질산염이 삽입된 구리 알리미늄 이중층상수산화물을 이용한 PFAS 제거 및 무기화 과정(CTR 공정) 모식도. 부경대 제공

국립부경대학교 김건한 교수(재료공학전공) 연구팀이 물 환경을 위협하는 유기 오염물질인 과불화화합물(PFAS)을 물속에서 빠르게 흡착·분해하고, 재생해 반복 사용할 수도 있는 기술을 개발했다.

PFAS는 프라이팬 코팅이나 방수 처리, 반도체 공정 등에 널리 쓰이지만, 소수성과 난분해성 특성으로 토양과 수계에 잔류하며 인체에 암이나 간 손상, 생식 독성을 유발해 ‘영원한 화학물질(forever chemicals)’로 불린다.

현재 토양과 수계에 잔류하는 PFAS를 제거하기 위한 활성탄, 이온교환수지 등은 낮은 흡착 용량과 느린 반응속도, 2차 폐기물 발생 등 한계가 있었다.

김건한 교수 연구팀은 질산염이 삽입된 구리-알루미늄 이중수산화물(Cu2Al-NO3 LDH)을 고결정성으로 합성해 이러한 한계를 극복했다. 이렇게 개발한 소재는 Al-Al 결함(basal-plane disorder) 현상으로 뛰어난 음이온 교환 속도를 보였다.

이 소재의 흡착제로 실험한 결과, 대표적인 PFAS 오염물질인 퍼플루오로옥타노익에시드(PFOA)의 최대 흡착 용량은 1702mg/g, 반응속도 상수는 13.2 h-1로, 기존 활성탄 대비 약 10배 이상 빠른 성능을 보였다. 소재 비용도 기존보다 저렴했다.

특히 연구팀은 PFOA로 가득 찬 흡착제를 500℃에서 탄산칼슘(CaCO3)과 함께 열처리하면 흡착된 PFOA의 약 54%가 무독성 불화칼슘(CaF2)으로 전환되며, 이후 ‘메모리 효과’를 통해 구조가 다시 복원돼 반복 사용이 가능하다는 것을 입증했다. 연구팀은 이를 ‘초고속 흡착-열분해-재생(CTR, Capture-Thermal destruction-Regeneration) 공정’으로 명명하고, 지속 가능한 수처리 핵심 기술로 제시했다.

연속 고정상 칼럼 실험에서도 공탑체류시간(EBCT) 7.5분 조건에서 720mg/g의 처리 성능을 달성하고, 실제 정수장과 하수처리장의 유입수·방류수 조건에서도 안정적인 성능을 보여 현장 적용 가능성을 확인했다. 특히 다양한 혼합 조건에서도 PFAS의 사슬 길이에 따라 선택적 흡착이 가능한 것으로 나타나, 단일 종뿐만 아니라 복합 오염원 제거에도 효과적일 것으로 기대된다.

김건한 교수는 “이번 기술은 고비용의 활성탄과 이온교환수지를 대체할 수 있는 저비용·고효율·재생 가능 특성을 갖춘 PFAS 정화 플랫폼으로, 기존에 해결되지 않던 환경문제에 새로운 해법을 제시한 성과”라며, “향후 지속 가능한 물 관리와 인류 건강 보호 및 관련 산업에 크게 기여할 것으로 기대한다”라고 말했다.

이번 연구는 제1저자 및 교신저자인 김건한 교수를 비롯해 라이스대학교 정영균 박사후연구원(공동 제1저자)과 Michael S. Wong 교수 연구팀, 한국과학기술원 강석태 교수 연구팀이 핵심적으로 참여했고, 옥스퍼드대학교, 버클리국립연구소, 네바다대학 등 국제 공동 연구진이 참여했다.

연구 결과를 담은 논문 ‘Regenerable Water Remediation Platform for Ultrafast Capture and Mineralization of Per- and Polyfluoroalkyl Substances’는 재료과학 분야 세계적 권위지 (IF 26.8)’에 9월 25일 온라인 게재됐다.

한편, 이번 연구는 교육부와 한국연구재단의 기본연구사업과 과학기술정보통신부 국가 과학난제도전 융합연구개발사업의 과학난제 도전형 연구사업 및 세종과학펠로우십의 지원을 받았다.

