​장민 교수(환경공학과)​ 연구팀,  과황산염과 유전체 장벽 플라즈마를 활용한 

폐활성탄 미세공극 회복 기술 개발

- Chemical Engineering Journal (JCR IF 13.2, JCR Rank: 3.0%) 과학전문지 게재 –

왼쪽부터 오동윤 석사과정생 (제 1저자), 장민 교수, 플라즈마-PDS 재생 원리

모교 환경공학과 석사과정생인 오동윤 (제1저자), 황건덕 박사, 장석범 박사, 종초은 연구교수를 포함한 장민교수 (교신저자, 대한중점연구소 부소장, 환경나노기술연구소 (JENTL) 소장) 연구팀은 전자바이오물리학과 임준섭 박사, 한국 플라즈마기술연구소 임정현 박사, 최은하 교수(PBRC 소장) 그리고 이화여자대학교 윤여민 교수와 함께 과황산염과 유전체 장벽 플라즈마를 활용하여 폐활성탄의 미세공극 회복 기술을 개발했다.

휘발성유기화합물(VOCs)은 산업 공정에서 빈번히 발생하는 대기오염 물질로, 실내 공기 질 저하 및 인체 건강에 미치는 영향으로 인해 사회적 문제로 부각되고 있다. 이들 VOCs는 낮은 끓는점을 가져 공기 중으로 쉽게 증발하며, 장기간 노출 시 호흡기 질환, 피부 트러블, 심지어는 암과 같은 중대 질환을 유발할 수 있어 강력한 규제가 요구된다. 이에 따라 많은 산업 현장에서는 VOCs 저감을 위해 활성탄 기반의 흡착탑을 설치하고 있으며, 그 중에서도 과립형 활성탄(GAC)은 넓은 표면적과 높은 흡착 용량, 그리고 비교적 저렴한 비용으로 인해 대표적인 VOCs 제거 수단으로 널리 사용되고 있다. 그러나 고농도 VOCs가 연속적으로 배출되는 환경에서는 활성탄이 빠르게 포화 상태에 이르러 흡착 수명이 급격히 짧아지고, 이로 인한 빈번한 교체와 폐기 비용이 산업체에 큰 부담으로 작용하고 있어 다양한 활성탄 재생 기술이 연구되어 왔다. 그중에서도 가장 널리 쓰이는 고온 열처리 방식은 과도한 열로 인해 미세공극이 손상되거나 활성탄의 구조 자체가 변형되어 재생 후 흡착 성능이 저하된다는 한계가 있다. 특히 VOCs는 분자 크기가 작고 휘발성이 높아 활성탄의 가장 깊은 미세공극까지 침투하는 특성이 있어, 이들을 효과적으로 제거하면서도 기공 구조를 보존하는 저온 기반의 재생 기술 개발이 중요한 기술적 과제로 남아 있었다.

[과황산염과 플라즈마를 활용하여 폐활성탄 재생 개념도]

본 연구에서는 낮은 에너지 소비로 반응성 산소종(ROS)을 생성할 수 있는 유전체 장벽 방전(Dielectric Barrier Discharge, DBD) 플라즈마 기술을 기반으로, 여기에 과황산염(Peroxydisulfate, PDS)을 결합하여 휘발성유기화합물을 흡착한 폐활성탄의 미세공극 회복 및 효율적인 재생 기술을 개발하였다. DBD 플라즈마 만을 적용한 경우 약 40%의 재생 효율을 보인 반면, 여기에 PDS를 병행 적용할 경우 최대 81%까지 재생률을 향상시킬 수 있음이 확인됐다. 이는 기존 플라즈마 단독 기술보다 두 배 이상 높은 성능이며, 실험에서는 페놀(phenol)을 VOC 대체 지표로 사용하여 재생 효율을 평가했다.

재생된 활성탄의 구조적 변화는 질소 흡탈착 분석(N₂ adsorption-desorption), 주사전자현미경(FE-SEM), 에너지 분산 분광기(EDS), X선 광전자분광법(XPS) 등을 통해 정밀하게 분석되었으며, 그 결과 활성탄의 미세공극 부피가 신품 활성탄 대비 96% 이상 복원되었음이 확인되었다. 또한 본 기술은 경제성과 지속 가능성 측면에서도 우수한 성과를 보였다. 처리 후 남은 반응 용수를 최대 4회까지 재사용하면서도 평균 74%의 안정적인 재생 효율을 유지하여, 공정수 순환을 통한 운영 비용 절감 가능성을 입증하였다. 소거제 실험을 통해 싱글렛 산소(¹O₂)가 PDS를 활성화시키는 주된 물질임을 확인했으며, 전자스핀공명(ESR) 실험을 통해 싱글렛 산소(¹O₂), 황산 라디칼(SO₄•⁻) 및 하이드록실 라디칼(•OH)와 같은 반응성 산소종(ROS)의 역할을 입증하였다. 따라서 플라즈마에 의해 생성된 ¹O₂와 •OH가 PDS을 활성화시켜 강력한 산화제인 SO₄•⁻를 생성하게 되며, 이들은 미세공극 깊숙이 침투하여 VOCs를 효과적으로 분해한다. 이 과정에서 특히 수명이 긴 SO₄•⁻(μs~ms)는 다른 라디칼보다 깊은 침투가 가능해, 오염물질이 깊이 축적된 활성탄 내부까지 도달하여 분해 효과를 높였음을 확인하였다. 본 연구(재생 효율 81%, 비용 $0.058/g)와 열 재생 공정(재생 효율 84%, 비용 $0.21/g)의 경제성 평가 결과, 두 공정의 재생 효율은 거의 유사했지만, 본 연구에서 개발된 공정은 활성탄 1그램당 재생 비용이 열 재생 공정보다 약 3.6배 낮아, 훨씬 더 비용 효율적인 해결책을 제공하는 것으로 분석되었다. 본 연구는 플라즈마와 과황산염의 복합 활용은 기존 기술의 한계를 극복하면서도 저온·저에너지·친환경적으로 활성탄을 재생할 수 있는 새로운 대안으로 사용될 수 있을 것이라 기대된다.

한편, 본 연구는 2024년도 안산녹색환경지원센터 (24-07-04-50-54) 한국환경산업기술원 (RS-2023-00215807)의 지원 및 한국연구재단 (RS-2021-NR060112, 2023R1A2C1003464, RS-2024-00512818) 지원으로 수행되었으며, 2025년 6월 25일자 과학전문지인 Chemical Engineering Journal (IF: 13.4, JCR rank: 3.7%)에 "Dielectric barrier discharge plasma combined with peroxydisulfate for efficient regeneration of waste granular activated carbon: Enhancing micropore recovr”의 제목으로 출판되었다.

Weblink: (https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.165363)