⇒ 특정한 오염 물질의 경우 농도가 아주 낮아도 독성이 강함 ⇒ 이러한 오염물질들은 혼합물 의 형태로도 발견됨.
-. 이상에서 분명한 것은 독성 물질의 농도를 연속해서 모니터링 하고 독성치를 인식하고 대기/수질/토양 오염 물질을 제거하거나 독성치를 완화시키는 기술개발이 필요 함. ⇒ 나노 기술을 적용 하면 환경오염을 예방, 저감, 감지 및 제거, 완화 시킬 수 있다.
나노 기술을 사용 시 구체적으로 기존의 기술을 현저히 개선 시키거나 새로운 기술을 개발 가능
-. 또한 나노 기술을 응용하여 제조 공정에서 발생할 수 있는 독성 폐기물을 저감할 수 있는데 ⓐ 원료 물질의 투입량을
줄이거나 ⓑ 독성이 덜한 화합물을 사용하여 이러한 목표를 달성 가능하다.
-. 또 다른 응용 분야로는 이러한 독성 물질의 침투를 막아주는 나노 코팅 소재를 개발하거나 따로 세정을 해 줄 필요가 없고 빗물만 갖고도 세정이 가능한 “자기 세정” 코팅을 개발 ⇒ 세제 의 사용을 줄이므로 환경오염을 저감할 수 있다.
※ 나노 기술을 환경 분야에 응용하는데 있어서 가장 먼저 논의 할 분야는 나노 과학 기술을 응용한 목적 지향적 기능성 나노 소 재의 개발 (창제)임.
① 나노 기술의 정의에 따르면 “나노 차원에서 물질을 통제하여 특정한 기능/특정한 성질을 띈 물질을 생산하는 것”⇒ 이러한 나노 소재의 특성은 환경 분야에서 아주 중요한데 앞서 예로 든 오염 물질들은 고체, 액체, 또는 기체 형태에서 혼합물 형태로
존재 함.
② 나노 소재의 경우 표면적대 부피의 비율이 현저하게 크기 때 문에 오염 물질을 아주 민감하게 감지할 수 있다. 극소형이면서 민감하고 정확한 (나노) 센서를 제조 가능함.
③ 뿐만 아니라 나노 소재는 오염 물질과 반응하여 무독성 물질 로 변화시킬 수 있다. ⇒ 나노 센서로 오염 물질을 인식할 수도 있지만 오염 물질의 처리/저감도 가능함.
1. 환경오염의 처리 및 오염도 완화
-. 제조 공정에서 발생하는 토양/지하수원의 오염은 아주 복잡 하고도 심각한 사안임. 이 때 주요한 오염원은 p. 2의 그림에 도해했듯이 공장부지 (및 주변의 호수나 하천), 지하의 저장 탱크 로부터 유출된 오염물질, 매립지나 폐광 ⇒ 이러한 오염지역에는 중금속 (Hg, Pb, Cd)이나 유기 화합물 (벤젠, 염화 유기용매, 크레오소트 등)가 다량 존재
-. 이러한 오염 지역의 독성 물질을 현행 방식으로 처리하면 (오염원을 끌어 올려서 처리하는
ex situ
전처리 공정과 오염지역 의 오염원 제거 절차가) 노동 집약적이므로 많은 시간과 비용이 들면서 생태계가 심하게 교란될 수 있음. 특정한 환경오염을 경제 적이고 효율적으로 저감시켜주는 나노 환경기술의 개발이 필요 함.-. 나노 기술 적용 시 p. 5의 그림에 나타낸 지하수원의 오염 물질을
in situ
방식으로 처리하는데 쓸 수 있으므로 일반 환경 오염 저감 기술로는 도달하기 어려운 암반층내의 틈새 (crevice)나 지하수원으로 통하는 대수층에도 도달 가능 함 ⇒ 기존의 노동집약적 고 비용 (pump and treat) 기술을 대체가능함.
-. 대기 오염의 처리 및 저감 관련해서도 나노 기술의 특성상 분자 차원에서 물질을 조작/통제 가능하므로 특정한 금속 대기 오염물질을 저감시키는 기술을 개발 가능 ⇒ affinity, selectivity,
and sensitivity of the technique
2. 식수의 질 향상과 오염물질의 제거
-. 식수의 질과 오염물질의 제거는 또 다른 아주 중요한 문제가 되는데 식수내의 수은 (Hg)과 비소 (As)는 건강에 아주 유해
하므로 효과적으로 제거시켜야 한다. 나노 기술을 이용하면 수질 오염 개선 관련 철, 2종 금속 나노입자 및 반도체 나노입자를 써서 ⓐ식수의 정화 및 오염물 처리 ⓑ 폐수 관리 ⓒ 해수 담수화 기술에 적용가능 함.
