나노기술의 환경정화응용과 시장전망 -...

2013 정보분석보고서

나노기술의

환경정화응용과시장전망Nanotechnology Applications and Market

Perspective in Environmental Remediation

김경호한국과학기술정보연구원 산업시장분석실

나노기술의

환경정화응용과시장전망

2013년 5월 30일 인쇄

2013년 6월 1일 발행

발 행 인 | 박 서

지 은 이 | 김경호

펴 낸 곳 | 한국과학기술정보연구원 정보분석연구소

주 소 | (분원)서울특별시 동 문구 회기로 66

주 소 | (본원) 전광역시 유성구 학로 245

전 화 | 02-3299-6010

팩 스 | 02-3299-6041

ISBN | 978-89-294-0292-1 93530

�이 책은 저작권법에 따라 보호받는 저작물이므로 무단전재와 무단복제를 금지하며,

이 책 내용의 전부 또는 일부를 이용하려면 반드시 저작권자와 한국과학기술정보연구원의

서면동의를 받아야 합니다.

�이 의 내용은 필자의 견해이며, 한국과학기술정보연구원의 공식적인 의견이 아님을 밝힘니다.

나노기술을 이용하면 환경문제도 해결 가능 05

나노기술은 환경정화에 어떻게 이용되나 11

토양/수질 오염정화에 이용되는 나노입자 21

맑은 물 확보의 해결사, 나노여과막 45

나노 광촉매로 유기 오염물질 제거 53

환경 센싱과 친환경 제조에도 나노기술이 핵심 57

나노기술의 환경응용 시장은 급성장 중 63

맺는 말 89

참고문헌 92

나노기술의

환경정화응용과시장전망 목

차

나노기술을 이용하면

환경문제도해결가능

06 | 07 나노기술의환경정화응용과시장전망

오늘날 지구상의 부분의 국가들은 음용수 확보, 폐기물 및 폐수

처리, 기오염, 토양 및 지하수 오염 등 심각한 환경문제에 직면하

고 있다. 공기, 물, 토양의 질을 유지하고 오염을 정화하는 일은 우

리 시 의 큰 과제중의 하나이다. 공기는 주로 석탄, 오일, 가스의

연소에 기반한 인간 활동이나 산업 공정으로부터 배출되는 수많은

유해물질들(질소산화물(NO2), 이산화황(SO2), 일산화탄소(CO), 염

화불화탄소(CFC), 탄화수소, 유기화합물(VOC, 다이옥신), 중금속

(비소, 크롬, 납, 카드뮴, 아연), 입자물질 등)로 오염되고 있다.

기 중 존재하는 NO2 및 SO2는 산성비의 원인이 되어 토양을 오염

시킨다. 수질 오염은 하수, 폐수, 오일 유출, 토양으로부터 비료, 제

초제 및 살충제의 누출, 화석연료의 제조, 추출 및 연소 등에 기인

한다. 오염물질들은 부분 혼합물로서 존재하므로, 기중, 수중,

토양중의 오염물질을 모니터링, 탐지하고, 이상적으로 처리할 수 있

는 기술들이 필요하다. 많은 경우에, 통상의 정화 및 처리기술은 토

양과 물의 오염 농도를 저감하는데 아주 제한적이다.

물과 공기 등 환경을 오염시키는 근본 원인 중의 하나는 에너지의

과다 사용이다. 석탄과 석유 등의 화석연료를 사용하면 필수적으로

이산화탄소가 발생하고, 에너지를 사용하는 과정에서 물의 오염도

나노기술을이용하면환경문제도해결가능

나노기술을 이용하면 환경문제도해결 가능

초래된다. 더욱이 지금까지 우리의 주 에너지원이었던 화석연료는

점차 고갈되어 가고 있고 유가는 폭등하고 있다. 인류에게 가장 필

요한 존재인 환경과 에너지가 오늘날 가장 심각한 도전을 받고 있는

것이다. 그렇다면 이 문제를 어떻게 해결해야 될까? 환경과 에너지

문제를 해결하기 위한 다양한 노력들 중에서 가장 핵심이 되는 기술

이 바로 나노기술이다. 환경을 보존하고 에너지 고갈 문제를 해결하

기 위해서 과학자들은 크게 세 가지 방법으로 접근하고 있다. 첫째

는 한정된 에너지를 효율적으로 사용하는 것이고, 둘째는 오염이 없

는 에너지원을 만드는 방법이며, 셋째는 공장이나 자동차에서 배출

되는 오염물질을 물, 공기로부터 완벽하게 제거하는 것이다.

근년 나노과학과 나노기술의 발전은 나노스케일에서 물질이 나타내

는 초 기능적 성질로 인해 과학적 학문과 기술 부문에 새로운 차원

을 도입하고 있다. 나노스케일에서 물질들은 벌크 물질과는 다른 전

기적, 자기적, 광학적, 기계적 물성을 나타내어, 여러 산업 분야에

서 혁명적인 기술의 개발을 가능하게 하고 있다[4]. 나노기술은 원자

및 분자 수준에서 물질의 설계 및 조작을 가능하게 하는, 나노스케

일의 구조와 입자를 다루는 넓은 학제간 역역이다. 광의적으로 나노

기술은 길이 스케일 1~100 nm의 물리적 범위에서 물리적 현상을

연구하고 구조체를 제작, 응용하는 기술의 개발과 사용을 의미한다.

미국 EPA는 나노기술을 작은 크기에 기인하는 신규 물성과 기능을

갖는 구조, 소자장치 및 시스템의 제작과 사용, 원자 스케일에서 물

질을 제어, 조작하는 능력으로 정의하고 있다. 나노기술은 다른 기

술들과 융합하여 전자, 화학, 바이오, 생의학 산업 등 수많은 분야

에 혁명을 불러왔으며, 전 산업의 기반기술(platform technology)로

서 위치를 강고히 하고 있다. 이제 나노기술은 환경 정화 기술에도

잠재적 혁명을 약속한다. 즉, 나노기술을 오염 제어, 처리 및 오염

폐기물 사이트의 정화 책에 응용하려는 노력이 증가하고 있다. 이


기술은 오염 사이트 정화(site remediation)를 위한 통상의 방법에

한 효과적인 안으로 증명되고 있으며, 나노기술의 응용이 음용

수 처리에 유용함이 밝혀지고 있다. 이러한 의미에서 나노기술은 환

경오염을 예방∙저감하고, 탐지∙처리할 수 있는 많은 기회를 제공

한다.

나노기술 및 나노기술 제품은 원료물질을 보다 효과적으로 이용할

수 있게 하고, 에너지 효율을 향상시킬 수 있게 하며, 배출오염물질

저감 및 에너지 소비를 감소시키는데 이용될 수 있다. 제조공정에서

의 폐기물 감축, 유해 화학물질 사용 감축, 연료 연소 시 온실가스

배출 저감, 생분해성 플라스틱 사용 등은 환경오염을 줄이는 많은

방법 중의 극히 일부이다. 나노기술은 이미 이 분야에서 오염이 적

은 첨단 재료의 생산, 또는 특정 산업공정의 효율 증가 등의 방법으

로서 활발히 관여하고 있다. 예컨 , 나노기술을 사용한 친환경 나

노재료에는 분해에 최적인 분자구조를 갖는 생분해성 플라스틱, 2차

전지에서 리튬-흑연 전극을 체할 무독성 나노결정 복합체 재료,

그리고 ActivTM Glass(Pilkington사 제품)와 같은 자기정화 유리

(self-cleaning glass)가 있다. 이 유리는 TiO2 나노결정으로 코팅

되어 있어 햇빛을 받으면 유리상의 어떠한 유기 오염 퇴적물도 분해

되며, 비가 내리면 빗물이 유리상에 쉽게 퍼져서 느슨해진 오염물질

이 씻겨나간다. 나노기술이 기여하고 있는 또 다른 분야는 환경 중

으로 보다 안정하고 덜 용출되는 비료와 목재 처리 제품의 개발이

다. 예로, 미시간주립 학(Michigan State University)의 연구자들

은 고분자 나노 입자 내부에 목재 처리용 살생물제(biocide)를 혼입

했다. 이들은 작은 크기 때문에 효율 좋게 나무의 극미세 기공 구조

내부를 이동할 수 있으며, 동시에 살생물제는 나노셀(nanoshell) 내

부에 안전하게 갇혀 있기 때문에 용출이나 랜덤 분해 공정으로부터

보호된다.


또 나노물질은 혼합물 중 특정 오염물질을 인지할 수 있는 특이한

성질을 갖도록 제조될 수 있다. 나노물질은 작은 크기로 인해 고 표

면적/부피 비(surface-to-volume ratio)를 가지고 있어서 매우 민

감한 탐지가 가능하다. 이러한 물성은 초소형의 정 , 고감도의 오

염 모니터링 장치(나노센서)의 개발을 가능케 할 수 있다. 그래서 장

차 나노기술은 오염 사이트의 탐지 뿐 아니라 이들을 처리하는데 사

용될 수 있다. 종국적으로 나노기술은 사용되는 물질의 양을 줄임으

로써 또 보다 덜 독성의 화합물을 사용함으로써 제조공정에서의 유

해 폐기물의 생산을 줄이는 데 사용될 수 있다. 요컨 , 미래에 나

노기술의 사용은 수많은 산업분야로 확 될 것이며, 에너지 소비 저

감, 환경오염 완화, 생산 효율 증 뿐 아니라 맑은 물에 한 요구,

전염병의 치료 등 여러 가지 사회문제를 해결하는데도 유용한 도구

가 될 것이다. 본 보고서는 이러한 나노기술의 응용을 수처리, 토양

및 지하수의 오염 정화를 중심으로 기술 및 시장의 현황을 분석하고

향후 전망에 해 기술하고자 한다.

나노기술은 환경정화에

어떻게이용되나


나노정화기술의 도입

제조 공정으로부터 발생하는 토양 및 지하수 오염은 매우 복잡하고

우려되는 문제이다. 향을 받는 사이트에는 오염된 산업 사이트(인

근의 호수, 강 포함), 누설되고 있는 지하 저장 탱크, 매립지 및 방

치된 광산 등이 포함된다. 이들 지역의 오염물질 중에는 수은, 납,

카드뮴 등의 중금속과 벤젠, 염소화 용매, 방부제 등의 유기화합물

이 있다. 종래 환경오염의 정화에는 현장처리(in situ treatment) 및

이동처리(ex situ treatment) 방법을 사용해 토양, 용출액, 폐수 및

다양한 오염물질에 의해 오염된 지하수를 처리하는 정화 기술들이

개발되어 왔다. 특히 오염 사이트에는 최적 정화를 위해 여러 가지

방법을 혼합 적용하는 것이 필요하다. 화학적, 물리적, 생물학적 기

술들이 오염을 안전 수준으로 저감하기 위해 함께 사용된다. 따라서

성공적인 처리를 위해, 정화기술 적용의 적절한 선택, 설계 및 조정

이 오염물질과 토양의 성질 그리고 시스템의 성능에 기반하여 수행

되어야 한다.

1992년까지 지하수 오염의 지배적인 처리 방법(ex situ 방법)인

양수처리법(pump and treat)은 가장 잘 확립된 시스템 중의 하나로

간주되고 있다[7]. 이 방법은 지중에 존재하는 오염된 지하수를 펌프

나노기술은환경정화에어떻게이용되나

로 지상으로 뽑아내고, 지상에 있는 수처리 시설에서 물리적 또는

화학적 처리를 한 후 다시 수층(aquifer)으로 재주입하는 방법이

다. 이때 사용되는 지상 공정(ex situ process)에는 지하수의 탈기

(air stripping), 탄소 흡착, 생물학적 반응 또는 화학적 침전 등이

있다. 그러나 불행히도, 이들 부분의 방법은 처리 후 다시 처분을

요하는 매우 오염된 폐기물을 배출하며, 결과적으로 작업시간과 비

용이 많이 소요된다[2]. 미국에서는 양수처리법에 의해 처리되는 공공

사이트의 수가 2005년 20% 이하로 감소했으며, 10년 내에 이 방

법이 사라질 것으로 생각되고 있다.

이러한 양수처리법의 체 방법으로 1994년 PRB(permeable

reactive barrier, 투수성 반응벽체)가 최초 설치되었다. PRB는 오

늘날 오염 지하수의 정화에 가장 자주 사용되는 현장 정화(in situ

remediation) 방법으로 입상 가철(zero-valent iron, ZVI)을 사용

하고 있다. ZVI는 산화환원반응(redox)에 기반해 할로겐화 탄화수소

화합물을 효과적으로 탈염소화하며, 질산염(nitrate), 과염소산염

(perchlorate), 셀렌산염(selenate), 비산염(arsenate), 아비산염

(arsenite), 크롬산염(chromate)의 용해 농도를 감소시킨다. PRB는

입상 가철(ZVI)을 사용하여 지하수가 배리어(barrier)를 통과할 때

오염물질을 분해 또는 고정화시키는 물질로 구성된 처리 역이다.

PRB는 오염운(또는 오염체, contaminant plume)의 흐름 내에

구, 반 구 또는 교환가능한 배리어로 설치될 수 있다. PRB의 단점

은 배리어를 통과하는 오염물질만을 정화한다는 것이다. 그래서

PRB는 배리어 역을 넘어서는 고 도 비수성상 액체(dense

nonaqueous phase liquid, DNAPL)나 오염 지하수에는 처하지

못한다.

근년 나노정화기술(nanoremediation)이 이 분야의 연구개발의 중

심 주제가 되고 있다. 나노기술을 이용하면 보다 신속하고 비용 효

나노기술은 환경정화에 어떻게이용되나

과적인 정화 수단을 개발할 수 있다. 나노기술은 수질환경 분야에서

는 음용수 제조, 폐수처리 및 지하수 정화를 위해 적용되고 있다.

나노기술은 또 물과 공기의 오염정화에 사용되는 특정 물성을 갖춘

나노필터, 나노 흡착제 및 나노 멤브레인의 제조에 사용될 수 있다.

오염수 정화에 나노기술의 응용은 나노스케일 여과기술(나노 멤브레

인), 나노입자에 오염물질의 흡착(CNT 등 탄소 필터), 나노입자 촉

매에 의한 오염물질의 분해(TiO2 등 광촉매)로 요약될 수 있다.

나노정화 방법은 오염물질의 무독성화 및 변형을 위해 반응성 물

질을 적용하는 것이다. 이들 물질은 상 오염물질의 화학적 환원

및 촉매반응을 야기한다. 이러한 나노물질의 독특한 성질은 현장 적

용에 가장 최적이며, 이들의 작은 크기와 새로운 표면 코팅은 큰 입

자들에 비해 더 넓게 멀리 확산될 수 있다. 많은 나노물질들이 나노

정화 용도로 평가되고 있다. 여기에는 나노크기 제올라이트, 금속산

화물, 탄소나노튜브, 귀금속 및 이산화티타늄 등이 포함된다. 이들

중 나노스케일 가철(nanoscale zerovalent iron, nZVI)이 지하수

정화에 현재 널리 사용되고 있다. 나노 가철(nZVI)의 반응속도는

마이크론 ~ mm 크기인 입상 철보다 25~30배 더 빠르고, 흡착속

도도 훨씬 높다. nZVI 입자는 단위 질량당 표면적이 입상 철보다

30배나 크며, 반응성도 10~10000배 크다. nZVI는 공기와 접촉

하면 자연 발화하지만, 입상 철은 공기와의 반응이 매우 느려서 표

면 산화반응(rusting)이 느리다. nZVI는 물과 혼합되어 슬러리 상태

로 압력이나 중력에 의해 오염운(plume)에 주입되며, 주입된 입자는

현탁액 상태로 남아 처리 역(zone)을 형성한다. PRB와 비교해 나

노 철 입자 주입법은 PRB가 도달 할 수 없는 더 깊고 넓은 지역(암

반의 틈(crevice)이나 수층(aquifer))의 정화가 가능하다.

또 나노기술은 분자 수준에서 물질을 조작할 수 있어 금속 등 특정

오염물질의 정화 수단의 개발에 사용될 수 있으며, 오염물질에 한


민감도(sensitivity), 친화성(affinity) 및 선택성(selectivity)을 증가

시킨다. 음용수의 수질과 오염물질에 의한 수질오염도 또 하나의 관

심사이다. 수은과 비소는 두 가지의 극단적인 유독 금속이며 매우

높은 건강 위험도를 나타낸다. 나노기술은 이러한 오염물질로부터

물의 처리와 정화를 위한 새로운 방법과, 폐수관리와 담수화를 위한

새로운 기술을 제공할 수 있다.

나노물질의 환경정화 이용

나노구조 과학과 기술은 신규 물질의 제조와 나노크기 빌딩 블록으

로부터 디바이스를 제조하는 것을 포함하는 넓은 연구 역이다. 빌

딩 블록은 1~100 nm 차원을 갖는 나노구조와 나노물질로서, 이를

배열, 조립하여 보다 큰 크기의 분자나 물질을 만드는데 사용된다.

이 공정은‘bottom up’(상향식 조립) 방법으로 알려져 있다. 나노스

케일에서, 물질은 보통 크기의 것과는 다른 물리적, 화학적, 생물학

적 성질을 나타낸다. 예컨 , 금속, 금속산화물, 고분자, 세라믹스

및 탄소 유도체(탄소나노튜브와 풀러렌)와 같은 물질은 나노수준에서

는 표면적/입자크기의 비가 보다 크다. 다시 말해, 입자의 표면적이

입자 크기가 감소함에 따라 증가한다. 그래서 나노 입자는 매크로

입자와는 다른 광학적, 전기적, 자기적 성질을 나타낸다. 나노 크기

에서 입자의 이와 같은 놀라운 성질은 입자 크기의 감소와 함께 표

면 원자 수의 증가에 기인하는 것으로 생각되고 있다.

