지난 3월 30일 연세대학교에서 열린 ‘2013 국제환경탐구올림피아드’ 본선대회에서 ‘광촉매 이산화티타늄이 함유된 도로구조물의 수질정화능력에 관한 연구’를 발표해 금상을 수상한 영동고 3학년 장지인 학생은 작년의 예선 탈락이라는 아픔을 딛고 논문의 단점을 보안하기 위해 1년간 재탐구와 실험활동을 진행했다.
그결과 아스팔트에 이산화티타늄(TiO₂)을 일정량 첨가 시, 도로를 통해 지하수로 유입되는 각종 수질오염물질 정화에 효과가 있음을 밝혔다.
광촉매 이산화티타늄의 효과
광촉매란 빛을 에너지원으로 하여 촉매 반응을 진행시키는 물질을 일컫는다. 광촉매의 종류에는 여러 가지가 있으나 이산화티타늄(TiO₂)은 파장 400nm이하의 자외선을 흡수하여 고에너지의 전자(e-)와 정공(h+)으로 분리된다. 이 전자와 정공은 표면의 흡착산소 및 물과 반응하여 각각 슈퍼옥사이드 음이온(O²-)과 하이드록시 라디칼(OH-)이라는 활성종을 형성한다.
이렇게 형성된 활성종은 강력한 유기물질들을 산화분해 할 수 있는 능력이 매우 뛰어나기 때문에 공기 속에서 항상 존재하고 있는 악취물질, 바이러스, 박테리아 같은 세균 등을 분해하며, 유해가스 등을 제거·흡수하는 작용을 한다.
이에 장지인 학생은 강한 산화력을 갖는 이산화티타늄을 도로 포장재에 널리 사용되는 아스팔트에 첨가할 경우, “빗물 등 수중에 존재하는 각종 오염물질을 효과적으로 제거할 수 있는, 수질정화능력을 갖춘 도로 구조물을 제작할 수 있을 것”이라는 가정 하에 실험을 진행했다고 한다. 정확히는 이산화티타늄의 포함 비율에 따라 도로 구조물이 어느 정도의 수질 정화능력을 갖는지 알아보기 위한 실험을 실시했다.
실험은 첫째로 anatase형 이산화티타늄과 도로 포장재로 널리 사용되는 아스콘을 배합하여 도로 포장 형태
아스팔트에도 수질 정화 기능 있다의 구조물을 제작하는데, 아스콘에 첨가하는 이산화티타늄(TiO₂)의 첨가 비율은 0~6wt%의 범위에서 2wt%단위로 변화시켜 0wt%, 2wt%, 4wt%, 6wt% 네 가지 비율의 도로 포장 구조물을 제작했다.
둘째로는 제작한 구조물 위에 오염수를 넣어 방치시키는 형태로 오염수와 이산화티타늄(TiO₂)이 일정량 포함된 도로 포장 형태의 구조물이 서로 접촉하여 반응하게 했다. 이 때 반응을 위해서는 자외선 영영 파장의 빛이 필요하므로 실험실에서 삼파장 램프와 자외선 램프를 동시에 켜 놓은 상태로 실험을 진행했다.
셋째, 24시간 동안 6시간 단위로 수질 측정 스트립을 이용, 각종 수질 오염 지표를 측정하여 수질 정화 거동을 파악했다. 수질 정화 정도는 총염소(Total Chlorine), 유리 염소(Free Chlorine), 총경도(Total Hardness), 알칼리도(alkalinity), 수소이온 농도지수(pH), 시아누르산(Cyanuric Acid) 등의 여섯 가지 화학적 수질오염 지표를 척도로 하여 평가했다.
이산화티타늄의 포함 비율에 따라 수질 정화능력 달라
총염소의 경우 포함된 이산화티타늄의 중량 비율에 거의 비례하게 총염소가 감소하는 경향을 보였다. 총경도의 경우 0~2wt% 구간에서 가장 큰 감소세를 보였고, 4~6wt% 구간에서는 감소의 폭이 현저하게 주는 것으로 나타났다. 잔류염소의 경우도 총염소와 비슷한 경향으로 그 농도가 감소하는 모습을 볼 수 있었다.
총알칼리의 경우 총경도 에서와 비슷하게 0~2wt%, 2~4wt% 구간에서 큰 감소세를 보였고, 4~6wt% 구간에서는 감소의 폭이 줄어드는 것으로 나타났다. pH의 경우 8.0으로 약알칼리성에서 시작한 수치가 24시간 후 각 중량 비율에 따라 7.8, 7.4, 7.2, 7.2 로 중성 수치인 7에 가까워지는 것으로 나타났다. 시아누르산에서는 이산화티타늄이 포함되지 않은 실험군의 경우 24시간 후에도 그 농도의 변화가 없었지만 이산화티타늄이 포함된 실험군에서는 24시간 후 시아누르산의 농도가 큰 폭으로 감소하는 것으로 나타나 이산화티타늄의 광촉매작용이 시아누르산의 농도 감소에 매우 효과적으로 작용함을 알 수 있다.
수질 측정 지표의 종류에 따라 다소 차이는 있지만 이산화티타늄이 포함된 도로구조물의 수질 정화 능력을 입증할 수 있는 연구였다. 대부분의 실험에서 0~2wt% 구간의 오염물질 농도의 감소폭이 가장 큰 것으로 나타나 필요 이상의 이산화티타늄 첨가는 경제적인 측면에서도 문제가 있을뿐더러 그 효과에서도 큰 의미가 없다는 것을 알 수 있다.
장지인 학생은 실험 결과에 대해 “도로 구조물은 특성상 내구도가 매우 중요하다고 할 수 있는데 이산화티타늄의 첨가에 따른 내구도의 변화나 강도의 변화 등 물질적 특성 변화에 대한 연구가 필요하다”며 실질적인 활용을 위해 지속적인 연구가 진행되어야 한다고 강조했다.
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