-. 지하수원과 토양의 오염물질 저감에 “0가 (zero valent)” Fe (Zero-Valent Iron: ZVI)나노 입자를 사용: 철은 주지하다시피 공기 중에 노출되면 철의 (水)산화물인 녹 (rust)으로 됨 ⇒ TCE, CCl4, 다이옥신, 폴리염화다이페닐 (PCB)과 접촉된 상태에서 산화되는 경우 이러한 유기 분자들이 무독성 탄소화합물로 전환 됨. 철 원자 자체가 비독성이고 (암석, 토양, 물에) 다량 존재
하므로 크기가 ㎛인 철 입자들을 신종 산업폐기물의 정화에 이미 사용하고 있는데 이정도 크기의 입자들로는 토양이나 물에
오랫동안 침투해 있는 오염물질의 독성을 효과적으로 제거 해 주지 못함.
-. 그 뿐 아니라 미크론 철 입자를 이용한 미생물 제거효율은 완벽하지 못할 뿐 아니라 (Per-chloro-ethylene) PCE, TCE, (Di-chloro-ethylene) DCE와 같은 독성 염화물은 미크론 철
입자로 처리 후에도 잔류하는데 이는 미크론 철 입자의 reactivity 가 낮기 때문에 그렇다.
-. 이뿐 아니라 미크론 철 입자의 문제점은 시간이 흐름에 따라
철 표면에 생성되는 (철 수산화물) 부동태 층 때문에 반응성이 저감됨. ⇒ 기존의 미크론 철 입자에 비해서 표면적 vs. 부피의 비율이 현저하게 큰 크기가 1~100 nm정도 크기의 철 나노입자 를 사용하면 이러한 유기성 유해오염 물질과 반응하는 표면적이 증대하므로 입자의 mobility가 증가하여 지하수의 흐름을 따라 손쉽게 이동 가능함. ⇒ (철) 나노입자로 이루어진 water slurry가 오염된 지하수층으로 주입되어 (pump and treat가 아닌) p. 5의 그림과 같은 in situ remediation이 가능함.
-. (철) 나노입자 특성상 토양의 산성도, 온도와 기타 영향을 받지 않고 오랜 기간 suspension 상태를 유지하면서 “in situ treatment zone”을 형성 함 ⇒ 지금까지의 실험실과 현장평가 결과 철 나노입자들은 밑의 그림에 표시된 것처럼 염화 유기용매, 유기염화 살충제, PCB 등의 환경오염 물질들을 완전히 무해화 시키는 것으로 입증되었다.
-. 또한 기존에 사용되던 미크론 철 입자들에 비해서 철 나노 입자들의 반응성과 안정성이 뛰어나므로 수일 내로 오염물질의 제거가 가능함. 이러한 철 나노 입자들의 염화물 제거 반응
기구가 p. 8 위의 그림에 나와 있음 ⇒ 이러한 철 나노 입자들은 6~8주간 안정적으로 활성유지 가능 함. 그 다음에는 지하수에 완전하게 분산되고 자연에 원래 존재하고 있는 철의 농도보다 크지 않도록 분산됨.
※ 나노 입자를 써서 수질/토양 환경 오염원을 저감 할 수 있으나 문제는 입자가 아주 작고 반응성이 높으므로 오염원에 나노 입자 water 슬러리를 분산 시 식물이나 동물의 체내로 나노 입자가 들어가면 부작용이 없겠는가? 이러한 문제를 해결 하려면 bio-degradable 나노 입자를 사용하면 되겠으나 이러한 안전 분야에 대한 연구를 더 할 필요가 있음 ⇒ Risk
assessment and life-cycle analysis ⇒ 환경에 나노 입자가 미치는 단기적, 장기적 효과를 규명 함.
-. 우리가 매일 마시고 있는 식수는 우리의 생존과 직결된
문제임. UN 자료에 의하면 오염된 식수로 인한 사망자수가 2000 년에만 200만 명에 달함. 문제는 이 수치에서 배제된 통계에는 오염된 수질로 인한 동물과 해양생물의 피해가 어느 정도인가?