나노입자(nanoparticle)와 나노물질(nanomaterial)이라는 말이 미

소(微小) 입자를 기술하기 위해 자주 사용되는데, 이들의 정확한 정

의에 해서는 약간의 혼란이 존재한다. 여러 기관에서는 다른 정의

들을 제안하고 있다. 제조나노입자(engineered nanoparticles)란 말

이 하나 이상의 외부 차원이 나노스케일인 모든 개별 입자들에 해


집합적 용어로 가장 자주 사용되며, 제조나노물질(engineered

nanomaterials)은 제조나노입자와 나노구조화 물질(nanostructured

materials)에 한 집합적 용어이다. 나노구조화 물질은 하나 이상

의 나노스케일 외부 차원을 갖는 개별 기능성 제조나노물질로 구성

되어 있다. 그러나 나노다공성 폴리머, 나노스케일 코팅과 같이 제

조나노물질을 함유하지 않을 수도 있다. 나노입자는 특수 물질과 공

정을 위해 의도적으로 제조될 뿐 아니라, 산업공정 부산물로서도 생

성된다. 또 자연에서도 생성되며, 공기, 물, 토양 및 침전물에서 발

견된다.

나노입자 물질은 새롭지만 새로운 것은 아니다. 나노물질의 화학적

조성은 벌크형태(입자크기 마이크론~mm 범위)의 해당 물질과 동일

하다. 그러나 나노입자는 고 비표면적 비(surface-to-volume

ratio)로 인해 완전히 새로운 특성을 나타낸다. 나노크기에서는 양자

효과가 작용하기 때문이다. 예컨 , TiO2는 고 불투명 페인트에서

백색 안료로서 오랫동안 사용되어 오고 있다. 조적으로 TiO2 나노

입자는 가시광(파장 400~800 nm)에 투명하다. 캔의 알루미늄은

무해하지만, 나노 알루미늄은 폭발성이 매우 높아서 로켓 연료로 사

용될 수 있다. 직경 7 nm의 적철석(hematite) 입자는 직경

25~88 nm의 입자에 비해 보다 낮은 pH에서 Cu 이온을 흡수한

다. 이는 산화철 입자의 표면 반응성이 직경 감소에 따라 변하는 것

을 시사한다[5].

나노물질은 질량당 표면적이 커서 큰 입자보다 상당히 반응성이 크

다. 이 효과가 환경정화에 나노물질의 사용을 가능케 한다. 1990

년 이래 제조나노물질의 다양한 환경응용(수 정화, 폐수처리, 실내

및 실외 기 정화, 토양 및 지하수 정화)이 연구되고 있다. 다양한

응용이 실험실 스케일에서 실증되고 있지만, 부분은 아직 필드에

서의 효율성과 안전성의 검증을 필요로 하고 있다. 현재까지 나노물


질이 환경응용 시장에 진입해 있거나 연구가 진행 중인 것으로는 다

음과 같은 것이 있다.

나노스케일 TiO2 : 공기 중 오염물질(NOx, VOCs) 및 수중 오염물질 (미생물,

유기물)의 광촉매 분해

나노여과 : 폐수처리 및 음용수 정화(경도 제거, 담수화)

나노스케일 가철(zero-valent iron, nZVI) : 토양 및 지하수 정화

나노물질의 안전성 문제

나노기술의 잠재적 이점에도 불구하고 인체와 환경에 나노입자 노

출 시 유해한 향에 한 우려가 있다. 나노입자는 섭취, 흡입 또

는 피부를 통해 인체 건강에 부정적인 향을 끼칠 수 있다. 작은

크기로 인해 나노입자들은 큰 입자들이 갈 수 없는 곳(폐포 등)까지

이동, 축적될 가능성이 있으며, 이로부터 잠재적 독성이 증가된다

[2]. 부분의 과학적 연구가 흡입을 통한 나노물질의 흡수와 관련되

어 있지만, 아직까지 그러한 연구가 충분하게 수행되고 있지는 못한

실정이다. 따라서 현재로선 인체 및 환경의 독성에 해 알려진 것

이 많지 않은 상황이다. 일반적으로 입자 유형에 따라 차이는 존재

하지만, 입자가 작을수록 큰 입자보다 반응성이 크고 독성이 강하


그림 1.수질 정화에 이용되는 나노물질 [3]

다. 그래서 벌크 물질로부터 나노입자의 독성 데이터를 예측하는 것

은 거의 불가능하다. 독성과 환경 향의 문제는 특히 모든 나노 정

화 기술에 있어 중요하다. 부분의 경우에 자유 나노입자들은 직접

토양이나 지하수에 첨가되어 환경적 노출이 분명히 일어나기 때문이

다.

가철 나노입자(nZVI)의 독성에 한 연구는 극소수만이 존재한

다. nZVI의 표면 이동성을 최 화하기 위해 표면 개질 방법들이 연

구되고 있다. 이동성의 증가는 보다 효율적인 정화를 가능하게 하지

만, 동시에 오염운(plume) 지역 바깥으로 나노물질이 이동하여 음용

수 수층(acquifer) 또는 우물(well)로 흘러들어가거나 정화공정 시

지표수로 방출될 가능성이 있다. 철 나노입자가 물고기 배아에 산화

적 손상(oxidative damage)을 유발할 수 있으며, 물고기 성체에 있

어서 항산화 균형(antioxidative balance)을 깨뜨릴 수 있다고 한다

[5]. 한편 탄소나노튜브(CNT)의 독성에 한 연구가 여러 연구자들에

의해 발표되었다[2]. CNT는 가벼워 공기를 통해 이동될 수 있으며,

폐로 들어가면 병변이 형성되고 석 보다 큰 독성을 나타내는 것으

로 관찰되었다. 쥐에게 나노튜브를 노출하면 석면과 유사한 폐중피

종(mesothelioma)을 야기할 수 있다고 한다.

나노입자는 크기가 매우 작기 때문에, 폐포를 통해 혈관으로 흡수

될 수 있다. 비독성이지만 생체지속성을 갖는 나노물질들은 미세입

자와 유사한 기작으로 설치류의 폐에 종양을 유도할 수 있는 것으로

생각되고 있다. 이러한 기작에는 DNA 손상 및 세포분열 증 등이

포함된다. 최근 수생태계 독성 및 특정 미생물에 한 연구에 따르

면, 수생태계 내 작은 농도로 존재하는 TiO2 나노입자가 이용형태에

따라 수생식물에 치명적인 독성효과를 야기할 수 있는 것으로 조사

되었다. 이 밖에도 나노 크기의 은이 동일한 농도의 마이크로 크기

의 은보다 수생식물의 죽음을 더욱 증가시키는 것으로 관찰되었다.


생물체 내 나노물질 축적여부에 한 지식은 아직까지 부족한 상황

이다. 또한 나노물질과 환경 내 다른 화학물질과의 상호작용도 조사

되지 않고 있다. 그리고 시장에 유통되고 있는 나노물질의 인체 유

해성이 충분히 평가되지 않은 상황이다. 독성과 안전성의 문제는 민

간 기업들로 하여금 환경정화에 나노기술의 사용을 제한하고 있다.

예컨 , DuPont은 나노입자의 운명과 이동에 관한 문제가 완전히

연구되기 전까지는 자신의 어떠한 사이트에서도 오염 정화에 nZVI

의 사용을 배제하고 있다. 향후 나노제품에 한 소비자의 우려를

감소시키고 나노기술 개발의 장점을 극 화하기 위해 인체와 환경에

미치는 폭 넓은 나노물질의 위해성 평가 연구가 필요하다.


토양/수질 오염정화에

이용되는나노입자

환경정화 방법은 흡착/반응(adsorption/reaction), 현장/이동 처리

(in situ/ex situ treatment) 방법으로 분류된다(<표 1>). 이들 시나

리오에 나노물질의 사용이 연구되어 왔으며, 토양과 지하수 정화에

비용 측면에서 현장 처리법이 가장 유망한 것으로 생각되고 있다.

현장 처리에 있어서 비교적 고정적인 나노입자로 이루어진 현장 반

응성 역을 형성하지만, 오염 역으로 이동하는 반응성 나노입자

운(plume)을 만드는 것이 필요하다. 표토(topsoil)에 적용되기 위해

나노입자는 통상의 농업 기술을 사용하여 오염 토양의 표면에 삽입

될 수 있다. 이들의 여러 가지 방법이 <그림 2>에 나타나 있다.


토양/수질오염정화에이용되는나노입자

표 1.나노입자를 사용한 정화 방법의 분류

현장 처리(In situ) 이동 처리(Ex situ)

흡착결합제(철산화물 등)를 첨가하여 오염 용액을 추출한 후,

(Adsorption)오염물질의 현장 격리 나노여과(nanofiltration)에서처럼

(sequestration) 흡착제로 처리

반응 나노물질(nZVI 등)과 상 오염 용액을 추출한 후,

(Reaction) 오염물질의 현장 반응 TiO2 광산화에서처럼 반응물질로 처리

통상의 정화 기술에는 이동 토양세척과 양수처리(pump-and-

treat), 현장 열처리, 화학적 산화, 철을 이용한 반응성 장벽

(reactive barrier)이 있다. 토양과 지하수의 정화는 일반적으로 고가

이며, 재래적 방법들은 늘 성공적인 것은 아니며 또 정화의 효과를

얻기까지 많은 시간이 걸린다. 양수처리법은 평균 18년의 운전을 필

요로 하지만, 가철 나노입자(nZVI)로 처리할 경우는 1~2년이 걸

린다[22]. <표 2>는 현재 정화에 사용되는 나노입자의 예를 나타낸다.

광촉매는 지하수를 정화하기 위해 양수처리에 사용될 수 있다.

토양/수질오염정화에 이용되는나노입자

그림 2.오염 지하수 및 토양의 정화에 사용되는 현장 적용 기술 [3]

표 2.환경 정화에서 나노입자 사용의 예

이용 공정 사용 나노물질 상 화합물

광촉매 (Photocatalysis) TiO2 유기 오염물질

흡착 (Adsorption)철 산화물,

금속, 유기화합물, 비소덴드리머(dendrimers)

산화화원 반응 나노 가철(nZVI), 할로겐화 유기화합물, 금속,

(Redox reactions) 나노 과산화칼슘 질산염, 비소화합물, 오일

(1) 가철 나노입자(nZVI)의 주입으로 반응 장벽(PRB) 형성; (2) 이동성 nZVI의 주입으로 nZVI 운(plume) 형성; (3) 나노입자

의 표토 혼입으로 오염물질 흡착 또는 분해

가철 나노입자(nZVI)

가철 나노입자의 도입

오염된 토양과 지하수를 정화하기 위해 가철 나노입자

(nanoscale zero-valent iron particles, nZVI)를 사용하는 것이 지

난 10년 사이에 큰 주목을 받아왔다. 정화 기술로서 나노크기 철

입자는 다른 현장 적용 방법에 비해 i) 다양한 환경오염물질에 응용

가능성, ii) 높은 비용효과성, iii) 높은 반응성, iv) 무독성 등 여러

가지 장점을 갖고 있다. 철(iron)은 공기 중에 노출되면 쉽게 산화하

여 녹이 쓴다. 그러나 철이 트리클로로에틸렌(TCE), 사염화탄소, 다

이옥신, PCB와 같은 오염물질 중에서 산화하면, 이들 유기 분자들

은 훨씬 독성이 적은 간단한 탄소 화합물로 분해된다. 철은 비독성

이고 자연계(암석, 토양, 물 등)에 풍부하기 때문에, 이전부터 산업

계에서는 새로운 산업 폐기물의 정화를 위해 마이크로 크기의 철 분

말을 사용하기 시작했다. 그러나 철 분말은 토양이나 수중에 이미

흡수되어 있는 오래된 폐기물의 정화에는 유효하지 않다. 또 입상

철 분말을 사용하는 바이오정화(bioremediation)는 자주 불완전한

결과를 나타낸다. 일부 염소화합물(PCE, TCE 등)은 단지 부분적으

로만 처리되고, 독성의 부생물(DCE 등)이 여전히 처리 후에도 발견

된다. 이러한 결과는 철 분말의 낮은 반응성에 기인한다. 또 하나의

관심사는 시간의 경과에 따른 철 분말의 반응성 감소이다. 이는 철

입자의 표면 위에 부동태화 층(passivation layer)이 형성되기 때문

이다.

그러나 철 나노입자들은 보통 사용되는 철 분말보다 10~1000배

이상 반응성이 강하다[20]. 높은 반응성으로 인해 nZVI 현탁액(슬

러리)이 주입 전에 즉시 재혼합되어야 하기 때문에 지상에 추가적인

설비가 필요하다. 이들은 유기 오염물질과 반응하기 위한 큰 표면적


을 갖고 있으며, 작은 크기(1~100 nm)로 인해 보다 이동성이 커

서, 지하수 흐름에 의해 효과적으로 수송될 수 있다. 나노입자-물

슬러리는 처리가 요구되는 오염 지역에 주입될 수 있다(그림 3). 나

노입자는 토양의 산성도, 온도, 양물질 농도에 의해 변하지 않기

때문에, 현탁 상태로 남아 있어 현장 처리 역을 형성하며 상당한

시간 동안 물성을 유지할 수 있다. 실험실이나 필드에서 수집된 실

험결과들은 나노크기의 철 입자들이 다양한 통상의 환경 오염물질

(염소화 유기 용매, 유기염소 살충제, PCB 등)의 완전한 변환과 무

독성화(detoxification)에 매우 효과적임을 보여준다[20].

나노크기 철 분말의 사용은 어떠한 독성 부생물도 생성하지 않으

며, 입상 철 분말에 비해 나노입자의 반응성과 안정성이 증가한다.

주입 부위의 오염물질 농도는 1~2일 사이에 상당히 감소되며, 수

일 내에 거의 다 제거된다. 안정성 덕분에 나노 철 입자는 한 사이

트에서 지하수에 완전 분산되어 6~8주 동안 활성 상태를 유지하다

가 자연의 철 농도로 낮아진다. 나노 반응성 철(nZVI) 입자는 수

층 내의 고 도 비수성상 액체(dense nonaqueous phase liquid,


그림 3.나노 철 입자(nZVI)를 이용한 현장 정화 [14]

DNAPL)의 정화에도 사용될 수 있다.

나노 가철(Fe0) 입자의 직경은 10~100 nm로, 그 실용성은 +2

및 +3 산화상태로 산화되어 무기 및 유기 화합물을 환원시킨다는

데 있다. 금속 철(Fe0)은 전자 공여체(electron donor)로서 효과적으

로 작용한다.

Fe0 → Fe2+ + 2e- (1)

한편 염소화된 탄화수소는 전자를 받아들여 탈염소화하여 훤원된다[7].

RCl + H+ + 2e- → RH + Cl- (2)

반응 (1)과 (2)를 결합하면 전체 반응은 다음과 같이 된다.

RCl + Fe0 + H+ → RH + Fe2+ + Cl- (3)

nZVI(Fe2+/Fe)의 표준 환원 전위(E0)는 -0.44V이다. 이는 염화 탄

화수소와 같은 유기 화합물 및 Pb, Cd, Ni 및 Cr과 같은 금속보다

낮다. 그래서 이들 유기화합물과 금속은 nZVI에 의해 환원되기 쉽다.

지난 수년 동안 nZVI는 lindane 및 astrzine, pentachlorophenol,

4,4’-dinitrostilbene-2,2’-disulfonic acid 등과 같은 유독, 유해

유기 오염물질의 분해에 광범위하게 사용되어 왔다. 가 금속의 환

원 능력은 할로겐화 탄화수소(DDT, DDD, DDE)의 분해만 아니라,

질산염, 비소, Cr(VI) 및 Pb(II), s-triazines, RDX 및 perchlorate

를 함유하는 오염수의 정화에도 적용되고 있다[7].

<그림 4>는 nZVI의 전형적인 core-shell 구조를 나타낸다. core는

주로 가철 또는 금속 철로 구성되며, shell은 Fe(II)와 Fe(III)의 혼

합가(mixed valence) 산화물로 이루어지며 금속 철의 산화의 결과로

생성된다. 철은 전형적으로 환경 중에서 Fe(II) 및 Fe(III) 산화물로

서 존재한다. nZVI 나노입자는 표면적을 갖고 있고 또 마이크로

입자보다 반응 사이트 수가 많기 때문에 일반적으로 나노정화에서

선호된다. 이것은 <그림 4>에서 보는 바와 같이 흡착과 환원이라는


이중적 성질을 가지고 있다.

가철 나노입자의 제법

가철 나노입자(nZVI)는 top-down(분쇄) 또는 bottom-up(화학

합성) 공정에 의해 생산되고 있다. nZVI의 화학합성에는 용액상 및

기상 합성법 모두 사용될 수 있지만, 부분의 nZVI 입자의 합성 방

법에는 상업적으로나 실험적으로 용액상 합성 방법이 사용된다. 기

상 합성법은 보통 적은 양의 입자를 생산하기 때문에 다량의 nZVI를

요구하는 정화를 위해서는 적절하지 않다. nZVI(Fe0)의 제법에는 다

음과 같은 여러 가지 방법이 있다[8].

1) 수중에서 ferric chloride(FeCl3)와 환원제로 sodium

borohydride (NaBH4)를 반응시켜 얻는다(4Fe3+ + 3BH-4 +

9H2O → 4Fe0↓ + 3H2BO3- + 12H+ + 6H2). 생성된 비정형

nZVI의 일반적 물성은 크기가 10~100 nm, 비표면적이

10~50 m2/g이다. 이 방법에 의해 제조된 입자를 Fe(B)라 부

른다.

2) iron pentacarbonyl(Fe(CO)5)을 200~250℃로 가열하면 nZVI

와 일산화탄소로 분해된다. 반응에서 생성된 나노입자는 크기가

약 5 nm이다.


그림 4. nZVI core-shell 구조와 오염물질 제거 반응의 개념도 [9]

3) 철 산화물과 수소를 반응시키면 200~300 nm의 nZVI 입자를

생성한다.

4) Toda Kogyo의 RNIP(반응성 나노 철 입자, reactive nanoscale

iron particles)는 FeOOH의 가스상 산화로부터 생성된 결정형

나노 철이다. 평균 크기는 70 nm이며 표면적은 29 m2/g이

다. 이 나노입자는 폴리말릭산(polymaleic acid) 또는 폴리아크

릴산(polyacrylic acid)에 의해 코팅된다.