[연구개요] 1. 연구배경 과불화화합물(PFAS, per- and polyfluoroalkyl substances)은 발수성, 발유성, 내열성, 내화학성 등의 특성 덕분에 지난 수십 년간 다양한 산업에서 널리 사용돼 왔다. 반도체와 디스플레이 제조 공정에서는 에칭액, 세정제, 박막 코팅재로 활용되고 있으며, 소방 산업에서는 불소계 소화폼에 대량으로 포함되어 있다. 또한 섬유와 의류 산업에서는 발수·방오 처리제로, 식품 포장재와 표면 코팅·도료 분야에서도 중요한 소재로 자리 잡았다. 그러나 PFAS는 자연환경에서 거의 분해되지 않고 장기간 잔류하는 특성으로 인해 “영원한 화학물질(forever chemicals)”로 불리며, 최근 수계와 토양은 물론 인체 혈액과 장기에서도 검출되는 등 심각한 사회적 문제로 대두되고 있다. 실제로 다수의 독성 연구를 통해 발암성, 간 손상, 면역계 및 생식계 교란과 같은 건강 피해가 확인되었으며, 이에 따라 각국 정부와 국제기구는 규제 강화에 나서고 있다. 현재 산업 현장에서 사용되는 대표적인 PFAS 처리 기술은 활성탄 흡착, 이온교환수지, 고도산화공정 등이지만, 처리 속도가 느리고 포화 용량이 낮아 대량 처리에 한계가 있으며, 재생 과정에서 2차 폐기물이 발생하는 문제가 있다. 또한 고가의 재료와 에너지 소모로 인해 운영비용이 높아 정수 및 하수처리장, 산업용수 관리 현장에서는 실질적인 대안이 되지 못하고 있다. 특히 반도체와 디스플레이 제조 산업에서는 초고순도의 초순수가 필수적이어서 미량의 PFAS도 제품 수율과 품질에 심각한 영향을 줄 수 있으며, 소방 및 군수 분야에서는 불소계 소화폼 사용이 불가피해 대량의 PFAS가 환경으로 방출된다. 이처럼 다양한 산업 현장에서 PFAS 배출을 근본적으로 줄이거나 이미 배출된 물질을 빠르고 안정적으로 제거할 수 있는 기술의 필요성이 절실하다. 따라서 저비용이면서도 고효율적이고 재생 가능한 PFAS 정화 기술 개발은 환경 분야뿐 아니라 반도체, 화학, 소방, 섬유, 에너지 산업 전반에 걸쳐 시급히 해결해야 할 과제로 주목받고 있다. 2. 연구내용 김건한 교수 연구팀은 질산염이 삽입된 구리-알루미늄 이중층상수산화물(Cu2Al-NO3 LDH)을 고결정성으로 합성하여 기존 PFAS 처리 기술의 한계를 극복할 수 있는 새로운 정화 플랫폼을 개발했다. 이 물질은 층간에 존재하는 알루미늄-알루미늄 결함 구조로 인해 음이온 교환 속도가 크게 향상됐으며, 그 결과 대표적인 PFAS 오염물질인 과불화옥탄산(PFOA)에 대해 최대 1702 mg/g의 높은 흡착 용량과 13.2 h-1의 반응 속도 상수를 보여 기존 활성탄 소재보다 10배 이상 빠른 성능을 달성했다. 연구팀은 또한 포화된 흡착제를 500℃에서 탄산칼슘과 함께 열처리해 PFAS가 약 54% 이상 무독성의 불화칼슘(CaF2)으로 전환됨을 확인했고, 동시에 구조가 원래 상태로 되돌아오는 메모리 효과(memory effect)를 이용해 반복 재사용이 가능함을 입증했다. 이 과정을 통해 연구팀은 흡착, 열분해, 재생이 하나의 사이클로 이어지는 초고속 CTR(Capture-Thermal destruction-Regeneration) 공정을 확립했다. 연구의 실효성을 검증하기 위해 수행된 연속 고정상 칼럼 실험에서는 EBCT 7.5분 조건에서 720mg/g에 달하는 처리 성능을 보였으며, 실제 정수장과 하수처리장의 유입수 및 방류수 조건에서도 안정적인 정화 효과를 나타냈다. 또한, 다양한 PFAS 혼합 조건에서도 사슬 길이에 따라 선택적으로 흡착할 수 있어 단일 물질뿐 아니라 복합 오염원을 동시에 처리할 수 있는 가능성을 보여주었다.  3. 기대효과 이번 연구에서 개발된 PFAS 정화 플랫폼은 기존의 활성탄이나 이온교환수지 기반 기술이 가진 낮은 처리 속도, 낮은 포화 용량, 재생 불가능성, 2차 폐기물 발생 문제를 동시에 해결할 수 있는 대안으로 평가된다. 고결정성 LDH 구조체의 독특한 전자 및 결함 특성을 활용해 PFAS를 신속하게 흡착하고, 열처리를 통해 무독성 불화칼슘으로 안전하게 전환할 수 있을 뿐만 아니라, 메모리 효과를 이용해 구조적 복원이 가능하다는 점에서 반복 사용이 가능하다는 큰 장점을 지닌다. 이러한 재생 가능성과 고효율성은 장기적인 운영비용을 획기적으로 줄일 수 있으며, 대규모 정수 및 하수 처리 시설뿐 아니라 반도체, 디스플레이, 섬유, 소방, 화학 산업 등 다양한 분야에서 실질적인 현장 적용이 가능하다. 특히 PFAS가 규제 강화와 함께 국제적으로 가장 큰 환경 이슈로 떠오른 상황에서, 본 연구는 환경 정화 기술의 새로운 패러다임을 제시함과 동시에 지속 가능한 물 관리와 관련 산업에 핵심적으로 기여할 수 있는 원천 기술로 자리매김할 것으로 기대된다.