임. 이러한 수질오염의 주된 원인은 ⓐ 산업체에서 생산 활동의 결과 발생하는 중금속 ⓑ 산업체에서 쓰이는 유기용매 ⓒ 폐수로
부터 유입되는 오염물질 ⓓ 산성비에 포함된 황산염 입자 등이 있음.
-. 우리는 정수된 수돗물 공급에 의존하고 있지만 저개발국의 외딴 부락 같은 경우 물이 심각하게 오염되어 있지만 정수시설이 전무함. ⇒ UN의 통계에 의하면 전 세계 인구 약 11억 명이 정 수시설을 거치지 않은 식수를 마시고 있다. 예를 들자면 비소로 오염되어 있는 우물은 위의 그림에 주황색으로 나와 있듯이
(미국을 포함한) 전 세계에 널리 존재하고 있는데 선진국의 경우 보다 청정한 수질이 담보되는 식수원을 이용할 수 있지만
방글라데시 같은 빈곤국의 경우 극빈계층 인구 수천만 명이 매일 하루도 거르지 않고 비소로 오염된 우물물을 마시고 있다. 문제는 이러한 비소로 오염된 우물물이 오래전부터 있던 우물이 아니고 (주민들이 철저히 오염된 독성의 하천수를 마시지 못하도록)
최근에 인위적으로 천공된 우물이라는 것이다.
-. 비소로 오염된 우물물을 정화시키려면 철 산화물을 이용 해야만 하는데 문제는 이 공정비용이 상당히 높아서 방글라데시
같은 절대 빈곤국가에서 이러한 기술을 상용화 하는 것은 무리임.
⇒ 미국 Rice 대학의 Center for Biological and Environmental Nanotechnology (CBEN)에서는 이러한 문제 해결을 위한 경제적 이고 저렴한 철 산화물 나노 입자를 개발하여 비소로 오염된 식수원이 많은 멕시코의 Guanajuato지역에서 시범적으로 효과를 입증하고 있다. ⇒ 밑의 자료 참조
-. 다른 한편으로 Fe/Pd 2종으로 이루어진 나노입자들은 활성이 더 강하고 오염 물질의 저감 특성이 더 월등함. ⇒ 활성탄이나 SiO2입자와 같은 고체 담체에 고착되어 오염된 수질이나 산업폐 기물의 ex situ정화에 사용가능 함.
-. TiO2나 ZnO같은 반도체 나노입자 광촉매를 이용하여 빛을 쪼이면 전자-정공 짝이 생성 됨. ⇒ 유기성 오염물질을 산화시켜 CO , H O같은 무독성 부산물로 변환시킴.
-. TiO2나 ZnO는 값싸고 대량으로 입수 가능 함 ⇒ 이러한 나노 입자의 활성 표면적의 증가효과를 이용해서 chlorinated detergents (염소화 세제)를 광분해 가능 함. solar
photo-catalysis remediation system ⇒ 수질 오염 뿐 아니라 Hg, CO2와 같은 대기오염 물질도 제거 가능 함. SiO2
(담체)-TiO2 (광 촉매) 나노 복합 소재를 이용해서 원소 수은을 연소 발생원에서 제거 함 ⇒ less volatile form of HgO로 변환
⇒ CO2를 물과 함께 CH4로 분해시키는 TiO2 나노 입자를 밑의 그림에 표시하였다. 여기서
파란색의 TiO2 광촉매가 구리 (브라운색)와 백금 (은색) 나노 입자로 보완되어 CO2
(black/red)와 물 (red/white)을 메탄과 에탄 (black/white)로 변환시키며 산소 (red)를 부산물로 생성함.