5) 최근 Nanoiron사는 나노크기의 ferrihydrite(Fe23+O3∙

0.5H2O)로부터 nZVI(상품명 NANOFER)를 제조했다. 이 나노

입자는 다른 화학물질에 의해 코팅되기 전에 불활성 분위기 속

에서 저장된다.

6) nZVI는 큰 입자 또는 마이크로 입자의 분쇄에 의해서도 제조될

수 있다.

여러 방법에 의해 제조된 철 입자들은 구조, 크기 분포 및 표면적

에서 서로 다르다. 따라서 입자들은 다른 반응성과 응집성을 갖는

다. Fe(B), NANOFER, RNIP가 가장 많이 사용되고 있다.

가철 나노입자의 특성

안정성(Stability)

nZVI는 상온에서 안정한 상태는 아니다. 건조 상태에서 분말은 공

기와 접촉하면 즉시 점화한다. 건조 상태로 보관하는 것은 불활성 분

위기에서만 가능하다. 안전상의 이유로, nZVI는 부분의 경우 슬러

리로 공급된다. 그러나 현탁 상태에서 nZVI는 매우 신속히 산화철로

산화한다. 가능한 산화제에는 상 오염물질 외에 산소, 황산염, 질

산염, 물이 있다. 이러한 사실은 토양 적용 뿐 만 아니라, 이송 및

저장 시에도 문제가 된다. 그래서 nZVI 현탁액은 산화 반응을 최소


화하고 또 수소 생성을 최소화하기 위해 공기조절된 용기에 담아서

수송된다. 이 때문에 수송과 저장 시간은 최소화 되어야 한다. 입자

의 수명은 현탁액의 pH와 입자 유형에 의존한다고 보고되고 있다[8].

이동성(Mobility)

nZVI 정화의 유효성에는 입자의 이동성이 중요하다. 불행히도,

nZVI 입자는 응집되어 토양 표면에 부착하는 경향이 있다. 따라서

지중에서 분산이 제한되며 따라서 오염 지하수 처리의 효과가 저하

한다. 다공질체 상의 개질하지 않은 나노 철의 이송은 수 미터로 제

한된다. University of Stuttgart의 실험은 미처리 수에서 nZVI의

이동은 수 센티미터로 제한됨을 보여주었으며, 자철석으로 처리되거

나 계면활성제로 코팅된 입자는 약 10cm 이동했다. 입자의 고유한

이동성은 주로 두 개의 요인, 즉 크기(응집 정도)와 전처리(분산, 계

면활성제)에 의존한다. 일차 입자와 동일 크기의 응집체가 서로 다르

게 거동하는지는 분명하지 않다. Wei-Xian Zhang(Lehigh

University)에 따르면, 100~150 nm 크기의 단일 입자가 가장 큰

이동도를 갖는다. Phenrat 등[23]은 동역학적 광산란법으로 nZVI 입

자의 응집을 연구하고, 매우 낮은 농도(약 2 mg/L)에서 입자 크기

는 20 nm에서 10분 후 최종 크기 약 125~1200 nm로 증가했

음을 발견했다. 고농도(약 60mg/L)에서는, 부분의 입자들은 30

분 후 최종 크기 20~70 nm에 도달했다.

nZVI의 이동도를 증가시키는 하나의 방법은 입자 표면을 고분자

전해질(polyelectrolyte), 계면활성제, 샐룰로오스/다당류로 코팅하는

것이다. 표면 코팅에 의해 입자가 원하는 거리만큼 이동하도록 하

는 것이 가능하다고 말한다. 그러나, 중요한 것은 입자의 설계는 늘

고 반응성과 안정성/이동성 사이에는 상쇄 관계(trade-off)가 있다.

nZVI 입자의 안정성, 반응성 및/또는 이동성을 증가시키는 다른 가

능한 방법은 입자를 다른 금속(bimetallic nZVI) 또는 탄소 재료(탄


소에 지지된 nZVI)와 결합하거나, 입자를 유기 멤브레인에 함입시키

는 것이다(에멀전화 nZVI).

가철 나노입자와 오염물질의 반응

환원제로서 nZVI의 반응

nZVI(Fe0)는 실온에서 많은 할로겐화 메탄, 에탄, 에텐 및 기타 할

로겐 화합물을 환원할 수 있는 중간 정도의 환원제이다. 수용성 매체

에서 nZVI는 용존 산소, 물 및 질산염 등 다른 산화제, 그리고 오염

물질과 반응한다. 산화환원 반응으로 인해 nZVI의 적용은 pH의 증

가와 산화환원 전위(oxidation-reduction potential, ORP)의 감소로

귀결된다. 나아가 산소의 소비는 혐기성 분위기를 야기하며, 물의 환

원은 수소를 생성한다. 염소화 탄화수소가 존재하면 다음의 반응이

일어난다[8,12].

RCl + Fe0 + H2O → RH + Fe2+ + Cl- + OH- (3)

nZVI에 의해 염소화 탄화수소를 분해하는 데는 두 가지 경로가 있

다. 첫째는 순차적 탈할로겐화(PCE→TCE→DCE→VC→ethene)를

통한 수소첨가분해(hydrogenolysis)이고, 둘째는 베타 제거(beta

elimination)이다(TCE→chloroacetylene→acetylene→ethene). 후

자는 nZVI와의 반응 중 70~90%에서 일어나는데, 주로 오염물질

이 nZVI와 직접 접촉할 때 일어난다[8].

nZVI가 이온성 중금속 Pb2+와 반응하면 다음의 반응이 일어난다.

Pb2+ + Fe0 → Pb0 + Fe2+ (4)

이 경우 이온성 금속은 원자상 형태나 불용성 염으로 변환된다.

nZVI(Fe0)는 환원제로서 용존산소(dissolved oxygen, DO)와 물과

다음과 같은 redox 반응을 한다[11,13,14,16].


2Fe0(s) + 4H+

(aq) + O2(aq) → 2Fe2+(aq) + 2H2O(l) (5)

(또는 Fe0(s) + O2(aq) + 2H2O(l) → 2Fe2+

(aq) + 4OH-(aq))

Fe0(s) + 2H2O(l) → Fe2+

(aq) + H2(g) + 2OH-(aq) (6)

4Fe2+(aq) + 4H+

(aq) + O2(aq) → 4Fe3+(aq) +2H2O(l) (7)

2Fe2+(aq) + 2H2O(l) → 2Fe3+

(aq) + H2(g) + 2OH-(aq) (8)

반응 (5), (6)은 전형적인 철의 전기화학적 산화 부식 반응으로 용액

의 화학적 및 금속 조성에 따라 가속 또는 저해된다. 반응(6)에서 발

생된 수소는 유기물(CCl3CH3)과 반응하여 탈염소화 반응을 진행한다.

CCl3CH3 + 3H2 → C2H6 + 3HCl (9)

위의 반응들에서 nZVI(Fe0)가 제1철(Fe2+), 제2철(Fe3+)로 산화됨에

따라 pH가 증가하고, 수소가 발생되며, 산화성 물질들이 소비되고,

생성된 강력한 환원 조건은 완전 탈염소화에 이르는 반응경로(금속

으로부터 염소화 유기물로의 산화물 매개 전자전달, 제1철에 의한

염소화 유기물의 환원, 발생된 수소에 의한 환원)에 우호적이다. 결

국 제1철 또는 제2철이 pH와 산화환원 조건에 따라 고체로 침전하

거나 용액 중에 남게 된다. 탄산염, 황화물 또는/및 산화물의 미네

랄 침전물은 반응성 입자에 코팅을 형성하여, 철의 성능을 저해하

며, 수층의 기공성과 침투성을 저하시킬 수 있다. 그러나 염소화

용매의 파괴는 여전히 반응 종료 시까지 계속될 수 있다. 또 강력한

환원 조건의 생성은 혐기성 미생물의 성장을 지지하며 필드에서의

자연 생물학적 분해를 증 시킨다[24].

자주 쓰는 용매인 테트라클로로에텐(tetrachloroethene, C2Cl4)과

같은 오염물질은 철의 산화로부터 전자를 쉽게 받아 다음 반응에 따

라 에텐(ethene)으로 환원된다.

C2Cl4 + 4Fe0 + 4H+ → C2H4 + 4Fe2+ + 4Cl- (10)


제2철(ferric iron)은 수소화붕소(borohydride)에 의해 환원되어

가철을 얻을 수 있다[25].

4Fe3+ + 3BH-4 + 9H2O →4Fe0↓ + 3H2BO3- + 12H+ + 6H2 (11)

가철에 의한 염소화 화합물의 환원 반응은 다음과 같이 진행된다

[15].

C2HCl3 + 4Fe0 + 5H+ → C2H6 + 4Fe2+ + 3Cl- (12)

상 오염물질

nZVI는 유기 오염물질(PCE, TCE 등 할로겐화 유기용매, DNAPL)

의 환원적 분해 뿐 아니라 과염소산염(perchlorate)과 같은 무기물을

효과적으로 분해 또는 고정화할 수 있기 때문에 그 응용 가능성은

넓다. 또 용액으로부터 용존 금속(중금속 이온)의 회수/제거에도 사

용될 수 있으며, 토양에 흡착된 다환 방향족 탄화수소(polycyclic

aromatic hydrocarbons (PAHs))와 PCB(polychlorinated

biphenyls)의 효율적 제거도 보고되고 있다. 산화제로 작용하는

nZVI는 저농도의 혼화성 휘발성 유기물(MTBE, MTBA, 1,4-

dioxane 등)의 처리에도 사용될 수 있다. 나노크기 금속 산화철을

토양에 첨가하면 토양 금속을 고정화시키게 된다. 매우 반응성이 높

은 철산화물인 녹청(green rust)은 Cr(VI)을 Cr(III)로 환원시키는데

사용될 수 있다. Cr(III)은 불용성이며 돌연변이 유발물질인 Cr(VI)

보다 훨씬 독성이 작다[26].

철 산화물은 지하수로부터 금속 뿐 아니라 비소 및 비소화합물

(arsenate)도 흡착할 수 있다. 철 산화물 나노입자는 표면적이 크기

때문에 마이크로 입자보다 5~10배 많은 비소와 결합한다[26]. 연구

실 실험에서, 물중의 비소의 99% 이상이 12 nm 철산화물 나노입

자에 의해 결합, 침전되었다. 이 방법은 적어도 현재의 시스템보다


2500~25000배 효율이 높다. 미국에서 많은 오염 사이트들은 군

사 기지에 분포해 있으며, 미 해군과 NASA는 수년간 오염 사이트의

정화에 nZVI를 사용했으며, 그로부터 긍정적인 경험을 가지고 있다.

<표 3>은 나노 철 입자로 처리 가능한 상 오염물질을 요약한 것

이다. 이러한 오염물의 현실적인 분해 효율은 보통 1년 내

60~80%라고 말해진다.

에멀전화 가철 나노입자(Emulsified nZVI, EZVI)

앞에서 기술했듯이 nZVI는 염소화 유기화합물의 파괴에 효율적이

다. 그러나 이동성의 제약 때문에, DNAPL(고 도 비수성상 액체:


표 3.나노 철 입자로 처리 가능한 환경 오염물질 예[14]

종류 오염물질 예

Chlorinated methanes Carbon tetrachloride (CCl4), Chloroform (CHCl3) Dichloromethane (CH2Cl2), Chloromethane (CH3Cl) Tetrachloroethene (C2Cl4), Trichloroethene (C2HCl3)

Chlorinated ethenes cis-Dichloroethene (C2H2Cl2), trans-Dichloroethene (C2H2Cl2), 1,1-Dichloroethene (C2H2Cl2), Vinyl chloride (C2H3Cl)Hexachlorobenzene (C6Cl6), Pentachlorobenzene (C6HCl5),

Chlorinated benzenes Tetrachlorobenzenes (C6H2Cl4), Trichlorobenzenes (C6H3Cl3), Dichlorobenzenes (C6H4Cl2), Chlorobenzene (C6H5Cl)

TrihalomethanesBromoform (CHBr3), Dibromochloromethane (CHBr2Cl) Dichlorobromomethane (CHBrCl2)

Other polychlorinated PCBs, Dioxins, Pentachlorophenol (C6HCl5O)

hydrocarbonsOther organic

N-nitrosodimethylamine (NDMA) (C4H10N2O), TNT (C7H5N3O6)contaminantsPesticides DDT (C14H9Cl5), Lindane (C6H6Cl6), chlorinated cyclohexanes

Organic dyesOrange II (C16H11N2NaO4S), Chrysoidine (C12H13ClN4) Tropaeolin O (C12H9N2NaO5S), Acid Orange, Acid Red

Heavy metal ionsMercury (Hg2+), Nickel (Ni2+), Silver (Ag+), Cadmium (Cd2+), Zinc(Zn2+), Beryllium(Be2+)

Inorganic anionsDichromate (Cr2O7

2-), Arsenate (AsO43-), Perchlorate (ClO4-),

Nitrate (NO3- )

물보다 도가 크고 물에 혼합/용해되지 않는 액체)의 제거에는 어려

움이 있다. 따라서 환원적 탈할로겐화(reductive dehalogenation)를

촉진하기 위해서는 수용액상으로 존재해야 할 필요가 있다. 그래서

NASA Kennedy Space Center와 University of Central Florida의

연구자들은 nZVI를 전달하는 새로운 방법을 개발했다. 즉 에멀전화

가철(Emulsified nZVI, EZVI)이다. EZVI는 DNAPL의 현장 처리

를 위해 개발되었다. EZVI는 nZVI, 물, 계면활성제(식품 등급), 생

분해성 식물성 오일로 제조되며, 물로 둘러싸인 철 코어(마이크로 또

는 나노입자)가 계면활성제와 식물성 오일로 둘러싸인 액적 속에 채

워져 있다(<그림 5>). 계면활성제로 안정화된 oil-liquid 막이 수중

에서 철 입자 주위에 형성되며, 이 막은 소수성을 나타낸다. nZVI

core를 사용할 시 액적의 크기는 략 직경 15㎛이다.

오염물질 중 트리클로로에탄

(TCE)과 DNAPL은 소수성이지만

에멀젼과는 혼합이 가능하기 때문

에, DNAPL은 이 막을 통하여 수

성상(aqueous phase)의 에멀전

액적 내부로 확산하여 nZVI에 의

해 연속적으로 환원적 탈염소화 반

응을 겪게 된다. 오일 막 내부에서

는 농도 구배가 생성되며, 이것이

구동력으로 작용하여 추가적인

TCE가 막 내부로 이동하고 분해가 진행된다. EZVI의 잠재적 이점

은 nZVI를 둘러싸고 있는 소수성 막이 무기화합물 등 다른 지하수

성분으로부터 nZVI를 보호한다는 것이다. 만약 그렇지 않으면 이들

성분이 nZVI와 반응해 그 능력을 저하시키거나 철 표면을 부동태화

시킨다[2]. NASA에 따르면, EZVI는 신속하고 매우 비용효과적이다.


그림 5. EZVI 입자의 구조[2]

다른 환원 기술과 달리 EZVI는 고 용존 산소 또는 염수 조건에서도

효과적이며, 철 나노입자 주위의 오일 막이 철의 부식을 막아준다.

NASA는 필드 테스트에 성공하고 EZVI를 7개 회사에게 라이센스했

다. 이들은 현재 EZVI를 트리클로로에탄(trichloroethylene, TCE)

및 퍼클로로에틸렌(perchloroethylene, PCE)의 상업적 처리에 사용

하고 있다. nZVI를 이용하는 정화의 약 11%가 EZVI에 의해 행해

지고 있다. 유럽에서는 EZVI를 사용하는 기업은 아직 없다.

자성 철 나노입자

환경정화에 유용한 또 다른 나노입자는 자성 나노입자(magnetic

nanoparticle)이다. 자성 물질이 나노크기로 작아지면 벌크 자성 물

질과 다른 자화 거동을 나타낸다. 자성 나노입자는 비자성 나노입자

에 비해 이점을 제공한다. 자성 나노입자는 자장에 의해 물로부터

쉽게 분리되기 때문이다. 자장 구배(gradient)를 이용해 분리하는 것

(고 구배자력분리, high magnetic gradient separation(HGMS))은

의약 및 광석 가공에서 널리 사용되는 공정이다. 이 기술은 입자가

물로부터 화합물을 선별, 제거할 뿐 아니라, 다시 쉽게 화합물에서

분리되어 재활용 또는 재생될 수 있다. 이 방법은 폐수로부터 크롬

(VI)을 제거하기 위해 자철석(magnetite, Fe3O4), 자적철석

(maghemite, g-Fe2O3), 자곱사이트(jacobsite, MnFe2O4) 나노입

자에 해 제안되고 있다[11]. 물로부터 방향족 화합물의 제거와 재사

용을 위해 물과 쉽게 분리하기 위해 수용성 CNT가 자성 철 나노입

자로 기능화되고 있다.

최근 라이스 학의 CBEN(Centre for Biological and

Environmental Nanotechnology)의 연구자들은 녹(rust) 나노입자들

이 자석을 이용해 물로부터 비소를 제거하는데 사용될 수 있음을 발


견했다. 비소가 녹에 쉽게 달라붙는 성질을 이용한 것이다. 녹은 근

본적으로 산화철이라서 자성을 띠며 자석을 이용해 물로부터 제거될

수 있다. 녹은 직경 약 10 nm로 큰 표면적을 갖고 있어 제거효율

이 크다. 자기장을 가하면 철 나노입자의 초상자성

(superparamagnetism)이 발현되는 것을 이용해 물 시료 중 99%

이상의 비소가 직경 12 nm 산화철 나노입자에 의해 제거되었다[2].

현재 오염수로부터 비소를 제거하는 다른 기술들(원심분리, 여과 시

스템)에 비해, 이 방법은 간단하다는 장점이 있다. 가장 중요한 것은

전기를 필요로 하지 않기 때문에 전력에 한 접근이 제한적인 벽지

에서 사용이 가능하다.

