환경 오염, 특히 유해 화학물질로 인한 지속적인 수질 오염 문제에 대처하기 위해 일본 연구팀이 획기적인 접근법을 개발했습니다. 탄소가 풍부한 물질인 리그닌과 포도당을 활용하여 유해한 ‘영구 화학물질’인 과불화알킬 및 폴리불화알킬 물질(PFAS)을 물에서 제거할 수 있는 혁신적인 소재를 개발한 것입니다.
PFAS는 코팅 조리 기구, 방수 직물, 소방용 거품, 반도체 등 수많은 일상 제품에서 발견되는 합성 화학 물질입니다. 강력한 화학 결합 덕분에 열, 물, 기름에 대한 저항성이 뛰어나 매우 유용하게 사용됩니다. 하지만 이러한 내구성이 바로 PFAS의 단점이기도 합니다. PFAS는 환경에서 쉽게 분해되지 않아 "영원한 화학 물질"이라는 별명을 얻었습니다. 그 결과, 이 물질들은 토양, 물, 심지어 인체에도 축적되어 인간의 건강과 환경에 심각한 위험을 초래합니다.
PFAS는 잔류성이 매우 높아 국제 환경 협약에 따라 많은 국가에서 사용이 금지되었습니다. 그럼에도 불구하고 오염은 여전히 광범위하게 퍼져 있으며, 최근 연구에 따르면 토양, 강, 지하수에서도 PFAS가 검출되고 있습니다. 이는 수질 오염을 방지하기 위한 효과적인 방법 개발의 필요성을 더욱 강조합니다. 하지만 안타깝게도 현재로서는 이 문제를 해결할 수 있는 지속 가능하고 효율적인 기술이 부족한 실정입니다.
이러한 문제에 대응하여 도쿄과학기술원 재료과학과 이소베 토시히로 부교수와 토목환경공학과 후지이 마나부 교수가 이끄는 연구팀은 유망한 해결책을 개발했습니다. 이들의 혁신적인 접근 방식은 탄소 기반 소재를 사용하여 물에서 PFAS를 효율적으로 제거하는 것입니다. 연구팀의 연구는 두 가지 핵심 개발 사항을 포함합니다. 하나는 표면에 PFAS를 포집하는 새로운 흡착제이고, 다른 하나는 오염된 물을 정화하는 막 증류(MD) 시스템입니다.
연구진은 펄프 및 제지 산업의 부산물인 리그닌과 단당류인 포도당을 탄소원으로 사용하여 물에서 PFAS를 효과적으로 제거할 수 있는 지속 가능한 소재를 개발했습니다. 그들이 개발한 MD(막 분리) 방법은 증류와 막 분리를 결합하여 이러한 유해 화학 물질로 오염된 물을 정화하는 새롭고 효율적인 전략을 제공합니다.
이소베 교수는 “이번 연구는 리그닌과 포도당처럼 풍부하고 지속 가능한 탄소원을 활용하여 중요한 환경 문제를 해결한다는 점에서 매우 고무적입니다.”라고 설명했습니다. “막 증류법을 통합함으로써, 우리는 미래의 PFAS 제거 기술에 매우 중요할 수 있는 혁신적인 수질 정화 방식을 발전시키고 있습니다.”
이 연구팀의 획기적인 연구는 최근 제23회 국제 친환경 소재 가공 및 설계 심포지엄에서 발표되었으며, 이러한 신소재가 깨끗한 물과 건강한 환경을 위한 전 세계적인 노력에 기여할 수 있는 잠재력을 보여주었습니다.
이 혁신적인 접근 방식은 물에서 위험한 화학 물질을 제거하는 데 도움이 될 뿐만 아니라 미래에 더욱 지속 가능한 정화 기술을 위한 길을 열어 유엔 지속가능발전목표 6(모두를 위한 깨끗한 물과 위생) 달성을 지원할 수 있습니다.
탄소 기반 소재를 이용한 PFAS 오염수 정화의 혁신적인 방법
연구팀의 혁신적인 PFAS 제거 접근 방식은 물과 PFAS의 핵심적인 차이점, 즉 끓는점이 다르다는 점을 활용합니다. 막 증류(MD) 방식을 사용하여 PFAS로 오염된 물을 정화할 수 있었습니다. 이 공정은 물의 끓는점이 PFAS보다 낮다는 사실을 이용하여 PFAS는 남겨두고 수증기만 통과시키는 원리입니다.
과학자들은 MD 시스템에 소수성 다공성 탄소 기반 분리막을 사용하여 PFAS는 효과적으로 차단하면서 수증기는 통과시켰습니다. 이러한 선택적 여과를 통해 퍼플루오로옥탄설폰산(PFOS)과 같은 유해 화학물질은 시스템 내에 걸러집니다. 실험 결과, PFOS 농도가 크게 감소한 것으로 나타났습니다. 약 500ng/L의 PFOS가 함유된 모의수는 3ng/L 수준으로 떨어져 전 세계 환경 안전 기준치보다 훨씬 낮은 농도를 보였습니다.
연구팀은 MD 방법과 더불어 리그닌 유래 흡착제를 이용한 PFAS 오염 제거 방안도 연구했습니다. 일련의 실험을 통해 염화아연을 1:3 비율로 처리한 소량의 활성탄이 단 10분 만에 PFAS를 최대 99%까지 효과적으로 제거할 수 있음을 발견했습니다. 이 결과는 해당 흡착제가 PFAS 제거에 매우 효율적인 도구로 활용될 수 있으며, 지속 가능하고 신속한 해결책을 제시할 수 있음을 시사합니다.
전반적으로, 연구팀의 연구는 PFAS 오염이라는 환경 문제를 해결하는 데 있어 탄소 기반 소재의 잠재력을 보여줍니다. 이들의 연구는 지속적인 환경 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있는 미래 정화 기술 개발을 위한 유망한 토대를 제공합니다.
이소베 교수는 MD 정화 방법을 개선할 계획을 세우며 미래를 내다보고 있다. 그는 "현재 PFAS 제거 과정에서 수증기 흐름을 원활하게 하기 위해 히터와 진공 펌프를 사용하고 있다"며, "하지만 태양열 가열 방식으로 전환하여 전력을 사용하지 않는 시스템을 구축함으로써 더욱 지속 가능하고 효율적인 방법을 만들고자 한다"고 밝혔다.
이번 고무적인 발전은 지속 가능한 수질 정화 솔루션을 구축하는 데 있어 중요한 진전을 의미하며, 유해 화학 오염과의 싸움에서 더 깨끗하고 안전한 물을 얻을 수 있다는 희망을 제시합니다.
