미국 라이스대학교가 이끄는 국제과학연구팀이 최근 수역에서 '영원한 화학물질'로 알려진 과불화알킬물질(PFAS)을 신속하게 포집하고 분해할 수 있는 새로운 환경친화적 공정을 개발했다고 발표했다. 이 성과는 완고한 환경 오염을 퇴치하는 중요한 단계로 간주됩니다.

PFAS는 1940년대부터 테프론 논스틱 코팅, 방수 의류, 식품 포장 등 일상 제품에 널리 사용되어 온 인공 화학물질입니다. 내열성, 내유성, 방수성이 뛰어나 널리 사용됩니다. 그러나 분해하기가 매우 어렵기 때문에 "영원한 화학물질"이라고도 불립니다. 현재 PFAS는 전 세계적으로 물, 토양, 공기에서 널리 검출되고 있습니다. 관련 연구에 따르면 이러한 물질에 대한 노출은 간 손상, 생식 문제, 면역 체계 장애 및 특정 암의 위험 증가와 관련되어 환경 분야에서 이러한 물질의 관리가 중요한 문제가 되는 것으로 나타났습니다.

오랫동안 주류 PFAS 제거 기술은 주로 흡착에 의존해 왔습니다. 활성탄이나 이온 교환 수지와 같은 재료를 사용하여 PFAS를 부착시킨 다음 흡착제를 중앙 집중화하여 처리했습니다. 그러나 이러한 방법은 효율성이 낮고, 처리 속도가 느리며, 용량이 제한되고, 후속 폐기 시 2차 폐기물이 발생하는 문제가 종종 발생합니다. 라이스 대학의 조지 R. 브라운 공학 및 컴퓨팅 학교 교수인 Michael S. Wang은 기존 방법이 장기 및 대규모 교정 요구 사항을 지원하기에는 "너무 느리고 비효율적이며 추가 낭비를 발생시킨다"고 지적했습니다.

이 연구의 획기적인 발전은 구리-알루미늄 층의 이중 수산화물(LDH) 소재에서 비롯되었습니다. 이 시스템은 2021년 한국과학기술원(KAIST) 대학원생 진젠한(Jin Jianhan)에 의해 처음 발견되었습니다. 추가 실험에서 라이스대학교 박사후 연구원 종용근(Yongkun Zhong)은 한 유형의 질산염 함유 제제가 PFAS에 대해 비정상적으로 강한 흡착 특성을 나타냄을 발견했습니다. 그에 따르면, 이 LDH는 다른 물질보다 1,000배 이상 높은 PFAS 포집 능력을 갖고 있으며, 매우 빠른 속도로 작용해 대량의 PFAS를 몇 분 안에 제거할 수 있는데, 이는 시중에서 판매되는 활성탄 여과재보다 약 100배 빠른 속도이다.

연구팀은 이 물질의 고효율의 핵심은 내부의 고도로 정렬된 구리-알루미늄 층 구조와 약간의 전하 불균형에 있으며, 이는 PFAS 분자의 "빠르고 강한" 결합을 위한 이상적인 미세 환경을 제공한다는 점을 지적했습니다. 후속 테스트에서 연구진은 강물, 수돗물, 폐수 등 실제 물 샘플에서 성능을 검증했습니다. 정적 처리 시스템이든 연속 흐름 시스템이든 이 LDH는 안정적이고 우수한 제거 효과를 보여 도시 상수도 및 산업 폐수 처리에 공학적 응용 가능성을 보여주었습니다.

팀은 또한 PFAS 거버넌스의 또 다른 주요 문제인 오염 물질의 완전한 파괴에 대한 새로운 아이디어를 제시했습니다. Zhong Yongkun은 Rice University의 Pedro Alvarez 및 James Tull과 협력하여 열 분해 공정을 개발했습니다. 흡착 포화 LDH를 탄산칼슘으로 가열하면 독성 부산물을 방출하지 않고 포획된 PFAS의 절반 이상을 분해하고 "광물화"할 수 있습니다. 게다가 이 공정에서는 활성 물질을 재생하여 재사용할 수도 있습니다.

예비 연구에 따르면 이 물질은 최소 6번의 완전한 "포집-파괴-재생" 주기를 완료할 수 있으며, 연구팀은 PFAS 제거와 지속 가능한 재활용을 통합한 최초의 환경 친화적인 시스템으로 간주합니다. 프로젝트 리더인 왕(Wang)은 이 독특한 LDH 기술이 가까운 미래에 PFAS로 오염된 물을 처리하는 방식을 바꿀 것으로 예상되며, 그 결과의 달성은 초국적 협력과 젊은 연구자들의 창의성과 불가분의 관계에 있다고 말했다.

관련 논문은 "A Renewable Water Treatment Platform for Ultrarapid Capture and Mineralization of Per- and Polyfluroaldehyde Substances"라는 제목으로 Advanced Materials 저널에 2025년 9월 25일 게재되었습니다. 이번 연구는 한국연구재단, 사우디 아람코-KAIST 이산화탄소 관리 프로그램, 미 육군 공병대 공학연구개발센터, 라이스대학교 지속가능성 연구소, WaTER 연구소의 지원을 받아 진행되었습니다.

/ScitechDaily에서 편집됨