Pan 등[27]은 나노스케일 자철석 입자가 흡착에 의해 토양중 인산염

을 성공적으로 고정화시킬 수 있음을 발견하 다. 자철석의 마이크

로 입자와 나노입자를 각각 카르복시메틸 셀룰로오스

(carboxymethyl cellulose)로 코팅하여 안정화했을 때 나노입자들만

이 토양 컬럼을 통과할 수 있음을 발견했다. 비안정화 나노 자철석

(non-stabilized nanomagnetite)은 빨리 마이크로입자로 응집하기

때문에 중력 하에서 토양 컬럼을 통과할 수 없다. 그러나 코팅된 나

노입자는 작은 크기와 카르복시메틸(carboxymethyl) 그룹에 의한

음전하 증가로 이동성이 커지게 된다. 따라서 많은 양으로 코팅된

나노입자는 음으로 전된 토양 입자와의 전하 척력(repulsion)에 의

해 컬럼을 통과할 수 있는 것이다. 한편 특정 기능 그룹으로 수식된

자성 나노입자는 수중의 박테리아 검출에도 사용된다.

이원금속 철 나노입자

환경 응용에 사용되는 또 다른 유형의 나노입자는 이원금속 나노입

자(Bimetallic Particles, BNZVI)이다. 이원금속 나노입자는 가철


(nZVI)의 반응성을 높이기 위하여 nZVI를 금속 촉매(팔라듐, 백금,

니켈, 은, 구리)로 코팅시킨 형태(Pd-Fe, Pt-Fe, Ni-Fe, Ag-Fe,

Cu-Fe)로 구성되어 있다[2,8]. 이 금속 조합은 산화환원 반응 속도를

증가시켜 반응을 촉진하며, 유독 부생물의 생성을 방지 또는 저감할

수 있다. 가장 자주 사용되고 상업적으로 구입 가능한 이원금속 나

노입자는 Pd-Fe 나노입자이다. Pd-Fe 나노입자는 프레시 나노 철

입자를 1wt% palladium acetate ([Pd(C2H3O2)2]3)를 함유하는 에

탄올 용액으로 함침되어 제조된다[14]. 이것은 Fe 표면에 Pd의 환원

과 연속 증착을 일으킨다.

Fe0 + Pd2+ → Fe2+ + Pd0 (13)

유사한 방법으로 Pt-Fe, Ni-Fe, Ag-Fe, Co-Fe, Cu-Fe 이원금

속 입자를 얻을 수 있다[8,14].

Pd-Fe 나노입자는 nZVI보다 활성이 크고 안정하여 표면 반응 속

도가 nZVI의 100배 이상 크기를 나타내므로 이를 이용하면 정화

기술을 한층 향상시킬 수 있다. Pd-Fe 이원금속 나노입자는 일반적

으로 지하수중 TCE의 제거에 사용된다. 한 연구에서 팔라듐은 TCE

를 에탄으로 변환하며, 염화비닐과 다른 염소화 중간체(혐기성 바이

오정화와 철 금속에서 자주 일어남)의 생성을 최소화한다[2]. 이러한

이원금속 나노입자들은 활성탄이나 실리카와 같은 고체 지지체 상에

코팅되어 오염수와 산업폐수의 이동처리(ex-situ)에 사용될 수 있

다. BNZVI는 반응속도는 높지만 그로 인해 수명이 짧다. 미국에서

약 nZVI 정화의 약 40%가 BNZVI를 사용하고 있으며, 50%가 표

준 nZVI를 사용하고 있다. 그러나 리베레츠 학(University of

Liberec, 체코)의 Miroslav Cernik 교수는 BNZVI의 반응이 너무

빠르고 수층에서 입자의 짧은 수명 때문에 정화에 적합하지 않다

고 말한다. 유럽의 전문가들도 BNZVI의 잠재적 이점(높은 반응성)

이 단점(독성과 고 비용)을 능가하지 못한다는데 동의한다. 아직 유


럽에서는 BNZVI의 필드 적용 예가 없는데, 이는 주로 촉매의 독성

에 한 우려 때문이다.

탄소에 지지된 nZVI (C-nZVI)

nZVI는 집합하는 경향이 있어 토양 표면에 부착하여 결과적으로

정화의 유효성 손실을 초래한다[8]. Helmholtz Centre for

Environmental Reserach(독일)는 오염 수층에서 nZVI의 분포를

향상시키기 위해 nZVI 입자를 철 또는 이원금속의 지지체로서 콜로

이드 활성탄 나노입자에 지지한 C-nZVI를 개발했다. 이 탄소 미소

판(platelet)은 직경이 50~200 nm로 근본적으로 모든 토양의 토

사(silt) 크기보다 작다. 흡착제 활성탄과 환원제 ZVI의 결합은 매체

중의 분포 향상으로 인해 정화 속도를 증가시키므로, 이를 이용한

흡착/반응 시스템은 염소화 탄화수소의 분해에 유망한 것으로 기

된다. 그러나 아직 C-nZVI 입자에 한 파일럿 시험이 행해지지 않

아 이들이 계면활성제 처리된 nZVI의 효과적인 안이 될 수 있는지

에 해서는 불분명하다. 또 이 기능화된 nZVI 입자들의 비용이 통

상의 nZVI 입자들 보다 상당히 높을 것으로 예상된다.

TiO2 및 ZnO 나노입자

빛에 의해 활성화된 나노입자가 여러 매체 특히 물로부터 오염물질

을 제거하는 능력에 해 연구되고 있다. 반도체 TiO2와 ZnO가 특

히 연구의 관심을 끌고 있는데, 이들은 쉽게 구할 수 있고 저렴하

며, 나노 크기의 TiO2와 ZnO는 동일한 물질 부피에 해 보다 활성

표면이 크기 때문이다. TiO2와 ZnO는 태양광을 사용해 독성 오염물

질(염소화 세제 등)을 무해한 물질로 변환하는 능력을 나타낸다. 이

를 이용하면 태양광 촉매 정화 시스템(solar photocatalysis remediation


system)을 구성할 수 있다. 그러나 이 기술은 효율 측면에서 향상될

필요가 있다. TiO2와 ZnO는 태양광 스펙트럼의 단지 5%를 구성하

는 UV 광선만을 흡수하기 때문이다. 이러한 맥락에서, TiO2와 ZnO

의 UV에서 가시광선까지 광응답 창(photoresponse window)을 확

하기 위해 이들 입자의 표면을 유기 또는 무기 염료로 개질할 필

요가 있다. 금 나노입자 또한 TiO2의 활성을 증가시키는 물질로 연

구되고 있다. 최근의 연구에서 ZnO 나노입자는 염소화 페놀의 센서

로서 또 광촉매 분해 수단으로서 작용할 수 있음을 보여준다.

탄소나노튜브(Carbon Nanotubes, CNT)

탄소나노튜브의 특성

탄소나노튜브(CNT)는 새로운 형태의 탄소로서 속이 빈 모노리스

실린더형 막이다[11]. CNT의 탁월한 흡착능, 기계적 물성, 독특한 전

기적 성질, 높은 화학적 안정성, 큰 표면적 등 특이한 물성으로 인

해 발견 이래 큰 연구적 관심을 끌고 있다. 이러한 성질은 매우 작

은 크기, 균일한 기공분포 및 면적에 기인한다[3]. CNT는 튜브상으

로 말린 나노물질이며, 나노튜브를 구성하는 탄소 원자의 층수에 따

라 단일벽 나노튜브(single-walled carbon nanotubes, SWCNT)와

다중벽 나노튜브(multi-walled carbon nanotubes, MWCNT)로 나

뉜다[2]. CNT는 놀라운 흡착성질을 나타내는 나노흡착제이다. CNT

표면의 그래파이트 시트에 탄소 원자의 6각형 배열은 다른 분자나

원자와 강력한 상호작용을 한다. 이것이 CNT를 활성탄을 체하는

유망한 흡착제로 만들고 있다. CNT는 다공성 구조로 인해 활성탄

보다 다이옥신 및 불소화합물 제거 능력이 상당히 우월하다. CNT는

Cr3+, Pb2+, Zn2+와 같은 중금속, 비소 화합물과 같은 메탈로이드,

유기물, 생물학적 불순물의 제거와, 다이옥신 및 VOC와 같은 많은


유기, 무기 오염물질을 제거하는데 이용된다[2]. 또 CNT는 박테리아

나 탄화수소의 제거에 효율적이며, 초음파처리(ultrasonication)나

고압살균(autoclaving)에 의해 쉽게 재생될 수 있다.

물, 이산화탄소 및 메탄은 탄소나노튜브 표면에 약하게 흡착하지

만, 산소 및 전하 수용체로 거동하는 다른 분자들은 물보다 4~5배

나 큰 흡착 에너지를 갖고 있다. 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT) 다

발의 흡착점은 튜브의 내부 기공, 튜브간의 삼각 채널 공간, 다발의

외부 표면 또는 다발 외부의 인접 튜브 사이의 접촉 지점에 형성된

홈 등에 있을 수 있다. 다시 말해, 나노튜브의 표면에 어떤 기능 그

룹이나 결함(defect)이 분자와 이온의 흡착에 중요한 역할을 할 수

있다.

다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)에 있어 흡착은 응집된 기공, 튜브

내부, 또는 외부 벽면에서 일어날 수 있다. MWCNT는 지하수 중의

2,3-디클로로페놀, 중금속을 제거하는 우수한 흡착제로 입증되고

있다. Pb(II), Cu (II), Cd (II)에 한 MWCNT의 흡착 능력은 물

정화에 통상적으로 사용되는 분말 활성탄 및 입상 활성탄보다 3~4

배 크다.


그림 6.단일벽 탄소나노튜브(A)와 다중벽 탄소나노튜브(B)의 구조[2]

1~2nm 2~25nm

0.36nm

0.2~

5 μm

(A) SWCNT (B) MWCNT

탄소나노튜브의 기능화(Functionalization)

나노튜브 표면은 화학적으로 개질되어 특정 이온이나 분자의 흡착

을 향상시킬 수 있다. 수 분산성(또는 용해도) 증가와 흡착능 향상을

위해 CNT를 산화산(oxidized acid)으로 산화하면 CNT 표면에 많은

기능성 그룹(수산기(-OH), 카르복시기(-COOH), 카르보닐기

(>C=O))을 도입할 수 있다[3]. 이러한 CNT 표면에 부착된 기능 그룹

은 용액 중 금속 이온과 유기 오염물질에 한 흡착 능력을 향상시

킨다. CNT 상에 중금속 흡착은 표면 기능 그룹, 표면적, 용액 구성

성분에 의존하는 것으로 나타났다. 가장 중요한 요인은 산화산

(oxidized acid)이 생성하는 표면 기능 그룹이다. 질산에 의한 산화

처리는 양이온(cation) 교환 능력을 증가시키는 것으로 알려져 있다.

아미노기로 기능화된 MWCNT는 Cd2+에 해 탁월한 흡착능을 갖는

것으로 밝혀졌다.

2006년 Jin 등은 발암물질로 여겨지는 방향족 화합물의 효과적

제거를 위하여 MWCNT를 Fe 나노입자로 기능화시켰다. 또 CNT를

azodiisobutyro nitrile(AIBN)로 열분해하고 NaOH로 환류(reflux)

하여 기능화된 수용성 MWCNT 나노입자(Fe-MWCNT-

CH2COONa)를 제조했다. 이것에 의한 벤젠, 톨루엔, 디메틸벤젠 및

스티렌의 흡착율은 각각 79%, 81%, 83%, 88%로 나타났다. 이

는 Fe-MWNT-CH2COONa가 벤젠이나 그것의 방향족 화합물의 제

거를 위한 잠재적 흡착제로 사용될 수 있음을 보여주는 것이다. Fe-

MWCNT-CH2COONa는 또한 특이적인 자성 분리 능력으로 인해

분리되어 재사용될 수 있다[2].

기타 나노물질

나노물질은 공기로부터 금속 오염물질을 제거하는데도 사용될 수



있다. 예컨 , 실리카-티타니아 나노복합체가 연소에서 발생되는 증

기로부터 원소상 수은(Hg)을 제거하는 연구가 진행되고 있다. 이들

나노복합체에서 실리카는 지지체 물질로 작용하며, 티타니아는 수은

을 덜 휘발성인 산화수은(mercury oxide) 형태로 변환한다. 나노 과

산화 칼슘(nanoscale calcium peroxide)도 여러 가지 유기 오염물

(가솔린, 난방유, methyl tertiary butyl ether (MTBE), 에틸렌

리콜, 용매)을 함유하는 토양의 정화에서 산화제로 사용되고 있다.

나노 과산화 칼슘은 방향족을 제거하는데 매우 효율이 좋은 것으로

말해지며, 또 바이오정화 향상을 위해 사용되고 있다. 과산화 칼슘

과 물의 반응으로 생성된 산소는 호기성 환경을 만들어 토양 중의

호기성 미생물에 의한 자연 바이오정화를 활성화한다.

덴드리머(dendrimer) 형태의 킬레이트 시약(chelating agent)이 또

한 금속 오염물질의 제거를 위해 연구되고 있다. 덴드리머는 제어된

조성과 나노크기를 갖는 고도로 가지화된(highly branched) 폴리머

이다. 이들은 케이지(cage)로 작용해 금속 이온과 가(zero-

valent) 금속을 포집하도록 설계될 수 있다. 그래서 이들을 적절한

매체에 용해시킬 수 있으며, 특정 표면에 결합되도록 할 수 있다.

탄화수소가 용액 중에서 은 및 금 나노입자의 촉매적 작용에 의해

파괴, 미네랄화되어, 금속 할라이드 및 비정형 탄소를 생성한다는

것이 보고되었다[7]. 또 금, 은 나노입자는 수용액으로부터 ppm 이하

농도의 엔도설판(endosulfan, 강력 살충제)의 탐지와 추출에 사용되

고 있다. Jain 등은 은 나노입자로 코팅된 폴리우레탄 폼(foam)이

항균 여과 필터로 작용하며, 실용적인 목적에 사용될 수 있음을 시

사했다. 클로르피리포스(chlorpyrifos, 농약)와 말라티온(malathion,

액상 살충제)도 활성 알루미나로 지지된 금, 은 나노입자에 의해 효

과적으로 제거되었다[7].

<표 4>는 환경정화에 이용되는 나노입자들을 요약한 것이다.


표 4.환경 정화에 이용되는 나노입자들의 성능 비교[13]

나노입자 유형 처리기작 상 오염물질 이점 단점

Nanoparticles 광촉매유기 오염물질

비독성, 수불용성, 고 운전비용,

based TiO2 산화 광안정성 회수 곤란, 슬러지 발생

Nanoparticles 환원,중금속, 음이온, 현장 정화, 회수 곤란, 슬러지 발생,

based iron 흡착유기오염물질 토양/수질처리, 슬러지 처리 비용,

(탈염소화) 저비용, 취급 안전 건강 위험

Nanoparticles 환원, 탈염소화, 철 나노입자보다 회수 곤란,

based 흡착 탈질화 고 반응성 슬러지발생

Bimetallic

저비용, 독특한 구조,

중금속,장기 안정성, 재사용,

Nanoclay 흡착유기 오염물질

고 흡착 능력, 슬러지 발생

회수 용이,

큰 표면적/기공부피

공기/물 오염처리, 고 투자비,

Nanotube & 흡착

중금속, 음이온, 탁월한 기계적 물성, 낮은 흡착능력,

fullerene 유기 오염물질 독특한 전기적 성질, 회수 곤란, 슬러지발생,

높은 화화적 안정성 건강 위험

분리 용이, 재생가능,

큰 결합력,

중금속, 비용효과적,

Dendrimers 캡슐화유기오염물질

슬러지 미발생, 고비용

오염농도를 수 ppb로

저감, 토양/수질

오염처리

토양중의현장처리, 소수성

Micelles 흡착유기오염물질

유기오염물질에 고비용

한 높은 친화력

Metal-sorbing 재사용, 높은 선택적

vesicles흡착 중금속 흡수 프로파일,

높은 금속 친화력

Magnetite 흡착

중금속, 분리 용이, 분리를 위해 외부

nanoparticles 유기오염물질 슬러지 미발생 자기장 필요, 고비용

Nanofiltration 유기/무기 고비용,

& nanosieve 나노여과화합물

RO보다 낮은 압력막 오염 가능성

membranes

맑은 물 확보의 해결사,

나노여과막

수처리 정화를 위한 나노기술은 세계의 물 안보 및 식량 안보에 중

요한 역할을 한다. 인구 증가, 가뭄, 전통 수자원의 오염 때문에 세

계적으로 맑은 물에 한 요구는 점증하고 있다. WHO(2004년)는

10억명의 인구가 음용수에 접근하지 못해 위험에 처해 있으며, 또

다른 26억명이 맑은 물에 접근하지 못하고 있다고 보고했다[6]. 이렇

듯 천연 물의 부족이 전세계 많은 지역 사회의 발전과 사회적 안보

를 위협하면서, 물의 재이용, 해수의 담수화, 물의 정화를 보다 효

율적이고 비용효과적으로 실시하기 위한 해결책은 나노기술의 이용

으로부터 출현할 것으로 기 되고 있다. 맑은 물 공급을 증 하기

위한 신기술의 혁신은 3가지 막분리 공정의 확립과 함께 1960년

의 역삼투(reverse osmosis, RO), 한외여과(ultrafiltration, UF)

및 마이크로여과(microfiltration, MF)로부터 시작되었다(<표 5>).

1970년 및 1980년 동안, 나노여과 막(Loose RO)이 역삼투와

한외여과 사이의 중간 여과 막으로 개발되었다. 바닷물, 염수

(brackish water), 폐수, 지표수 및 지하수로부터 식수의 생산을 위

해 다양한 형태의 막을 사용하는 막 공정은 점점 인기를 얻고 있다.


맑은물확보의해결사,나노여과막

나노재료로부터 제조된 수처리 나노여과(NF) 막에는 i) 탄소나노튜

브, 나노입자 및 덴드리머와 같은 나노재료로부터 제조된 나노구조

화 막, ii) 금속 나노입자 및 다른 나노재료로부터 제조된 나노반응

성 멤브레인이 있다[6]. NF 막은 압력에 의해 구동되는 막이다. 물성

은 역삼투와 한외여과막의 중간 쯤이며, 0.2~4 nm의 기공크기를

갖고 있다. NF 막은 부유물, 미생물, 무기 이온(Ca, Na)을 제거할

수 있는 것으로 알려져 있다. 이들은 지하수의 연수(softening, 물의

경도를 저감), 지표수로부터 용존 유기물질 및 미량 오염물질의 제

거, 폐수처리(유기 무기 오염물질 및 유기 탄소의 제거) 및 해수 담

수화 공정의 전처리에 사용되고 있다.

