Sugarcane bagasse biochar functionalized with ZnO via zinc hydroxychloride thermal conversion for enhanced photocatalytic degradation of paracetamol

수처리 시설은 강과 호수를 깨끗하게 만들기 위해 설계되었지만, 우리가 변기에 흘려보내는 의약품의 미세한 흔적이라는 특정한 종류의 보이지 않는 오염 물질로 인해 종종 어려움을 겪습니다. 사람들이 파라세타몰과 같은 진통제를 복용할 때, 인체는 모든 분자를 흡수하지 못합니다. 남은 성분은 하수 시스템을 통과하여 환경으로 유입되며, 그곳에서 물고기와 다른 야생 동물들에게 해를 끼칠 수 있습니다. 이러한 화학 물질들은 매우 지속성이 강하고 아주 적은 양으로 존재하기 때문에, 표준적인 정화 방식으로는 효과적으로 제거할 수 없습니다. 과학자들은 빛을 사용하여 오염 물질을 분해하는 화학 반응을 일으키는 광촉매 작용이라는 강력한 해결책에 주목했습니다. 이 과정에 사용되는 흔한 재료 중 하나는 빛 에너지를 흡수하는 스펀지 역할을 하는 흰색 가루인 산화아연입니다. 하지만 이 재료에는 결함이 있습니다. 빛을 흡수할 때, 포착된 에너지가 실제 정화 작업을 수행하기도 전에 스스로 상쇄되어 버리는 경우가 많으며, 미세한 입자들을 작업 후에 다시 모으기가 어렵다는 점입니다.

이러한 문제들을 해결하기 위해, 브라질의 이타주바 연방 대학교 연구진은 산화아연을 농업 폐기물로 만든 재료와 결합하는 새로운 방법을 개발했습니다. 그들은 사탕수수 즙을 만드는 과정에서 남은 섬유질 잔여물인 사탕수수 바가스를 가져와 바이오차라고 불리는 다공성 숯 형태의 물질로 만들었습니다. 연구진은 이 두 재료를 액체 속에서 단순히 섞는 대신, 열처리 과정을 통해 바가스 표면에 산화아연을 직접 성장시켰습니다. 그 결과, 빛을 흡수하는 산화아연 입자들이 탄소가 풍부한 바이오차에 단단히 고정된 복합 재료가 탄생했습니다. 이 구조는 바이오차가 산화아닌 입자들을 분리되고 안정적으로 유지하는 지지체 역할을 하는 동시에, 에너지의 흐름을 조else 관리하여 정화 반응이 더 효율적으로 일어날 수 있도록 도왔습니다.

연구팀은 광원을 이용해 물속에서 파라세타몰을 제거하는 실험을 통해 이 새로운 재료를 테스트했습니다. 그들은 바이오차를 지지체로 사용한 재료가 일반 산화아연 가루보다 훨씬 우수하다는 것을 발견했습니다. 실험 결과, 이 새로운 복합 재료는 단 90분 만에 물속의 파라세타몰을 78% 이상 제거한 반면, 표준 산화아연 가루는 같은 시간 동안 그 절반도 채 제거하지 못했습니다. 연구진은 바이오차의 다공성 구조가 의약품 분자를 활성 산화아연 부위 근처에 가두어 반응을 유리하게 시작하는 데 도움을 준다는 것을 관찰했습니다. 더욱이, 이 재료는 오염 물질을 분해하는 속도가 수정되지 않은 가루보다 두 배 이상 빨랐습니다.

과학자들은 이 정화 과정이 정확히 어떻게 일어나는지 이해하기 위해 특수 화학 물질을 사용하여 반응 과정의 각 단계를 차단해 보았습니다. 그들은 의약품의 분해가 반응적인 대리인들의 팀에 의해 주도된다는 것을 발견했습니다. 가장 중요한 조력자는 히드록실 라디칼과 슈퍼옥사이드 라디칼이었는데, 이들은 약물 분자를 공격하고 해체하는 매우 에너지가 높은 입자들입니다. 바이오차는 빛에 의해 생성된 전기적 전하를 분리함으로써 에너지가 낭비되는 것을 방지하고, 이러한 라디칼을 생성하는 데 결정적인 역할을 했습니다. 이 재료는 반복적인 사용 후에 기공이 찌꺼기로 막히면서 성능이 다소 저하되는 모습을 보이기도 했으나, 미래의 수처리 시스템을 위한 유망한 후보로 간주될 만큼 충분히 안정적이었습니다. 이 연구는 농업 폐기물을 첨단 정화 도구로 전환하는 것이 증가하는 제약 오염 위협으로부터 우리의 수자원을 보호하기 위한 저비용의 효과적인 방법이 될 수 있음을 시사합니다.