인공지능(AI) 활용한 바이오차 기반 토양오염 정화기술 개발

옥용식 교수팀 연구결과, Environmental Science & Technology 소개돼



▲ 환경생태공학부 옥용식 교수(왼쪽, 교신저자), 환경생태공학부 Kumuduni Palansooriya박사(오른쪽, 주저자)

최근 들어 용산 미군기지를 포함 국내외 중금속, 유류 등으로 인한 도심 지역의 토양오염이 사회적으로 큰 이슈가 되고 있어 이에 대한 지속가능한 정화기술 개발이 시급이 요구된다. 토양의 중금속 오염은 인류의 식량 안전과 지속가능성을 위협할 수 있으며, UN이 지정한 지속가능발전목표(Sustainable Development Goals, SDGs) 중 8개 SDGs(▲SDG1, 빈곤층 감소와 사회안전망 강화, ▲SDG2, 식량안보와 지속가능한 농업, ▲SDG3, 건강하고 행복한 삶, ▲SDG6, 건강하고 안전한 물관리, ▲SDG11, 지속가능한 도시와 주거지, ▲SDG12, 지속가능한 생산과 소비, ▲SDG13, 기후변화 대응, ▲SDG15, 육상생태계 보전)에 악영향을 미치게 되어 이에 대한 정화가 요구된다.

바이오차(Biochar)는 PET를 포함한 각종 플라스틱, 음식물쓰레기, 가축분뇨 등의 폐자원 및 바이오매스에 열분해/가스화 공정을 적용하여 만들어낸 자연모사 탄소 기반 신소재로 최근 미국과 유럽을 중심으로 바이오차를 활용한 환경친화적인 토양오염 정화기술이 제안됐다. 그러나, 바이오차의 정화효율은 바이오차 종류 및 특성, 토양환경, 오염의 유형과 특성에 따라 매우 상이하여 기술의 상용화를 위한 최적화 공정개발이 시급한 실정이다.

옥용식 교수팀은 토양오염 및 인공지능 분야의 세계적인 석학인 국립싱가포르대학교 Xiaonan Wang 교수팀과 5년간의 국제공동연구를 통해 바이오차 기반의 오염토양 안정화 기술에 대한 정화효율 예측 모델 개발에 성공했고 그 결과를 환경 분야 전세계 최고 권위의 학술지인 환경과학기술(Environmental Science & Technology, ES&T)에 게재, 4월의 가장 주목받는 논문(Most popular articles)에 선정되는 쾌거를 이루었다. 미국화학회에서 발간하는 ES&T는 네이처 인덱스 (Nature Index) 학술지로, 환경 과학 및 공학 그리고 정책을 다루는 환경 분야 모든 저널 중 세계 최고 권위를 가지고 있다.

 
▲ 인공지능(AI)을 활용한 바이오차 기반의 토양오염 안정화 모델 개념도

최근 들어, 탄소중립 부문에서 바이오매스 및 폐기물의 업사이클링을 통한 고부가가치 소재인 바이오차에 대한 관심이 매우 높아지고 있다. 특히, 지구 온난화의 주범인 이산화탄소의 포집을 위한 바이오매스 및 폐기물 기반 바이오차는 대표적인 탄소포집저장(CCS) 기술의 하나로 CO₂ 배출에 따른 기후 변화를 완화하고, 가축 분뇨 등 농림부산물을 포함한 바이오매스 그리고 음식물 쓰레기, 폐플라스틱을 포함한 각종 폐기물의 부적절한 관리로 인한 환경오염을 동시에 해결할 수 있는 지속가능 기술로 부각되고 있으나, 재료 자체의 구조적 특성이 상이하고 다양한 기능기가 존재하여, 오염토양에 적용시 정화효율의 정확한 예측이 어려운 것으로 알려져 왔다.

옥 교수는 이번 연구를 통해 바이오차 기반의 오염토양의 정화에 있어 바이오차의 질소 함량(0.3% ~ 25.9%) 및 바이오차 처리량(0.5% ~ 10%)이 정화효율에 영향을 미치는 가장 중요한 두 가지 인자임을 증명했으며, 바이오차 특성, 운전 조건, 토양환경, 중금속 오염유형에 따라 정화효율에 영향을 미침을 밝히고, 그 예측 모델을 개발하여 웹 기반으로 공개했다.
 

▲ 바이오차의 중금속 오염토양 안정화 효율 예측 결과

해당 연구결과는 미국 과학진흥협회(AAAS) 사이트(www.eurekalert.org)를 포함한 다수의 국내외 뉴스에 소개되었고, 미국화학회 환경과학기술에 최단기만에 가장 주목받는 논문 (Most popular articles)에 선정됐다. 옥용식 교수는 2022년 4월 기준 총 100편 논문이 고인용논문(Highly Cited Paper) 및 주목받는 논문(Hot Paper)으로 선정됐으며, 세계 최고 권위의 학술지 네이처와 ESG의 환경 필라를 주제로 기업의 지속가능성을 논의하는 ‘ESG 네이처 포럼’을 전세계 최초로 유치, 고려대 경영대학 이재혁 교수와 함께 대한상공회의소 및 국제 ESG 협회 공동주관으로 ‘2022 글로벌 ESG 포럼’을 2022년 8월 28일부터 31일까지 대한민국 서울에서 개최할 예정이다.
- 저자 정보: Kumuduni N. Palansooriya 연구교수 (제 1저자, 고려대 환경생태공학부 박사), 옥용식 교수 (교신 저자, 고려대 환경생태공학부)
- 논문명: Prediction of Soil Heavy Metal Immobilization by Biochar Using Machine Learning
- 학술지: Environmental Science & Technology, DOI: https://doi.org/10.1021/acs.est.1c08302