나노멤브레인

나노멤브레인(nanomembranes)은 수처리를 위한 멤브레인 기술

중 최신 기술 중의 하나이다. 멤브레인에 사용되는 물질로는 유기

고분자 및 무기 세라믹이 이용되고 있다. 무기소재(산화알루미늄, 산

화지르코늄 등)를 이용하여 만든 세라믹 막은 내열성, 내약품성, 내

유기용매성 등이 우수하며, 기계적 강도도 크며, 고분자로 만들어진

유기막에 비하여 고온의 가혹한 조건에서도 사용될 수 있으므로, 다

맑은물확보의 해결사, 나노여과막

표 5.멤브레인의 형태와 특성[6]

멤브레인 형태 기공 크기(nm) 압력(bar) 여과 처리된 물

역삼투<0.6 30~70 순수(Pure water)

(Reverse osmosis)

나노여과0.6~5 10~40 순수, 저분자 용해질

(Nanofiltratrion)

한외여과5~50 0.5~10

순수, 저분자 용해질,

(Ultrafiltration) 거 분자

마이크로여과50~500 0.5~2

순수, 저분자 용해질,

(Microfiltration) 거 분자, 콜로이드

양한 하∙폐수 처리에 적용될 수 있다. 나노멤브레인을 이용한 여과

공정은 음용수처리시설, 식품산업 및 섬유/염료 산업체 등에 적용되

고 있는 상황이다. 특히 해수의 담수화(desalination) 분야에서 나노

기술에 한 잠재적 가치가 매우 높을 것으로 전망되고 있다. 다른

응용에서처럼, 나노기술이 이 분야에서 유망한 것은 나노물질의 작

은 크기와 고 표면적/부피 비(surface-to-volume ratio)와 함께 분

자 수준에서 물질이 조작될 수 있는 능력 때문이다. 원리적으로는

특정 오염물질에 맞게 설계된‘nano-trap’이 제조될 수 있다. 예컨

특정 기공 크기와 표면 반응성을 갖도록 제조될 수 있다. 예로,

Rice 학 CBEN의 연구자

들은 수중의 유기 폐기물을

처리할 수 있는 반응성 산

화철 세라믹 멤브레인

(ferroxane membrane)을

개발하고 있다(그림 7).

필터와 멤브레인 역시 특

정 오염물질을 포집할 뿐

아니라 화학적으로 그것과 반응하고 무독성 생성물로 변환할 수 있

다는 점에서 능동적(active)인 것으로 설계될 수 있다. 예로 테네시

학(University of Tenessee)의 연구자들은 미생물을 제거하기 위

해 새로운 유형의 나노 섬유를 연구하고 있다. 이는 여과에 의해 접

촉 시 세균을 죽일 수 있다. 나노 멤브레인의 흥미로운 응용이

UCLA 연구자들에 의해 개발되었다. 이는 해수 담수화 및 폐수정화

를 위한 역삼투(RO) 막이다. 이 막은 독특하게 폴리머와 나노입자들

이 가교된 매트릭스로 구성되어 있어 물 이온을 끌어들이지만, 오염

물질은 배척한다. 이는 멤브레인을 형성하는 기공이 나노 크기이기

때문에, 물 분자만이 접근 가능한 터널이다. 나노 멤브레인의 또 하


그림 7.세라믹 나노멤브레인[1]

나의 큰 특징은 유기물과 박테리아를 배척하는 능력이다. 이는 멤브

레인에 혼입된 나노입자의 화학적 조성 때문이다. 통상의 역삼투

(RO) 막과 비교해, 이 막들은 막힘이 적어 확실히 경제적 이익과 막

수명 증가의 이점을 제공한다.

그럼에도 막의 오염(fouling)은 막 여과공정의 주된 단점이며, 막

사용의 실현가능성에 심각한 과제를 던지고 있다. 막 성능을 향상시

키는 유망한 방법은 나노 및 분자 스케일에서 막 표면을 구조화하는

것이다. 다공성 탄소는 분자체 재료(molecular sieve materials)로

간주되듯이 물 여과를 위한 흡착과 막 합성에 큰 잠재력을 갖고 있

다. 탄소나노튜브로부터 제조된 정수 필터는 재사용 가능하고, 오염

수로부터 박테리아 병원균(Escherichia coli 등)의 효과적 제거를 나

타냈다[6]. 염제거(salt rejection)를 위한 선택성 표면을 갖는 나노여

과 막의 나노구조가 개발되었다. 이 막은 단일 용액에서 NaCl에

해서는 70% 이상, CaCl2에 해서는 40% 이하 제거되도록 제조되

었다. 이 일가/이가 양이온 선택성은 칼슘 탄산염 또는 황산염에 의

한 막 오염(fouling)을 최소화하고, Na/Ca 비를 농업용 목적을 위해

적절한 수준으로 유지하는데 매우 중요하다. 유사한 방법으로, 효율

적인 바이러스 여과를 위한 마이크로 다공성 세라믹의 나노구조 표

면 개질이 수행되었다[28]. 이 방법은 고 다공성 요소의 내부 표면적

을 수화된 이트륨 산화물(hydrated yttrium oxide)의 콜로이드 나노

분산액으로 코팅하는 것이다. 그런 후 열처리하여 전기적 양성인

Y2O3로 코팅된 표면을 얻게 된다. 이 개질된 나노구조 필터는 pH

5~9의 공급수로부터 직경 25 nm MS2 박테리오파지 약 99.99%

를 제거할 수 있다.

나노재료로 제작되는 물 여과막은 이미 수처리 회사들에 의해 진전

되고 있다. 예컨 , 미국의 나노재료 전문제조기업인 Agronide사는

“NanoCeram”이라 불리는 제품을 개발했다. 이것은 직경 2 nm 알


루미나 나노파이버를 사용하는 정수기로서, 물로부터 99.9999%의

박테리아, 바이러스, 원생동물 포낭(protozoan cyst)을 제거한다[6].

막 필터의 개선을 위한 나노구조화 재료의 사용은 가까운 장래에 많

은 관심을 얻게 될 것으로 보인다. 이는 유기 및 생물학적 오염물질

제거의 측면에서 우수한 성능과 금속 선택성을 갖는 막을 생산할 수

있는 무한한 이점이 있기 때문이다. 또 나노구조 막은 내오염성, 내

구성이 향상되며 비용효과적이다.

나노 반응성 막

나노 반응성(nanoreactive) 재료가 수처리 사용을 위한 막 합성에

사용되고 있다. 나노 반응성 막은 4-nitrophenol과 같은 오염물질

을 분해할 수 있고, 수용액 중의 금속 이온과 결합할 수 있다. 실버

나노입자가 함침된 포리설포네이트(polysulfonate) 한외여과(UF) 막

이 E. coli K12 및 P. mendocina 박테리아 종에 효과적인 것으로

나타났으며 바이러스 제거에 상당한 향상을 나타냈다[6]. 또 이 나노

실버 함침된 막(nAg.PSf)은 생물부착(biofouling)에 한 저항성이

크다. 이는 주로 막 표면에 박테리아의 부착이 은 이온(Ag+)에 의해

저해되기 때문이다.

TiO2 나노와이어 막

최근 TiO2 나노와이어 막이 성공적으

로 제조되었다. 이것은 광촉매 산화와

함께 물로부터 유기 오염물을 여과하

는 능력이 있다. 나노와이어 막은 일정

한 두께를 갖고 있으며, 유연성을 가진

다. <그림 8>은 직경 20~100 nm의


그림 8.광산화 능력을 갖고 있는TiO2 나노와이어 막[6]

나노와이어를 나타낸다. 이는 수중의 흄산(humic acid)을 분해하는

광촉매 작용을 보여주며, 탁월한 오염방지(anti-fouling) 능력을 나

타낸다.

복합재 광촉매 멤브레인

막 공정이 제공하는 분리 기술과 촉매의 광촉매적 작용을 결합한

복합재 광촉매 막(composite photocatalytic membrane)이 여러 연

구자들에 의해 연구되었다. 압출법(extrusion)과 sol-gel/slip

casting 법에 의해 제작된 TiO2/Al2O3 복합재 막은 효과적으로

Direct Black 168 dye를 분해했다(82% 제거율). Yang and Li는

이 방법으로 제작한 관형 TiO2/Al2O3 복합재 막이 폐수로부터 상당

량의 수중 오염물질을 분해했다고 보고했다. 또 TiO2 다공성 박막은

나프탈렌과 안트라센의 분해에 효율적임이 증명되었으며, 분해 속도

가 빠르며 반응은 부분 일차 반응을 따른다[7].


나노 광촉매로

유기오염물질제거

촉매는 소비되거나 화학적으로 변경되지 않고 화학반응속도를 증가

시키는 물질이다. 촉매의 가장 중요한 성질 중의 하나는 반응이 일

어나는 활성 표면이다. 활성 표면은 촉매의 크기가 감소할 때 증가

한다. 촉매 활성 표면이 클수록 반응 효율은 높다. 또 촉매 활성 표

면의 공간 구조가 중요하다. 최근의 환경문제에 응해 TiO2와 같은

광촉매 물질이 환경정화 목적으로 광범위하게 사용되고 있다. 나노

복합재 TiO2 나노입자는 양자 수율(quantum yield)을 증가시키기

위해 화학적으로 기능화된다. 이러한 나노구조 광촉매는 환경오염물

질의 제거 뿐 아니라 폐수처리 공정을 포함한 수처리에도 사용될 수

있다. TiO2는 강력한 광촉매제로서 수중에서 기로부터 유입된 산

소와 결합하여 반응성이 강한 수산기(hydroxyl) 라디칼로 전환되어,

수중에서 생물학적 분해가 어려운 유기 오염물질을 분해하는 작용을

한다. TiO2 관련 연구개발은 일조량이 높은 국가에서 광촉매제로 활

용하거나 오염도가 높지 않은 소량의 수처리에 적용하는데 주로 집

중되고 있는 상황이다. 기타 관련 연구로는 할로겐 탄화수소류로 오

염된 폐수를 처리하기 위한 팔라듐(palladium) 촉매를 함유하고 있

는 나노 크기의 강자성체(ferromagnetic) 물질이 있다.

<그림 9>는 유기 오염물질에 한 TiO2 나노물질의 광촉매 효과의


나노광촉매로유기오염물질제거

메커니즘을 나타낸다. TiO2는 밴드갭 에너지(bandgap energy)가

3.2 eV인 반도체이다.

전자가 밴드갭 에너지 이상의 빛 에너지에 의해 여기되면, 전자들

(e-)은 전자 (valence band)에서 전도 (conduction band)로 이동

하며 전자 에는 플러스 정공(h+)을 남긴다. 이들 전자와 정공은

TiO2 표면에서 각각 화합물을 환원, 산화할 수 있다. 전자와 정공은

재결합하여 열을 발생하거나, 전자는 환원되고, 정공은 종종 물이나

TiO2에 흡착된 수산기 이온과 반응하여 수산화물 라디칼을 생성하

며, 이어서 흡착된 유기물을 산화시킨다. TiO2는 루틸(rutile), 아나

타제(anantase), 브루카이트(brookite) 상으로 존재하며, 이중 아나

타제 TiO2가 광촉매 활성을 나타낸다[3].

TiO2 +hυ→ TiO2(h+) + e- 전자-정공 쌍 생성(1)

e- + h+ → 재결합(2)

e- + Mn+ → M(n-1)+ 환원(3)

TiO2(h+) + H2O (ads) → ∙OH + H+ + TiO2 흡착된 물의 산화(4)

TiO2(h+) + 2OH (ads)- → ∙OH + OH- + TiO2 수산화 이온의 산화(5)

∙OH + R(ads) → ∙R(ads) + H2O 유기물 산화(6)

TiO2(h+) + ∙R(ads) (또는∙OH) → CO2 + H2O + TiO2 생성물 종결(7)

(hυ:빛 에너지, h+:정공, e-:전자, Mn+:산화된 화합물,∙R(ads):흡착된 유기물종(중간체 생성물))

나노광촉매로 유기오염물질 제거

그림 9. TiO2의 광촉매 작용 메커니즘[3]

전형적으로 광촉매 반응은 서브미크론 반도체 물질의 현탁액 중에

서 수행된다. 그러므로 처리수로부터 촉매를 제거하기 위해 추가적

인 분리단계가 필요하다. 다량의 물로부터 미세입자를 제거하는 데

는 추가적인 비용이 소요되므로, 이것이 폐수처리에 광촉매 공정을

적용함에 있어 주된 단점이다. 이 문제를 최소화하기 위해, 티타니

아(TiO2)를 여러 가지 기재( 래스 비즈, 모래, 실리카 겔, 석용 광

섬유, 래스 파이버 등)에 메쉬(mesh) 형태 또는 유리 반응기 벽에

고정화시키는 연구가 진행되고 있다. 이 고정화 촉매 타입 반응기는

고액분리 문제에 한 해결책을 제공하지만, 슬러리 타입 반응기의

촉매 표면의 가용성 및 탁월한 물질전달 특성으로 인한 이점을 능가

하지는 못한다. <그림 10>은 TiO2를 사용한 디클로로벤젠(dichlorobenzene)

의 광촉매 산화와 정화 과정을 나타낸다.


그림 10.디클로로벤젠의 광촉매 산화와 정화[3]

환경 센싱과 친환경 제조에도

나노기술이핵심

환경 센싱

인체 건강 및 환경 보호에는 오염물질 및 병원균을 분자 수준의 정

확도로 신속히, 고감도로 검출하는 것이 필요하다. 소형 휴 용 장

치든 원격 센서든 필드에서 실시간 모니터링을 위해 정확한 센서가

현장 검출에 요구된다. 일반적으로, 센서는 특정 생물학적 또는 화

학적 화합물을 검출하기 위해 설계된 장치로 검출 시 보통 디지털

전자 신호를 발생한다. 현재 센서는 산업제품, 화학물질, 물, 공기,

토양시료 및 생물학 시스템에서 매우 낮은 농도(ppm, ppb)의 유독

성 화합물의 정량(identification)에 사용된다.

나노기술은 여러 가지 방법으로 현재의 센싱 기술을 향상시킬 수

있다. 첫째, 특정 화학적, 생물학적 성질을 갖는 나노물질을 사용하

여 센서의 선택도(selectivity)를 향상시킬 수 있으며, 간섭이 거의

없이 특정 화학 및 생물학적 화합물을 분리할 수 있다. 그러므로 센

서의 정확도(accuracy)가 향상된다. 다른 나노 제품에서와 같이, 나

노물질의 고 표면적/부피 비가 검출을 위한 표면적을 증가시킨다.

이는 센서의 검출 한계에 긍정적인 향을 미치며, 따라서 장치의

민감도(sensitivity)를 향상시킨다. 나노물질을 사용해 장치를 소형화

함으로써 동일한 장치에 많은 검출부를 적재할 수 있으며, 다중의


환경센싱과친환경제조에도나노기술이핵심

분석 물질(analyte)을 감지할 수 있게 해준다. 이 소형화(scaling-

down) 능력은 나노기술을 이용해 얻을 수 있는 검출 사이트의 고도

의 특이성(specificity)과 함께 초소형 다중 센서(super-small

multiplex sensor)의 제조를 가능케 한다. 이 방법은 분석비용을 낮

추고 경제성 있는 분석을 수행하기 위해 필요한 장치의 수를 줄일

수 있다. 나노전자 분야의 발전은 또한 연속, 실시간 모니터링을 할

수 있는 나노센서의 제작을 가능하게 할 수 있다.

나노센서 분야에서의 연구는 다양한 역이 포함된다. 즉, 특정 오

염물질을 인식할 수 있는 특정 감지부를 갖는 신 나노물질의 합성,

가독형(readable) 전기신호를 확보하면서 센서의 검출 한계를 증가

시키는 신 감지방법 개발, 센서 요소들의 크기를 소형화하고 이들을

장치의 큰 부분들과 접목하는 것 등이 있다. <그림 11>은 나노과학

이 센싱 기술에 응용되는 것을 보여주는 예로, 음용수 중 중금속을

모니터링하기 위해 개발된 중금속 나노센서의 작동원리를 나타낸다.

센서는 실리콘 칩 상에 제작된 수 나노미터 간격으로 분리된 전극

쌍의 어레이로 구성되어 있다. 전극들이 금속 이온을 함유하는 수용

액에 노출될 때, 금속 이온들은 음전하로 유지된 전극들 사이의 나

노 갭(nano-gap) 내부에 증착된다. 증착된 금속이 두 전극 사이의

환경 센싱과친환경제조에도 나노기술이 핵심

metal ionsElectrodeposition

SiN SiN++

+ + ++

Au Au

Si

그림 11.나노접촉 센서(nanocontact sensor)의 개략도[17]

갭을 이어주면 나노접촉(nanocontact)이 형성되며, 결과적으로 전극

사이에서 전도도(conductance)의 퀀텀 점프(quantum jump)가 발

생한다. 갭의 크기는 단지 수 나노미터이며 매우 낮은 농도의 금속

이온들의 검출을 가능케 한다. 이러한 유형의 센서를 나노접촉 센서

(nanocontact sensor)라 부른다.

