국립부경대학교가 '영원한 화학물질'로 불리는 과불화화합물(PFAS)을 물속에서 빠르게 제거하고, 반복 사용할 수 있는 새로운 수처리 기술을 선보였다.

김건한 국립부경대 재료공학전공 교수 연구팀은 질산염이 삽입된 구리-알루미늄 이중수산화물(Cu2Al-NO3 LDH)을 고결정성으로 합성해 PFAS 제거의 핵심 한계를 해결했다고 13일 밝혔다.

PFAS는 프라이팬 코팅, 방수 처리, 반도체 공정 등에 광범위하게 사용되지만 소수성과 난분해성 때문에 환경에 장기간 잔류하며 암, 간 손상, 생식 독성 등을 유발하는 유해물질이다. 기존 활성탄이나 이온교환수지는 낮은 흡착 용량과 느린 반응 속도, 2차 폐기물 발생 등의 문제점을 안고 있었다.

연구팀이 개발한 소재는 Al-Al 결함(basal-plane disorder) 현상으로 뛰어난 음이온 교환 속도를 나타냈다.

대표적 PFAS 오염물질인 퍼플루오로옥타노익에시드(PFOA)에 대한 실험에서 최대 흡착 용량 1702mg/g, 반응속도 상수 13.2 h-1를 기록하며 기존 활성탄보다 약 10배 이상 빠른 성능을 보였다. 제조 비용도 기존 대비 저렴한 것으로 확인됐다.

연구팀은 PFOA가 포화된 흡착제를 500℃에서 탄산칼슘(CaCO3)과 열처리하면 흡착된 PFOA의 약 54%가 무독성 불화칼슘(CaF2)으로 전환되고, 메모리 효과를 통해 소재 구조가 복원돼 재사용이 가능함을 증명했다. 이를 초고속 흡착-열분해-재생(CTR, Capture-Thermal destruction-Regeneration) 공정으로 명명했다.

연속 고정상 칼럼 실험에서는 공탑 체류시간(EBCT) 7.5분 조건에서 720mg/g의 처리 성능을 달성했으며 실제 정수장과 하수처리장의 유입수·방류수에서도 안정적 성능을 확인해 현장 적용 가능성을 입증했다. PFAS의 사슬 길이에 따른 선택적 흡착도 가능해 복합 오염원 제거에도 효과적일 것으로 전망된다.

김건한 교수는 "이번 기술은 저비용·고효율·재생 가능 특성을 갖춘 PFAS 정화 플랫폼으로, 기존에 해결되지 않던 환경 문제에 새로운 해법을 제시한 성과"라며 "지속 가능한 물 관리와 인류 건강 보호 및 관련 산업에 크게 기여할 것"이라고 말했다.

이번 연구에는 김건한 교수를 비롯해 정영균 라이스대학교 박사 후 연구원, Michael S. Wong 교수 연구팀, 강석태 한국과학기술원 교수 연구팀이 핵심적으로 참여했으며 옥스퍼드대학교, 버클리국립연구소, 네바다대학교 등 국제 공동 연구진도 함께했다.

연구 결과를 담은 논문 'Regenerable Water Remediation Platform for Ultrafast Capture and Mineralization of Per-and Polyfluoroalkyl Substances'는 재료 과학 분야 권위지 'Advanced Materials'(IF 26.8)에 9월 25일 온라인 게재됐다.

이번 연구는 교육부와 한국연구재단의 기본연구사업, 과학기술정보통신부 국가과학난제도전 융합연구 개발사업의 과학난제 도전형 연구사업 및 세종과학펠로우십의 지원을 받아 수행됐다.