3. Nano-traps
-. 비소나 수은 이외에도 음료수가 박테리아로 오염되어 있는 경우 편모충증 (장 질환)이나 콜레라 같은 수인성 전염병에
걸리므로 이들 또한 음료수에서 제거시켜야 함. ⇒ Nano-traps:
나노 필터, 나노 흡수제, 나노 막 기술 (nano-membranes)을 이용하여 수질이나 대기 오염원의 저감에 사용: 역시 분자 차원의 물질 조작/조절이 가능한 특성과 high surface to volume ratio and small size를 이용하여 특정한 오염 물질을 선택적으로 제거 할 수 있는 나노 트랩의 제조. cf. 수질내의 유기 오염물질을 제거 가능한 세라믹 membrane은 passive membrane에 대비 되는 능동형 필터 (특정 오염 물질과 반응하여 무독성 물질로
변환) ⇒ 미국 University of Tennessee에서 미생물 살균용 나노 필터를 개발
-. 다른 한편으로 아래의 사진에 나와 있는 미국 UCLA의 연구진 들은 나노 역 삼투막을 개발 중. 이는 고분자와 나노 입자를 복합시킨 소재로 수용액의 이온을 통과시키나 오염 물질은
걸러냄 (∵ 막을 이루고 있는 나노 크기의 기공 때문) ⇒ 물 분자 만 통과시킴 ⓐ 이를 이용한 해수의 담수화 ⓑ 폐수의 정화가 가능함 ⇒ 유기물과
박테리아의 정화 가능 (∵ 막에 포함 되어있는 나노 입자의 화학 조성에 기인). 기존의 역 삼투막과 달리 박테리아 때문에 막의 기공이 막히지 않으므로 막의 수명이 연장 되므로 경제적 이득.
-. 초 친수성 필터: 맑고 깨끗한 음료수의 획득이 문제가 되는 경우가 많은데 이 때 나노 필터를 쓰면 비소나 중금속을 물에서 걸러낼 수 있고 초 친수성 나노 필터를
쓰면 15 nm이상의 물질은 모두 걸러 내므로 바이러스나 박테리아 모두 제거 가능함. ⇒ 미국 스탠퍼드 대학 연구진이 개발한 값싼 수질 정화용 필터는 은 나노 와이어, 탄소 나노튜브와 전기를 함께 사용하여 박테리아를 살균 ⇒ p. 12 맨
밑의 그림과 같이 살균 효과를 배가시킬 목적으로 면섬유를 은 나노 와이어와 탄소 나노 튜브가 있는 용액에 담그면 면 섬유가 나노 와이어와 나노 튜브로 코팅되는데 이들은 전기 전도체이므로 20볼트의 전원을 걸어주게 되면 98%의 박테리아가 살균됨.
4.
오염의 예방-. 나노 기술을 이용하면 공정 폐기물을 줄인다거나 유독한 화학 물질의 사용을 저감하거나 연료 연소 시 온실가스 발생을
줄인다거나 생 분해형 플라스틱을 사용하거나 할 수 있는데 이러한 방법들은 환경오염을 저감시킬 수 있는 많은 방법 중 몇 개 일 뿐임 ⇒ 마지막으로 나노 촉매 공정을 알아보면 먼저 촉매란 자신은 소모되거나 화학적으로 변화하지 않으면서 화학 반응 속도를 증가시키는 물질인데 재래식 촉매로 가장 많이 사용 되는 것이 Pd나 Pt같은 귀금속소재이다. 이러한 촉매가 지녀야 할 가장 중요한 성질은 실제 화학 반응이 일어나는 ‘활성 표면’
인데 촉매의 크기가 감소함에 따라 활성 표면의 면적은 증가 ⇒ 비례하여 촉매 표면에서 일어나는 반응속도도 증가
-. 최신 연구 결과에 의하면 촉매의 활성 부위의 공간 구성을 조 절 가능 함. 나노입자의 크기와 분자구조/분포 등을 조절하여 나노 구조를 갖는 촉매의 표면을 개발하는 것이 새로운 나노 분야의 연구임.
● 수성 탈황 촉매 반응의 개략도
탈황 연료 반응기의 촉매 재료에 나노입자들이 어떻게 포함될 수 있는가? p. 14 맨 위 오른편의 전자 현미경 사진을 보면 금의
(111)면에 배열된 MoS2나노 입자 들이 결정의 가장자리에서 특정한 원자 분포를 나타냄
① 연료의 탈황 나노 촉매:
연료의 황 성분은 정유 공정에서 생성되고 연료 연소 시 황산을 배출하는데 황 화합물의 함량이 매우 낮은 청정 연료를 제조하는 것이 목적임
ⓐ 아래 사진의 덴마크의 Haldor Topsøe A/S 제품이 전 세계적 으로 사용됨. 이는 황 화합물이 들어있는 연료를 수소로 환원시키 는 것으로 유독한 황성분이 환경을 오염시키는 것을 예방 함.
② 또 하나는 Oxford대 스핀오프 회사인 Oxonica에서 개발한 Envirox fuel로 이는 나노 크기의 CeO2입자로 되어 있는 촉매를 디젤 연료에 첨가, 연소 효율을 증대시켜서 연료 사용량을 약 5%
정도 절감하는 것으로 이의 효과를 입증하였음.