어떤 나노물질은 나노와이어(nanowire)나 나노튜브 형태로 화학적

및 생물학적 센서의 센서 요소(element)로서 작용한다. 개별 단일벽

탄소나노튜브(SWCNT)가 기존의 고체상태 센서보다 NO2, NH3 등

의 가스 분자에 해 보다 빠른 응답과 높은 감도를 나타내는 것이

실증되고 있다. 이 경우 SWCNT의 표면에 가스상 분자의 직접 결합

은 센싱에 관련된 메커니즘이다. 즉 SWCNT의 전기저항이 극적으로

증가하거나 감소한다. 또 이 감도는 실온에서 기록된다. 한편 일반

고체상태의 센서는 매우 높은 온도(200~600℃)에서 작동해 분자

와 센서 재료사이에 화학반응성의 증가를 나타낸다. SWCNT가 나노

센서로서 유망한 후보 물질이지만, 개발에 몇 가지 제약이 있다. 첫

째, 기존 합성 방법들은 금속성 및 반도체성 CNT의 화합물을 생성

하는데, 단지 반도체성 CNT만이 센서로서 유용하다. 둘째, 다양한

화학적, 생물학적 종을 탐지하기 위하여 CNT 표면이 그러한 종과

결합할 수 있는 특정 기능그룹을 갖도록 개질될 필요가 있다. 다양

한 분석물질과 결합하기 위해 CNT의 표면을 개질하기 위한 방법은

아직 잘 확립되어 있지 않다. 한편, Si와 같은 반도체 나노와이어는

이러한 제약을 가지고 있지 않다. 이들은 항상 반도체이며, 표면의

화학적 수식에 해 확립된 지식들이 있다. 붕소가 도포된(boron-

doped) 실리콘 나노와이어(SiNW)가 단백질, 항체 및 루코스

(glucose)의 실시간 고감도 전기적 검출을 위해 사용되고 있다. 넓은

범위의 분석물질을 실시간 검출하기 위해 이들 반도체 나노와이어의

작은 크기와 능력이 병원균, 물, 공기, 식품 중의 화학적 및 생물학


적 시약을 검출하는 센서의 개발에 사용될 수 있다.

친환경 제조

제조공정은 늘 다양한 폐기물의 생산을 수반한다. 이중 많은 부분

이 환경에 위협을 주기 때문에 제거, 처리될 필요가 있다. 이상적으

로 제조공정은 최소의 에너지와 재료를 사용하면서 폐기물의 생산을

최소화하도록 설계되어야 한다. 친환경 제조(green manufacturing)

는 이러한 목적을 달성하기 위하여 사용되는 방법과 기술을 포괄적

으로 이르는 말이다. 여기에는 새로운 화학물질과 산업 공정의 개발

이 포함된다(예, 용매기반 공정보다 수계 기반의 공정, 유해성 화합

물(금속 등)의 사용 저감, 친환경 그린 화학제품의 개발, 에너지의

효율적 사용). 제조공정의 폐기물 감축이라는 측면에서, 나노기술은

두 가지 방법으로 기여한다. 즉 제조공정을 보다 제어 가능하게 하

거나, 제조효율을 높일 수 있는 나노물질(촉매)을 사용하고 독성 물

질의 사용을 줄이거나 제거한다. 전반적으로 나노기술은 에너지 사

용 및 재료 사용의 측면에서 독성 폐기물의 생성을 최소화하면서 산

업 공정을 보다 효율적으로 만드는 잠재력을 갖고 있다.

그린 나노테크놀로지(green nanotechnology)의 제조공정 응용에는

향상된 촉매의 개발을 위한 상향식(bottom-up) 원자수준의 합성,

신물질 제조를 위한 특정 합성경로를 통한 분자 내 정보 삽입, 나노

크기 반응기를 사용한 화학반응 재료 사용의 저감, 에너지와 독성

물질을 덜 사용하는 제조법의 개선 등이 있다[21]. 그린 나노테크놀로

지의 예로, 세탁산업에서 VOC의 체재로서 사용되는 수계 기반의

마이크로 에멀젼의 개발이 있다. 유독하고 잠재적 발암성 화합물들

(chloroform, hexane, perchloroethylene)이 세탁산업과 오일 추출

산업에서 흔히 사용되고 있다. 마이크로 에멀젼은 특정 분자를 추출

환경 센싱과친환경제조에도 나노기술이 핵심

하기 위한 수용체(receptor)로 사용되는 나노크기의 응집체

(aggregate)를 갖고 있다. 오클라호마 학(University of

Oklahoma)의 연구자들은 계면활성제 분자의 머리와 꼬리 부분 사

이에 삽입된 친수성 및 발수성 연결자(linker)를 갖는 마이크로 에멀

젼을 합성했다. 결과적으로 계면활성제는 넓은 범위의 오일에 해

매우 낮은 계면장력을 나타냈다. 자동차 기름으로 얼룩진 섬유의 세

탁이나 종자(oilseed)로부터 식용유를 추출하는 시험에서 이 마이크

로 에멀젼은 추출 수율이나 공정의 단순성에 있어 통상 사용되는

VOC와 비교해 매우 경쟁력이 있는 것으로 나타났다.


나노기술의

환경응용시장은급성장중

나노기술의 환경응용 시장

환경 나노기술 제품에 한 잠재적 시장은 넓은 범위의 환경 정화

응용부문에서 이미 존재해 왔다. 이중 일부는 그 요구가 절실한 상

황에 이르고 있다. 실제, 우리 삶의 지속적인 웰빙을 보장하기 위하

여 혁신적이고 견실한 나노기술 기반의 정화 기술이 가능한 빨리 개

발되어야 하는 것은 필요한 일이다. 재래적인 환경 정화 해결책들은

현재 공기, 물, 토양 환경에 침투하여 넓게 확 되어가는 오염물질

의 부하에는 상 적으로 비효과적인 경우가 많다. 환경 정화에 기여

하는 나노기술은 오염 지역이 원래의 온전한 상태로 잘 복원될 수

있도록 정교하고 효율적인 수준으로 진화하고 있다. <그림 12>는

BCC Research 보고서[18]에서 환경 나노시장을 환경 오염방지

(Environmental protection), 환경유지/관리(Environmental

maintenance), 환경 개선(Environmental enhancement), 환경 정

화(Environmental remediation)의 네 부문으로 나누어 세계 시장을

예측한 것이다.

1) 환경응용에 한 나노기술의 세계 시장은 2008년 11억 달러,

2009년 20억 달러로 추산되며, 연평균 성장률(CAGR)


나노기술의환경응용시장은급성장중

61.8%로 성장하여 2014년 218억 달러에 이를 것으로 전망

된다. 또 BCC의 예측성장률(61.8%)을 2015년 이후에도 그

로 적용하여 예측해보면 2020년 전체 나노기술의 환경시장

은 3,980억 달러에 이를 것으로 기 된다.

2) 환경 오염방지(environmental protection) 부문: 2008년

661.4백만 달러(6억6천만 달러)로 가장 큰 시장 점유율을 보

으며, 2009년 10억 달러로 추산되며, 연평균 성장률

(CAGR) 58.1%로 성장하여 2014년엔 103억 달러에 달할

것으로 전망된다. 또 BCC의 성장률(58.1%)을 2015년 이후

에도 그 로 적용하여 예측해보면 2020년엔 1,542억 달러에

이를 것으로 기 된다.

3) 환경 유지/관리(Environmental maintenance) 부문: 2008년

200백만 달러(2억 달러)에 달했으며, 2009년 470백만 달러

(4.7억 달러)로 추산되며, 연평균 성장률(CAGR) 30.8%로 성

장하여 2014년엔 18억 달러에 이를 것으로 전망된다. 또

BCC의 성장률(30.8%)을 2015년 이후에도 그 로 적용하여

예측해보면 2020년엔 90억 달러에 이를 것으로 기 된다.

4) 환경 개선(Environmental enhancement) 부문: 2008년

189.4백만 달러(1.9억 달러)에 달했으며, 2009년 463.5백

만 달러(4.63억 달러)로 추산된다. 연평균 성장률(CAGR)

43.6%로 성장하여 2014년엔 28억 달러에 이를 것으로 전망

된다. 또 BCC의 성장률(43.6%)을 2015년 이후에도 그 로

적용하여 예측해보면 2020년엔 248억 달러에 이를 것으로

기 된다.

5) 환경 정화(Environmental remediation) 부문: 2008년 49.2

백만 달러에 달했으며, 2009년 66.5백만 달러로 추산된다.

연평균 성장률(CAGR) 153%로 성장하여 2014년엔 69억 달

나노기술의 환경응용시장은급성장 중

러에 이를 것으로 전망된다(현재 토양 및 지하수 정화 부문이

성장속도가 가장 빠르다). 또 BCC의 전체 환경 나노시장의 성

장률(61.8%)을 감안할 때 2015년 이후 환경정화 부문의 성

장률은 100%로 계산되어 이를 적용하면 나노기술의 환경 정

화 부문의 시장은 2020년엔 2,100억 달러에 이를 것으로 기

되며, 환경응용 시장 중 가장 큰 시장으로 부상할 것으로 전

망된다.


그림 12.세계 환경 나노시장 전망[18]

그림 13.나노기술의 환경응용 분야별 시장의 변화 전망

환경응용 나노물질의 시장 전망

나노물질은 오염의 방지, 처리 및 정화를 통해 환경의 질과 지속성

에 기여할 잠재력을 가지고 있다. 이러한 잠재적 혜택의 예로는 오

염물질의 탐지 및 센싱, 공기, 물, 토양으로부터 미세 오염물질의

제거, 폐기물 생성을 저감하는 친환경 산업공정의 창조가 있다. 나

노물질은 독특한 물리적, 화학적, 생물학적 특성 때문에 환경정화

분야에 점점 관심을 얻고 있다. 나노물질의 제어와 설계는 오염물질

에 한 친화성, 수용성, 선택성의 증가를 가능하게 할 수 있다. 이

것은 나노물질의 반응성, 표면적, 지하 이동성의 증가와 오염물 격

리 특성의 결과이다.

환경 처리에 사용될 수 있는 나노물질의 종류에는 개질된 스마트

표면 또는 멤브레인, 반응성 금속산화물 나노입자, 분자인식 고분자

(molecularly imprinted polymers, MIPs) 및 나노스케일 바이오

폴리머가 있다. 금속산화물 나노분말은 원료 물질 및 제조 물질의

사용 저감, 폐기물과 유출물의 발생 최소화 및 제거, 독성물질의 저

감을 통해 환경보호에 기여할 수 있다. 그러나 이러한 것이 기술적

으로 실현 가능하기 위해서는, 정화/처리 방법에 사용되는 나노입자

의 안정성을 증가시키고, 이들 입자의 자연환경 중에서의 운명과 이

송을 모니터링 하는 향상된 방법을 개발해야 하는 등 해결해야 할

과제가 많다.

종래의 방법들은 폐수중의 농도를 허용 기준치 이하로 저감하는데

종종 부적절하기 때문에, 중금속에 한 친화성, 수용능력, 선택성

이 증가된 신규 물질의 개발이 요구된다. 이러한 요구 때문에 반응

성 나노입자가 지하수 정화에 도입하게 되었다. 반응성 나노코팅 철

은 염소화 유기 용매를 무해한 부생물로 신속히 분해한다. 또 자성

철 산화물(magnetic iron oxide) 나노입자가 지하수 중 비소의 제거

를 위해 개발되고 있다. 비소를 지하수로부터 효과적으로 제거할 수


있는 기존의 방법은 없다. 이 문제를 해결하기 위해 제안된 시스템

은 비소를 비가역적으로 결합하는 철 산화물 나노입자의 능력에 기

반하고 있다(미크론 크기의 입자보다 제거성능이 5~10배 높다). 즉

나노입자의 초상자성(supraparamagnetism) 성질로 인해 자기장을

가하면 비소 결합된 입자들을 물로부터 분리할 수 있고, 정화된 물

만을 통과시킬 수 있다. 비소와 결합된 나노입자는 전자기장을 제거

함으로써 여과 흐름으로부터 방출된다. 결과적으로 고압 여과 시스

템이 필요 없으며 여과 장치를 막히게 하거나 오염시킬 위험도 없

다. 연구실 실험에서 수중 비소의 99% 이상이 12 nm 철산화물 나

노입자에 의해 제거됨이 증명되었다. 이것은 현재 시스템보다

2,500~25,000배 높은 효율을 나타낸다. 이 방법은 바이오메디

컬 목표지향 약물 전달기술을 직접 모방한 것이다. 약물 전달기술은

건강한 세포에는 약물을 낭비함이 없이(또는 독성을 주지 않고) 병든

조직 부위에만 약물 분자를 효율 좋게 농축시키는 기술이다.

수중 오염물질의 촉매적 분해를 위한 나노크기 금속 및 미네랄 산

화물(1~50 nm)은 아직 실현되지 않고 있다. 이는 체로 수계 흐

름으로 부터 나노입자를 제거하는 것이 어렵기 때문이다. 이러한 제

약을 극복하기 위해, 연구자들은 하이브리드 재료를 개발하고 있다.

이 재료는 촉매성 무기 나노입자를 열 응답성 가교 폴리머의 서브마

이크론 콜로이드 입자 내에 가두고 있다. 생물부착(biofouling)에

응하기 위한 스마트 표면도 개발되고 있다. 스마트 표면은 주위 환

경을 감지하여 상호작용할 뿐 아니라, 자기 표면의 거동을 근본적으

로 변경하거나 미리 프로그램화된 로 또는 원하는 로 자신을 불

활성화 시킬 수 있다. 그러나 이들 물질도 환경적 문제를 야기할 수

있다. 나노구조 재료, 나노입자 및 다른 나노기술이 환경 중에서 어

떻게 상호작용하는지에 한 지식은 아직도 초기 상태이다. 그러한

상호작용은 나노입자 자체의 성질, 나노입자로부터 제조된 제품의


특성, 또는 관련 제조공정의 속성 함수로 나타날 수 있다.

나노기술의 사용이 확 됨에 따라, 환경 중에의 나노입자의 방출

도 증가하게 될 것이며, 이로부터 전혀 새로운 종류의 독소나 환경

적인 문제가 출현할 수 있다. 따라서 나노기술 응용에 있어 잠재적

유해한 효과가 예견되며, 생산자에게나 소비자 모두에게 나노기술의

매력을 증 시키기 위해서는 이러한 유해성을 예방 또는 최소화할

필요가 있다. 환경정화에서 잠재적 위험 중의 하나가 생성물이 원래

오염물질보다 더 독성일 수 있다는 것이다. 또 먹이 사슬(food

chain)에 독성 부생물의 침입, 식물 병변 및 토양 분해에 의해 다른

위험들이 나타날 수 있다.

환경 나노기술의 시장 동인(Drivers)[10, 19]

물 수요 증가

인구 증가, 도시화, 경제 성장 등 많은 동역학적 요인이 물에 한

수요를 증가시키고 있다. 물 소비는 인구 증가와 접한 관련이 있

다. 2000년에 세계적으로 약 4000 km2의 물이 소비되었다. 세계

인구 증가 예측을 반 하면 2025년에 물 소비는 5000 km2로 증

가할 것으로 전망된다. 세계 인구의 약 60%가 2030년까지 도시에

거주할 것으로 예상되므로(현재는 50%), 담수의 공급과 폐수의 상당

량을 안전하게 제거, 처리하는 물 시스템에 한 압력이 존재한다.

에너지 생산도 또 하나의 물 사용 증가의 동인이다. 물에 한 접근

성을 높이기 위해, 새로운 공급이 가능해야 한다. 이를 위한 방법 중

의 하나가 상당량의 폐수를 리사이클 하는 것이다. 세계적인 환경 서

비스 기업인 프랑스의 Veolia Environment사는 폐수 리사이클 능력

이 2015년까지 연간 10~12%로 성장할 것으로 예측하고 있다. 이

는 5500만 m3/일의 리사이클링 능력에 해당한다. 따라서 규모 폐

수 정화를 위해 보다 비용효과적인 새로운 기술이 요구되고 있다.


수질 오염 심화

공급수의 수질도 점점 오염되어감에 따라 규모 물 정제를 가능하

게 하는 기술이 요구된다. 오염은 살충제, 인산염 및 농약, 방사능

물질의 용출 등의 결과로 일어날 수 있다. 오염은 지표수 뿐 아니라

수층에도 향을 미친다. 폴리염화비닐(polychlorinated vinyls,

PCVs)의 경우에서처럼 특정 화학물질의 사용이 금지된 후에도 오염

은 계속될 수 있다. PCV는 현재 금지된 산업용 냉각제이지만, 미국

공급수에서는 계속 존재하고 있는 물질이다.

물 인프라 향상 필요

선진국에서 물 인프라는 노후화되어 가고 있다. 이는 시스템이 더

이상 수요의 증가를 따라갈 수 없거나 용량 부족 또는 과도한 누수로

인해 비효율적으로 되고 있다는 것을 의미한다. 이 또한 보다 비용효

과적인 기술 개발을 촉진하는 동인이 된다.

규제 강화

공기 정화 기술에서 개발의 주된 동인은 규제이다. 배출규제(예,

NOx의 배출 허용치)는 기업이 이 요구를 만족하는 기술을 도입하도

록 강제한다. 또 배출가스 리사이클링 규제는 에너지 생산 공정을 향

상시키는 경우도 있지만, 이는 이차적인 동인 정도이다.

나노물질별 시장

나노물질은 탁월한 자기적, 광학적, 촉매적 및 전자적 성질 때문에

산업 및 기술 전반에 적용되고 있다. 이들 물성은 나노물질의 크기,

구조, 형상에 크게 의존한다. Future Markets(2011)은 보고서[19]에

서 세계 나노물질 생산량을 보수적으로 253,613톤으로 추산하고

있다. 금액으로는 28억 달러에 해당한다.


2016년엔 340,533톤에 달할 것으로 전망된다. 2010년 나노물

질의 응용분야별 수요 시장은 전자∙광학(21%), 촉매(16%), 페인

트∙안료∙코팅(15%), 에너지∙환경(14%), 의약∙화장품(12%), 복

합재∙플라스틱(10%), 기타(8%)의 순이다(<그림 14>).

이산화 티타늄(Titanium Dioxide)

1970년 TiO2 나노입자에 한 제조 특허가 일본에서 최초로 허

가되었다. 생산 측면에서 안료 TiO2를 미세한 입자로 단순 분쇄

(milling)함으로써 나노입자를 얻는 것이 원리상 가능하다. 그러나 순

도, 입경 분포, 입자 형상의 측면에서 미세 분말의 물성이 만족스럽

지 못하다. 1980년 Ishihara, Tioxide, Kemira 등 TiO2 안료 제

조업체에 의해 몇 가지 습식화학공정이 개발되었다. 공정의 첫째 부

분인 나노입자 기재(base)의 생산은 수세후의 티타늄 수산화물

(titanium hydroxylate)를 원료 물질로 사용한다. 다음 단계에서 수

산화물 결정 구조를 분해하고 TiO2를 재침전한 후, 생성물을 소성하

여 원하는 입경과 입도의 달걀형 입자를 얻는다. 최종 사용자의 요구

에 따라 입자들이 후처리 장치에서 코팅되며, 극미세 입자의 분산성

은 양호하게 된다. TiO2 나노입자는 또한 통상 화염 반응기에서 가


그림 14.나노물질의 용도별 수요(2010년)[19]

스-입자 전환 반응에 의해 생성된다. 이 방법에 의해 입자 크기, 입

자 결정 구조 및 순도를 잘 제어할 수 있기 때문이다.

