Although perchlorate (ClO4-) has a detrimental effect on human health, there have been limited solutions for the permanent degradation of perchlorate due to its extraordinary stability. Here an integrated process com-bining a physical adsorption and a catalytic degradation by using Pd/activated carbon (Pd/AC) and Pd/N-doped activated carbon (Pd/N-AC) as an adsorption/catalysis bi-functional material was demonstrated. During the perchlorate adsorption from waste water, the porous structure of the carbon provides adsorption sites for perchlorate. Pd/N-AC exhibited 38 ~ 52 % higher adsorption capacities than Pd/AC both in the presence and absence of competing ions (NO3-, SO42- and HCO3-). This can be attributed to the more positive surface charge of Pd/N-AC as revealed by zeta potential measurement. After the carbon surface is saturated with perchlorate, the adsorbed perchlorate can be fully decomposed by the catalytic function of supported Pd catalysts within 2 h under flowing H2 at 503 K. The perchlorate adsorption/catalytic decomposition cycle can be repeated up to three times without the loss of perchlorate adsorption capacity. Because the carbon adsorbents can be regenerated by using H2 as a green reducing agent (producing only H2O), significant cost savings and a favorable environmental impact can be realized compared with the conventional perchlorate removal strategies.
강력한 산화제로 폭약, 화약 그리고 로켓 추진제로 널리 쓰이는 퍼클로레이트는 물에 대한 용해도가 높은 특성으로 인해 사용 후 발생되는 폐수는 물론 식수 및 농산물에서도 검출 되고 있다. 퍼클로레이트가 인체에 유입되는 경우 갑상선의 사람의 성장 및 중추 신경계에 중요한 역할을 하는 호르몬의 생성을 돕는 요오드 흡수를 방해하여 특히 유아나 임산부에게 매우 치명적인 문제를 일으킬 수 있다고 알려져 있다. 따라서 미국에서는 물론 한국에서도 퍼클로레이트를 수질 감시 항목으로 지정하였으나 퍼클로레이트 제거를 위해 연구 되어온 방법들 각각의 한계점들로 인해 경제적이고 효율적으로 퍼클로레트 제거를 위한 연구들이 계속 진행되고 있다.
활성탄 및 이온교환수지를 흡착제로 통해 수질 속 퍼클로레이트를 흡착하여 제거하는 물리적 흡착 방법의 경우, 흡착제가 흡착한 퍼클로레이트를 또 다시 제거하기 위해 2차 처리 방법이 필요하다는 사실과 비싼 가격의 이온교환수지를 재생하기 위한 비용이 높아 실제 수질 정화 시스템에 적용하기에 부적합하다. 환원제 존재 하에 퍼클로레이트를 무해한 염화이온으로 환원 시켜 제거하는 화학적 환원 방법의 경우 퍼클로레이트 높은 분해 온도를 폐수에 적용할 수 없다는 것과 낮은 폐수 속 퍼클로레이트 농도, 환원제로 사용하는 수소의 낮은 용해도로 인해 아직 더 많은 연구가 필요한 실정이다. 퍼클로레이트를 분해 가능한 미생물을 이용한 생물학적 처리 방법의 경우 효율적인 처리 방법이지만 미생물을 식수 정화에 사용하는 것에 대한 대중들의 거부감에 의해 실제 공정에 적용하기에 한계점이 존재한다.
본 연구에서는 팔라듐을 담지한 활성탄들을 통하여 물리적 흡착 방법과 화학적 환원 방법을 통합한 새로운 퍼클로레이트 제거 방법을 개발하였다. 이는 액상에서 퍼클로레이트 이온을 흡착하여 촉매 역할을 하는 팔라듐을 통해 기상의 수소 하에서 흡착한 퍼클로레이트 이온을 기존보다 낮은 온도 하에서 분해 가능하도록 고안하였다. 또한 표면을 질소 도핑법으로 개질하여 활성탄의 낮은 퍼클로레이트 흡착능을 향상 시키고자 하였다.
퍼클로레이트만 존재하는 조건은 물론 다른 경쟁 이온들과 함께 퍼클로레이트가 존재하는 조건에서도 합성 된 팔라듐을 담지한 활성탄(Pd/AC)과 질소 도핑 후 팔라듐을 담지한 활성탄(Pd/N-AC)의 흡착 실험을 진행하였다. 그 결과 두 조건에서 모두 질소를 도핑한 활성탄이 그렇지 않은 활성탄보다 38~52% 높은 퍼클로레이트 흡착능을 가짐을 확인하였다. 이는 질소를 도핑한 활성탄의 표면이 그렇지 않은 활성탄의 표면보다 약간 높은 표면 전하를 가짐을 보여준 제타 포텐셜 결과와 일치한다.
다음으로는 두 흡착 물질(Pd/AC, Pd/N-AC)에 퍼클로레이트를 흡착 후, 포화 된 흡착제를 기상의 수소를 흘려주며 흡착 된 퍼클로레이트가 완전히 분해되는 온도를 측정한 결과 약 230도 이 전에 모두 제거 됨을 확인하였다.
퍼클로레이트 이온의 흡착능과 제거능을 확인 한 후, 흡착-분해-흡착 순환 과정 중에도 샘플들의 퍼클로레이트 제거 능력에 영향을 주지 않는지 확인하기 위해 반복 실험을 세 번까지 수행하였으나 반복 실험 중에도 퍼클로레이트의 제거능은 변하지 않고 유지 되었다.
본 연구는 유해한 퍼클로레이트 이온을 무해한 물질들로 분해하며 또한 흡착제를 계속적으로 재생할 수 있으므로 매우 경제적이며 친환경적인 공정으로써 실제 수질 정화 공정에 적용되기에 높은 가능성을 가지고 있다.