TiO2와 나노 TiO2는 전적으로 다른 물질이다. TiO2는 주로 페인

트, 화장품 산업에서 백색 안료로서 부분 미크론 크기로 사용된다.

나노스케일 TiO2는 동일한 질량 또는 부피의 미크론 TiO2 입자에 비

해 표면적이 훨씬 크다. 이것이 촉매 활성 및 특정 파장에서의 UV

흡수와 같은 물성에 큰 잠재력을 부여한다. 미크론 TiO2 일차 입자의

크기는 250 nm 이상 일 때 가장 좋다. 이때 탁월한 빛산란 성질을

갖으며, 가시광을 산란하고 UV 빛을 흡수하기에 최적이다. 한편 나

노 TiO2 일차 입자 크기는 100 nm 이하이며, 촉매반응에서 큰 표

면적과 컬러 효과를 내는 선택적 파장 산란 때문에 UV 빛을 흡수하

는데(자외선 차단 및 보호) 최적이다. 다른 UV 흡수제와 비교해 초미

세 나노 TiO2는 전 자외선 스펙트럼(UVC+UVB+UVA)에 해 효과

적인 UV 필터 성능을 가지고 있다. 나노입자 TiO2는 매우 불활성이

어서 피부 가까이에 사용해도 안전하며, 또 식품에 UV 보호기능을

제공하기 위해 투명 플라스틱 필름에 사용될 수 있다.

이러한 물성들이 나노 TiO2를 자기정화 표면 코팅, UV-저항 코팅

및 페인트, 태양전지, 살충제 스프레이, 수처리제 및 국소 자외선 차

단제 등을 포함한 넓은 범위의 응용을 가능하게 한다. 특히 환경 정

화 부분에 있어 TiO2의 강력한 광촉매 활성은 환경오염물질의 제거

뿐 아니라 수중에서 생물학적 분해가 어려운 유기 오염물질을 분해하

는 작용을 한다. 시판되는 나노 TiO2의 브랜드는 입자 크기, 표면적,

순도(도핑, 코팅, 품질 제어 등), 표면특성, 결정 형태, 화학반응성

등에서 다양하다. 나노 TiO2는 순수 아나타제(anantase), 순수 루틸

(rutile), 아나타제와 루틸의 혼합물 형태로 구입가능하다. 일반적으

로 아나타제 나노-TiO2는 루틸 형태보다 광촉매 활성이 더 크며, 나


노스케일 루틸은 아나타제-루틸 혼합물이나 아나타제 단독보다 광촉

매 활성이 적다.

Future Markets(2011)에 따르면 2010년 전세계 TiO2 나노분

말 수요는 최소 82,800톤(벌크 TiO2 분말 시장 4.6백만 톤의

1.8%에 해당), 최 88,000톤으로 추산하고 있다. 금액으로는 각

각 331.2백만 달러, 352백만 달러이다(TiO2의 평균 가격=4,000

달러/톤으로 추정).


표 6. TiO2 나노분말의 물성과 응용 및 생산기업

물성 응용 생산기업

�자기정화 표면 코팅�발광 다이오드�태양전지 첨가제�살충제 스프레이�스포츠 용품�수처리제, 오염물질 분해 제거

�공기필터, 탈취제�자외선 차단제 및 화장품�페인트, 플라스틱�표면 보호 코팅

�Degussa�Ishihara Sangyo

Kaisha, Ltd.�Kemira Pigments Oy�Rhodia�Sachtleben�Showa Denko�Tayca Corporation�Titan Kogyo STT�Uniquema

�큰 표면적�높은 광촉매 활성�UV-흡수제�친수성�촉매반응

그림 15. TiO2 나노분말의 용도별 수요[19]

탄소 나노튜브(Carbon Nanotubes)

단일벽 탄소나노튜브(SWCNT, single-walled)는 직경이 약 1 nm

인 단일 실린더로 구성되어 있다. 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT,

multi-walled)에서는 실린더들이 중첩 내포되어 있으며, 전체 직경

이 5~100 nm에 이른다. 한편 이중벽 탄소나노튜브(DWCNT, double-

walled)는 단지 2개의 층을 갖고 있는 MWCNT이다. 단일벽 또는

다중벽 외에도 CNT는 튜브 길이가 길거나 짧을 수 있으며, 개방 또

는 폐쇄 말단을 가질 수 있다. SWCNT는 다양한 형태의 나선 구조

(chirality)를 갖고 있으며, 이 모든 것이 CNT의 전기적 성질(CNT의

절연체, 전도체 또는 반도체 성질)에 향을 미친다.

모든 유형의 CNT는 독특한 기계적 특성을 갖는다. CNT의 경도,

강도, 탄성은 현재 다른 물질들의 유사한 물성을 뛰어 넘는다. 예컨

, CNT의 Young’s modulus는 1.0 TPa 이상이고, 장력은

200~500 GPa 범위이다. 결과적으로 CNT는 근본적인 신재료 시

스템의 개발을 위한 엄청난 기회를 제공한다. CNT는 특수 고분자,

코폴리머, 폴리머 복합재, 전자재료 및 바이오 구조체의 이상적인 성

분이다. CNT의 탁월한 물성(고강도, 우수한 열전도도, 특이한 전기


그림 16.세계 TiO2 나노분말 생산량 전망(2002~2016)[19]

적 성질)이 다른 나노재료와는 구별되기 때문이다. 현재 CNT는 전기

전도도 향상(특히 ESD(electrostatic dissipation, 정전소산)), 기계

적 성능 향상 및 난연성 증 를 위해 사용되고 있다.

표적인 CNT 합성기술은 탄소-아크 방전, 탄소 레이저 어블레이

션(laser ablation), 화학기상증착(CVD)인데, CVD 기술이 가장 흔히

사용된다. 이미 시장에서 CNT는 여러 분야에 응용되고 있다. 앞에서

도 언급한 바와 같이 CNT는 Cr3+, Pb2+, Zn2+와 같은 중금속, 비소

화합물과 같은 메탈로이드, 유기물, 생물학적 불순물의 제거와, 다이

옥신 및 VOC와 같은 많은 유기∙무기 오염물질을 제거하는데 이용

된다[2]. 또 EMI/RFI(electromagnetic and radio frequency

interference, 전자기 및 라디오 주파수 간섭) 차단 복합재, 정전소산

(ESD), 정전방지 재료 및 코팅재 등으로도 이용된다. 자동차산업에

서는 연료계통 부품과 연료 공급 라인(연결부, 펌프 부품, o-ring

등), 전착도장을 위한 외장 부품 등이 있다. 탄소 섬유(또는 유리 섬

유)와 열경화성 재료(예, 에폭사이드)로 구성된 구조용 복합재가

CNT의 도입으로 물성이 상당히 개선되었으며, 현재 시장에서는 스

포츠 용품에 응용되고 있다. 구조 복합재의 중기적 응용은 자동차 및

항공우주 시장에서 나타날 것으로 기 된다. CNT 강화 열가소성 또

는 열경화성 수지에 기반한 이 새로운 구조 복합재는 낮은 도와 강

력한 기계적 물성을 결합하고 있다. 따라서 이것은 특히 에너지 절약

을 위해 중량감소가 요구되는 다양한 기계적 응용에서 금속을 체하

는 재료로 사용될 것으로 기 된다.

중장기 응용의 측면에서, 몇 가지 응용이 다른 산업으로 확 될 것

으로 예상된다. 예컨 , 스포츠산업에서 이미 알려진 에폭시- 래스

파이버 또는 에폭시-카본 파이버 복합재의 향상된 기계적 물성이 퐁

력발전기 및 항공산업용 경량 복합재의 제조에 사용될 수 있다. 이들

산업의 속성상, 보다 많은 기계적 시험과 장기간 보증이 요구된다.


다른 중기 응용에는 인쇄회로를 위한 전기전도성 잉크, 저비용 RFID

태그 및 자동차용 안테나 등이 있다. 장기적으로 CNT는 기존 섬유

재료의 개질에 주요한 역할을 할 수 있다. 정전기적 자기조립과 원자

층 증착(atomic layer deposition) 기술을 사용하여 천연섬유에 기반

한 전통 섬유 재료에 새로운 맞춤형 표면을 형성할 수 있다. 이것은

새로운 혁신 기능들을 조합한 스마트 및 지능형 섬유의 출현을 예고

하고 있다.

CNT 생산량은 지난 수년 동안 상당히 증가되어 왔다. Showa

Denko, Bayer와 같은 기업은 연간 수백톤의 CNT를 생산하고 있다.


표 7.탄소나노튜브(CNT)의 물성과 응용

물성 응용

�중금속, 비소화합물, 유기 및 무기 화합물의 제거�도전성 폴리머 및 복합재(자동차 및 전자제품) �센서 및 기기(현미경 탐침, 가스 누설 탐지기) �고강도 및 경량 복합재�전자파 차폐�스포츠 용품(테니스 라켓) �촉매(석유화학) �도전성 및 감각성 섬유 및 파이버�저비용 유연 디스플레이 및 태양전지용 투명 전도성CNT 기재 코팅

�치환 리튬 이온 배터리 막 및 필터�반도체 재료�첨단 세라믹�연료전지�코킹재 및 봉지제�내구성이 증 된 터치 스크린 디스플레이�CNT 전도성에 기반한 장수명의 밝고, 얇은 고효율의 평판 디스플레이용 음극석관

�새로운 디바이스 아키텍쳐가 가능한 저전력, 고속전자 회로

� 탄도탄 재료(Anti-ballistic materials)

�마이크로웨이브 안테나�의료용 임플란트�약물 전달�전자섬유

�높은 전기전도도�매우 높은 장력�높은 유연성- 손상없이 상당히 휘어질 수 있음.

�고 탄성 (~18% 신장율) �높은 열 전도도�낮은 열 팽창 계수�양호한 전계 방출�높은 종횡비(aspect ratio) (길이= ~1000 x 직경)

MWCNT의 가격은 품질에 따라 45~70 달러/kg 범위이다. 중국 제

조업자들은 더 낮은 가격에 MWCNT를 공급하고 있다. 현재 주된 최

종 사용자 시장은 스포츠 용품, 리튬-이온 배터리 및 자동차용 복합

재이다. 리튬이온 배터리 전극의 나노튜브 첨가제는 연 500톤의 생

산능력을 갖고 있는 Showa Denko에 의해 시판된 최초의 나노튜브

응용의 하나이다. 지금까지의 제품개발은 일반적으로 다국적 기업,

소규모 응용 기업 및 혁신적 생산자들간의 협력의 결과이다. 이들 기

업에는 ApNano Materials(나노튜브 윤활제), Applied Nanotech,

Arima Eco Energy Technologies Corporation(태양전지), Nanomix,

Dupont(전계방출디스플레이, FED), Nanoledge, Structil, Seal, SK

Chemicals, Look Cycle, Babolat, Cobra, Suzlon Huntsman,

Bayer(스포츠 용품) 등이 있다. CNT는 여러 가지 방법으로 생산될 수

있다. 직경에 따라 SWCNT 또는 MWCNT를 얻을 수 있다. 현재의

MWCNT의 생산 능력은 SWCNT를 훨씬 넘어선다.

SWCNT는 MWCNT 보다 훨씬 비싸고 제조하기도 어렵다. 아직까

지 SWCNT의 뚜렷한 규모 시장은 없으며, 생산 비용을 낮출 필요

가 있다. 이 두 가지 CNT에 해 아시아의 생산 능력은 북미와 유럽

을 합친 값보다 2~3배 높다. 일본은 MWCNT의 탁월한 선두주자이

다. 리튬이온 배터리 전극에 CNT의 사용은 현재 일본에서 톤 규모의

MWCNT 생산의 구동력이다. Indium Tin Oxide(ITO) 및 전계방출

디바이스(FED)를 위한 CNT- 체 제품은 SWCNT의 생산 증가를 구

동하고 있다. 한편 트랜지스터를 사용하는 응용은 CNT 직경과 전도

도에 한 정확한 제어를 필요로 한다. 아직은 상업적 실현과는 거리

가 멀다. 벌크 SWCNT의 비용이 상당히 저하된다면 전자파 차폐

(EMI, electromagnetic shielding), 정전 방전(ESD electrostatic

discharge) 분야의 응용이 기 되며, SWCNT가 도전성 플라스틱 부

분에서 MWCNT를 체할 것으로 보인다.


Future Markets(2011)에 따르면 2010년 전세계 CNT 수요는

최소 2,650톤, 최 3,000톤이다. 금액으로는 각각 265백만 달러,

300백만 달러이다(MWCNT의 평균 가격=10만 달러/톤으로 추정).


그림 17. CNT의 용도별 수요[19]

표 8. CNT 생산 주요기업과 가격(2010)[19]

생산기업 생산량(Tons) 가격(달러/KG)

Arkema 400 80Bayer 200 125Cheaptubes 20 95CNano 500 100Eden Energy 3Hyperion Catalysis 50Hanwha Nanotech Corp. 120Mitsui/Hodogaya Chemical140Nanocyl 400 100Nanoledge 100Nanostructured & Amorphous Materials 4Raymor Industries 10Shenzhen Nanotech Port 200Showa Denko 400SouthWest 10Nanotechnologies, Inc. Sun Nanotech Co., Ltd. 100Thomas Swan 12Toray 250

산화철(Iron Oxide)

산 화 철 나 노 입 자 (Fe2O3, Fe3O4)는 그 것 의 초 상 자 성

(superparamagnetism) 과 많은 분야에서의 잠재적 응용 때문에 큰 관

심을 끌어왔다(Cu, Co, Ni도 고도의 자성 물질이지만, 이들은 독성이

있고 쉽게 산화된다). 산화철 나노입자의 응용에는 테라비트(terabit)

자기 저장장치, 촉매, 센서, 의료 진단 및 치료를 위한 고감도 생체분

자 MRI 등이 있다. 이러한 응용에는 긴사슬 지방산, 알킬 치환 아민

및 디올과 같은 시약에 의한 나노입자의 코팅이 필요하다. 이외에도

산화철은 자성을 이용해 수중의 비소의 제거, 토양중의 인산염의 고정

화에 사용되며, 특정 기능 그룹으로 수식된 자성 나노 산화철은 수중

의 박테리아 검출에도 사용된다.


그림 18.세계 CNT 생산량 전망[19]

Future Markets에 따르면 2010년 전세계 산화철 나노분말 수요

는 최소 30,000톤(벌크 산화철 분말 시장 1.5백만 톤), 최

40,000톤이다. 금액으로는 각각 180백만 달러, 240백만 달러이

다(산화철 나노분말의 평균 가격=6,000 달러/톤으로 추정).


그림 19.산화철 나노분말의 용도별 수요[19]

표 9.산화철 (Iron oxide)의 응용과 생산기업

물성 응용 생산기업

�목표지향 약물전달; 자기 세포분류, 뇌종양진단및MRI-단층X선사진또는암치료용조 제

�바이오센싱분야에서자기레이블(magneticlabels)로 유망(효소, 형광염료, 화학발광분자, 방사성동위원소등종래레이블보다많은이점이있음)

�지하수, 토양중의오염물질정화�광전자디바이스�연료전지, 산소센서�고체연료로켓의연소촉매�자성유체재료, 자기매체�페인트, 바니쉬, 잉크, 고무, 플라스틱, 화장품등의안료

�석유화학촉매

�AMAG Pharmaceuticals�Canano Technologies �Mach I, Inc. �Metal Nanopowders, �Nanogap �Nanophase Technologies �NTbase

자성(Magnetism)

나노파이버(Nanofibers)

나노파이버는 불규칙한 나무 같은 구조로부터 고도로 흑연화된

컵들을 쌓아 놓은 구조(원추형 셀이 내포된 구조)에 이르기까지 다양

한 형상을 갖는 것으로 알려져 있다. 나노파이버는 전형적으로

50~200 nm의 직경을 가지며, 단위 질량당 큰 표면적과 작은 기공

크기를 갖고 있다. 나노파이버는 현재 특히 열가소성 및 섬유강화 열

경화성 플라스틱에서 폴리머로 사용되고 있다. 열가소성 폴리머에 나

노파이버를 첨가하면, 기계적 물성 향상, mould filling을 위한 용융

흐름 향상, 소재 형상 복제성 향상, 부드러운 표면 마무리, 열전도도

부여, 열변형 온도 증가, 열팽창 계수 저하, 고분자 난연화와 같은

물성을 얻을 수 있다.

현재 나노파이버의 주된 시장은 공기, 물 여과 및 섬유 분야이다.

새로운 응용 시장이 전자(열 관리), 에너지(배터리, 촉매, 연료전지),

의약 및 생명과학(의료 붕 , 약물전달 및 조직 공학) 분야에서 일어

나고 있다. 다른 관련 시장으로는 항공우주, 화장품, 플라스틱이 있

다. 시장의 주요 기업에는, Ahlstrom, Dupont, Donaldson, Eden

Energy, Hollingsworth & Vose, Johns Manville, Kuraray,


그림 20.세계 산화철 나노분말 생산량 전망[19]

Mitsubishi Rayon, Nanomirae, Pyrograf Products, Showa

Denko, Teijin and Toray 등이 있다. 나노파이버의 생산과 응용 모

두에 관련한 혁신적 기업에는 Elmarco, Fiberio Technology

Corporation, Finetex, Nanoval이 있다. 탄소 나노파이버의 현재

가격은 약 40달러/kg이다.

Future Markets에 따르면 2010년 전세계 나노파이버 수요는 최

소 780톤, 최 1,100톤이다. 금액으로는 각각 2,496만 달러,


그림 21.나노파이버의 용도별 수요[19]

표 10.나노파이버의 응용 분야 전망

현재/단기(1~3년) 중기(3~5년) 장기(5년이상)

�전계방출 전자원�석유화학용 촉매의

담체 재료�자동차(연료 로딩 시스템,미러 하우징, 정전도장된자동차 펜더, Class A마무리 도장, 내장부품, 범퍼,내구성 타이어, 파이버 래스 강화 플라스틱에 전기전도성 부여)

�폴리머 강화재�전자 패키징�클린룸용 dust-free 트레이

�수직 정렬 어레이에서유전자 전달용 플랫폼

�항공우주(복합재 구조체,열관리, EMI/RFI 차폐)

�환경 및 화학(폐기물 처리,정화)

�실리콘 웨이퍼 제조�리튬 고분자 배터리�연료전지�디스크 드라이브부품�콘크리트의 크랙 완화�인터컨넥트 CMOS 기술

�전기 전도성 고분자�복합재 재료�SPM 탐침 (Scanning

probe microscopy tips) �정전도장 (Electrostatic

painting)�공기, 물 여과

3,520만 달러이다(나노파이버 평균 가격=3만 달러/톤으로 추정).

가철 나노입자(nZVI) 정화법의 향후 전망[8]

미국에서 정화가 필요한 지역은 235,000~355,000개소에 이르

며, 정화 비용은 1,150~1,600억 유로로 추산된다. 유럽은 정화가

필요한 지역이 20,000개소이며, 유럽 환경청(European

Environment Agency)은 또 다른 350,000개소를 잠재적인 오염

지역으로 규정하고 있다.

가철 나노입자(nZVI) 처리 비용은 사이트 조건에 따라서 오염물

질 kg당 290 유로 또는 오염처리 면적 m3당 366 유로로 나타나고

있다. 주된 비용 항목으로 i) 처리 면적, ii) 모니터링 및 주입 정

(well)의 수, iii) 주입 방법, iv) nZVI 요구량, v) 성능 및 이행여부

감시(compliance monitoring)를 위한 샘플링 및 분석 등의 비용이

고려되어야 한다. 실제 오염물질의 양을 추산하는 것은 어렵기 때문

에, 처리되는 수층의 부피에 기반해 정화 비용을 계산하는 것이 적

절하다. 필드 조사 후에 비용이 보다 정확하게 계산될 수 있다.

PARS Environmental Inc.(Dec 2009)가 수행한 뉴저지의 한 오


그림 22.나노파이버의 세계 생산량 전망[19]

염 지역(주 오염물질 TCE, PCE)의 정화 방법에 한 경제성 비교에

따르면, 양수처리법 2,760,000 유로, PRB 1,460,000 유로,

nZVI 300,000 유로로 nZVI법이 가장 저렴한 것으로 나타났다. 미

국에서는 nZVI를 이용한 오염 정화가 급속히 증가하고 있으며, 많은

이동처리(ex-situ) 정화 기술을 체하고 있다. 한편 유럽에서는 응

용예가 많지 않다. nZVI는 벌크 분말 또는 입상 철보다 반응속도는

25~30배 빠르고, 흡수 능력도 훨씬 크다. 이는 2~5 nm 입자 크

기에 해 반응성 큰 표면적(약 142 m2/g)을 갖고 있기 때문이다.

2004년 nZVI 또는 이원금속 나노 철(BNZVI)의 가격은 30~102

유로/kg 다. 마이크로 및 입상 철은 1 유로/kg 이하 다. nZVI 및

EZVI(에멀젼화 nZVI)의 가격에 비하면 마이크로 ZVI의 가격은 훨씬

저렴하며, BNZVI 가격은 훨씬 높다. 주문양이나 규격에 따라 오늘날

(2009년) nZVI 가격은 약 100~125 유로/kg이다. 슬러리 가격은

비교가 어렵다. 왜냐하면 이들은 서로 다른 양의 nZVI를 함유하고

있기 때문이다(예, TODA는 30~70%의 가철(나머지는 산화물 혼

합물)을 공급하고 있음에 비해, NANOFER는 80~90%의 가철을

함유하고 있음). nZVI 정화의 이점은 다음과 같이 요약될 수 있다.

최근 열처리(steam enhanced extraction 또는 thermal

conductive heating), 화학적 산화, 화학적 환원(nZVI 등), 화학적

토양세정(surfactant co-solvent flushing), 바이오정화 등 많은 새

로운 현장 기술이 적용되기 시작하고 있다. 전문가들은 어느 것도 보

편적으로 적용될 수는 없으며, 사이트 특성과 상 오염물질에 따라


신속한 반응�짧은 처리 시간 → 저 비용

�작업자, 동식물에게 노출이 적음

오염물질의 완전한 환원�비독성 최종 생성물

�작업자, 동식물에게 노출이 적음

현장 처리(in situ treatment) �필요 장비와 지상 시설물의 감소 → 저 비용


표 11.오염 사이트 정화를 위한 현장처리법의 비교[8]

nZVI PRB ThermalChemicaloxidation

Material nanoscale iron granular iron steam, (heat)oxidizing agents (e.g.permanganate)

Material reactivity high low - very high

Material mobility limited (max. a not mobile(passivelimited - depending

belowground few meters) treatment)on thermal fairly mobileconductivity

Material longevity up to a few restricted to the hours (Fenton’s

(treatment time) monthsyears duration of the reagent) to months

application (permanganate)

high energy costs Material costs high low for steam/heat moderate

production

uncertainty about

Material toxicityenvironmental

low non-toxic significantimpact of nanoparticles

expensivemoderate (high

(especially iftechnical expertise

Installation costs moderatecontaminant at

and sophisticated inexpensive

greater depth)equipment necessary)

Operation and low to moderate inexpensive expensive moderatemaintenance costs

Requirementspossible open access for possible possible

regarding siteunderneath machinery underneath underneath buildings access necessary buildings buildings

source and plume source treatment; source and plume

treatment;rebound rebound possibletreatment;

Plume vs. sourcepossible if source

plume treatmentif source is not

rebound possibletreatment

is not completelyonly

completelyif source is

eliminated liminatednot completelyeliminated

possible(hydrolysis- possible products of (reactive oxygen

Formation of possible possible chlorinated species, by-products (e.g. NH3, H2) (e.g. H2, OH-) compounds, solubilization of

uncontrolled heavy metalscondensation of (e.g. Cr))contaminants)

more reducing more reducing increase inoxidation of

Environmental conditions → conditions → temperature →reducing

effects emporal change temporal change temporal changeenvironment →

in microbiology in microbiology in microbiologytemporal changein microbiology

가장 효과적인 방법이 선택되어야 한다고 한다. <표 11>은 nZVI 주

입법과 PRB, 열처리법 및 화학적 산화법을 비교한 것이며, <표

12>는 nZVI를 이용한 전문 정화 기업들을 정리한 것이다.

nZVI는 오늘날 토양/수질 처리에 있어 가장 유망한 현장 처립 방

법으로 주목받고 있지만, 향후 본격적인 상용화를 위해서는 기술적,

경제적, 사회적으로 풀어야 할 과제도 많다. 다음은 주요한 이슈들을

요약한 것이다.

∙nZVI의 제한된 이동성(mobility)과 수명

∙철의 부동태화(iron passivation)와 입자 응집

∙메커니즘의 불완전한 이해(비생물적 vs 생물적 분해, 입자 이동


표 12.나노 철 입자를 이용하는 환경정화 기업[8]

기업 URL 입자 유형 국명

GeoSyntec Consultants www.geosyntec.com EZVI 미국

Huff & Huff, Inc. www.huffnhuff.com EZVI 미국

RNAS, Inc. www.rnasinc.com EZVI 미국

Starlight Environmental Group, Inc. www.starlightenvironmental.com EZVI 미국

Terra Systems, Inc. www.terrasystems.net EZVI 미국

Toxicological & Environmental www.teainconline.com EZVI 미국

Associates (TEA), Inc.

Weston Solutions, Inc. www.westonsolutions.com EZVI 미국

Pars Environmental www.parsenviro.com nZVI 미국

GeoNano Environmental Technology, Inc. gnet.myweb.hinet.net/. nZVI 아시아

Nanoteksa www.nanoteksa.com/ nZVI 남미

Alenco Environmental Consult GmbH www.fe4u.com nZVI 독일

Golder Associates www.golder.com nZVI유럽/

캐나다

Aquatest www.aquatest.cz/ nZVI 체코

Nanoiron www.nanoiron.cznZVI

체코(NANOFER)

의 예측 곤란)

∙수소 생성에 의한 투과성 저하 및 중간체(DCE) 축적 가능성

∙실험실에서 필드 이전 적용 시: 반응성, 입자분포의 예측 곤란,

주입 기술의 설계, 모니터링, 설비의 스케일 업, 관정(well) 조

건, nZVI의 분포 향상을 위한 첨가제 등에 의한 수층의 전처

리, 혼합 및 주입을 위한 전문화된 장비

∙nZVI의 현장 주입후 오염물질의 재출현 가능성

∙재료취급 및 비용(nZVI는 규모 분산 오염운(plume)에는 비용

효과적이 아닐 수 있음)

∙모든 비용은 초기 1~2년내 발생됨(예산 악화 가능성). 양수처리법

비용은 10~20년에 걸쳐 있음(세금 감면으로 선호될 수 있음).

∙당국 승인의 어려움(환경시장은 규제와 법에 의해 구동되고 제약됨

∙nZVI 및 지하수 정화에 관한 기존 특허

∙컨설턴트나 잠재 고객들의 나노 정화에 한 정보의 부족(소비자

는 내재적인 위험 때문에 신기술 사용을 꺼림)

∙이 기술에 한 장기적 경험의 부족(예, 기술이 어느 정도 준비

되어 있는가? 어떤 위험이 존재하는가? 유효성은 어는 정도 큰

가? 정부가 부과하는 장애가 존재하는가?)

∙ 중의 반발 가능성(나노 철 입자의 사이트 주입 시 하류로의 이

송 가능성)


맺는말

본 보고서에서는 음용수, 토양 및 지하수의 정화를 위한 오염수의

효과적 처리와 관련한 잠재적 문제를 해결하기 위해 나노입자의 사

용에 한 전반적인 현상과 전망을 기술했다. 작은 입자는 매우 반

응성이 높고 큰 흡수 능력을 갖고 있기 때문에, 나노정화 방법은 현

장에서 형 오염 사이트를 정화할 수 있는 잠재력을 갖고 있다.

EPA 보고서(2004년)에 의하면 미국의 유해 폐기물 지역을 정화하

는데 30~35년이 걸리며 2,500억 달러가 소요될 것으로 추산된

다. 나노정화 기술은 규모 오염 지역을 정화하는데 드는 전체 비

용을 저감시킬 잠재력이 있을 뿐 아니라, 정화시간을 줄이고, 오염

토양을 처리∙처분할 필요성을 없애주며, 일부 오염물질의 농도를

거의 제로에 가깝게 줄이며, 현장에서 행해질 수 있다는 이점이 있

다. 현장 나노정화 방법은 현장 또는 지하에서 오염물질의 변형 및

해독을 위한 반응성 나노물질의 적용을 필요로 한다. 지상 처리를

위해 지하수를 펌핑할 필요가 없으며, 토양도 처리∙처분을 위해 다

른 곳으로 수송할 필요가 없다. 양수처리법에는 고비용 및 장기간이

필요하기 때문에, 현장 처리 기술의 채용이 증가하고 있다.

그러나 나노 입자 목표 지점 전달 등 기술적인 문제가 해결되어야

한다. 가철 나노입자(nZVI)의 산화환원반응을 이용한 토양과 지하


맺는말

수의 정화 방법은 나노물질 응용의 유일한 상업적 성공 사례로 꼽히

고 있다. nZVI는 벌크 분말 또는 입상 철보다 반응속도가 25~30

배 빠르고, 흡수 능력도 훨씬 크기 때문에, 유기 오염물질을 효과적

으로 분해∙제거할 뿐 아니라 중금속 및 무기 음이온들도 제거할 수

있다. 또 처리비용도 기존의 정화 방법들보다 저렴한 것으로 나타나

고 있다. 미국에서는 nZVI 정화법이 급속히 증가하고 있으며, 양수

처리법 등 기존의 이동처리(ex-situ) 방법들을 체해가고 있다. 그

러나 나노입자의 흡착 능력을 이용해 토양과 지하수의 오염물질을

제거하는 방법은 아직 초기 시장 수준이다.

한편 나노입자 사용의 많은 장점이 부각되고 있는 가운데 나노물질

의 토양 중으로의 규모 방출에 한 우려도 제기되고 있다. 따라

서 본격적인 사용을 위해서는 나노물질의 광범위한 인체 및 생태계

독성 시험에 한 평가가 먼저 이루어져야 한다. 부분의 사회적

이슈는 나노물질로 오염지역을 정화하는 경우 발생할지 모를 위험성

에 연유한다. 나노물질의 환경에 한 부정적 향을 예방하기 위하

여 충분한 생태계 차원의 연구를 포함한 폭 넓은 환경적 향에

한 적절한 검토와 평가가 이루어져야 한다. 요컨 나노기술이 주는

기회와 위험을 주의 깊게 저울질하는 것이 필요하다. 아울러 필드

조건에서 나노기술 응용의 성공은 화학, 재료과학, 지질학, 생물학,

독성학 등 관련 학제간 협력 작업이 필수적이다.

맺는말


참고문헌

[1] iNANO (2007), “Applications of nanotechnology: Environment”, FP6 projectNANOCAP

[2] C.S. Rajan (2011), “Nanotechnology in Groundwater Remediation”, InternationalJournal of Environmental Science and Development, vol. 2, no. 3.

[3] Ram M. K. and Kumar A. (2011), “Decontamination Using Nanotechnology”

[4] Grueere G., Narrod C. and Abbott L. (2011), “Agriculture, Food, and WaterNanotechnologies for the Poor: Opportunities and Constraints”, IFPRI Policy Brief 19.

[5] Mueller N. C. and Nowack B. (2010), “Nanoparticles for Remediation: Solving BigProblems with Little Particles”, ELEMENTS, vol. 6, pp. 395?400.

[6] EI Saliby I. J., Shon H.K., Kandasamy J. K. and Vigneswaran S. (2011), “Water andWastewater Treatment Technologies, Nanotechnology for Wastewater Treatment: InBrief”

[7] Agarwal A. and Joshi H. (2010), “Environmental Sciences Application ofNanotechnology in the Remediation of Contaminated Groundwater: A Short Review”,Recent Research in Science and Technology, vol. 2, no. 6, pp. 51~57.

[8] ObservatoryNANO (2010), “Nano zero valent iron - The solution for water and soilremediation?”, EMPA

[9] Yan W., et al. (2009), “Nanoscale Zero-Valent Iron (nZVI): the Core-Shell Structureand Sequestration of Heavy Metals”, International Perspectives on EnvironmentalNanotechnology - Applications and Implications, EPA 905/R-09/032, p.108.

[10] ObservatoryNANO (2009), “ Economic Analysis of Nanotechnology forEnvironmental Applications”

[11] Nowack B. (2008), “Pollution Prevention and Treatment Using Nanotechnology”

[12] Cundy A. B., Hopkinson L., Whitby R. L. D. (2008), “Use of iron-based technologies incontaminated land and groundwater remediation: A review”, Science of the TotalEnvironment, vol. 400, pp. 42~51

[13] Mansoori G. A., Rohani.Bastami T., Ahmadpour A. and Eshaghi (2008), “Chap. 2Environmental Application of Nanotechnology”, Annual Review of Nano Research,vol.2, pp. 1~73.

[14] Zhang W. (2003), “Nanoscale iron particles for environmental remediation: Anoverview”, Journal of Nanoparticle Research, vol. 5, pp. 323~332.

[15] Latif B. (2006), “Nanotechnology for Site Remediation: Fate and Transport ofNanoparticles in Soil and Water Systems”, US EPA

[16] EPA (2009), “Chapter 2. Zero-valent Iron Nanoparticles”

[17] Tao N. J., “Detection of Heavy Metal Ions with Nanojunctions”, presentationmaterial, Arizona State University

[18] BCC Research (2009), “Nanotechnology in Environmental Applications: The GlobalMarket”

[19] Future Markets Inc. (2011), “The World Market for Nanotechnology: Applications,Markets and Companies”

[20] European Commission (2012), “Nanotechnoplogies: principles, Applications,Implications and Hands-on Activities”

[21] iNANO (2010) “NANOYOU Teachers Training Kit in Nanotechnologies”Module 2Application of Nanotechnologies - Chapter 2 Environment

[22] Karn B, Kuiken T, Otto M (2009), “Nanotechnology and in situ remediation: A reviewof the benefits and potential risks”, Environmental Health Perspectives, vol. 117, pp.1823~1831.

[23] Phenrat T., Saleh N., Sirk K., Tilton R. and Lowry G. (2007), “Aggregation andsedimentation of aqueous nanoscale zerovalent iron dispersions”, EnvironmentalScience and Technology, vol. 41.

[24] Henn, K. W. and Waddill D. W. (2006), “Utilization of nanoscale zero-valent iron forsource remediation-A case study”, Remediation Journal, vol. 16, no. 2, pp. 57~77.

[25] Wang C. & Zhang W. (1997), “Nanoscale metal particles for dechlorination of PCEand PCBs”, Environ. Sci. Technol, vol. 31, no. 7, pp. 2154?2156.

[26] Rickerby D, Morrison M. (2007), “Report from the Workshop on Nanotechnologiesfor Environmental Remediation”, JRC Ispra. (www.nanowerk.com/nanotechnology/reports/reportpdf/report101.pdf)

[27] Pan G., Li L., Zhao D., Chen H. (2010), “Immobilization of non-point phosphorususing stabilized magnetite nanoparticles with enhanced transportability andreactivity in soils”, Environmental Pollution, vol. 158, pp. 35~40.

[28] Wegmann M., Michem B., Graule T. (2008), “Nanostuctured surface modification ofmicroporous ceramics for virus filtration”, Journal of the European CeramicSociety, vol. 28, pp. 1603~1612.

참고문헌

나노기술의 환경정화응용과 시장전망 -...

Documents