▲ (좌)어드밴스드 머티리어스 표지그림 (우) 이번 연구에서 개발되 Cu-Al LDH의 특징은 기존의 LDH가 Cl-, HCO3-,OH-와 같은 층간음이온으로 구성된 반면, Cu-Al의 비율을 조절할 수 있도록 요소 (urea)의 가수분해법을 적용함으로써, 낮은 pH 에서도 높은 결정성을 가진 NO3-를 층간음이온으로 갖는 고순도 LDH를 합성하였기 때문이다. 이로인해 LDH 이중층에 존재하는 질산염의 결합력이 PFAS에 존재하는 카르복실기 (COO-)와 치환되는 과정에서 층간 전기적 인력이 약해 중성 pH 에서도 빠른 음이온 교환이 가능했기 때문이다. 소재는PFAS의 한 종류인 과불화옥탄산(PFOA)를 수 분 만에 제거해, 활성탄보다100배, 이온교환수지보다10배가량 빠른 속도를 보였다. 마지막으로, 실제 적용 가능성과 선택성을 검증하기 위해 하수처리장(WWTP) 3차처리 방류수, 정수장(DWTP) 유입수 및 방류수, 순수 등 다양한 수질조건에서 PFOA가 첨가된 용액을 대상으로, 고정층 흡착 컬럼(fixed-bed adsorption column) 실험을 수행하여, 하수처리수와 같이 물속에 다양한 유기물이 존재하는 경우에서도 최소 70% 이상의 성능을 발휘할 수 있는 것으로 나타났다.(그림 및 설명=KAIST)  © 특허뉴스

프라이팬, 방수의류, 반도체 공정에 쓰이는 ‘영원한 화학물질(PFAS)’, 한 번 배출되면 자연에서 거의 분해되지 않아 전 세계적인 환경·보건 문제로 꼽히는 이 오염 물질을 기존보다 1,000배 빠르게 제거하는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

KAIST 강석태 교수팀(건설및환경공학과)은 부경대학교 김건한 교수, 미국 라이스대학교, 옥스퍼드대학교, 버클리국립연구소, 네바다대학교 등과의 국제 공동연구를 통해, 초고속 흡착형 PFAS 제거 신소재를 개발했다고 밝혔다. 이 기술은 기존 활성탄보다 최대 1,000배 빠른 흡착 속도를 보이면서도 재사용이 가능한 친환경 정화 기술로 평가된다.

PFAS(과불화합물, Per- and Polyfluoroalkyl Substances)는 탄소(C)와 플루오르(F)의 강한 결합으로 이루어진 합성 화학물질로, 내열성과 내화학성이 뛰어나 산업 전반에 널리 사용돼 왔다. 그러나 사용과 폐기 과정에서 쉽게 환경으로 유출되어 토양·수질·대기 오염을 유발하며, 인체에 축적되면 면역력 저하·발달 장애·신장암 등 심각한 질환을 일으킨다.

2020년 기준으로 미국 수돗물의 45%, 유럽 하천의 50% 이상에서 PFAS 농도가 환경기준을 초과한 것으로 보고되었고, 이에 따라 EU는 단계적 사용 금지, 미국은 제조·수입업체의 보고 의무화 및 PFOA·PFOS 음용수 기준을 4 ppt(4조분의 1g/L)로 강화하는 등 규제를 강화하고 있다.

PFAS 정화는 일반적으로 흡착 → 분해의 두 단계로 이뤄진다. 하지만 기존의 활성탄이나 이온교환수지는 흡착 속도와 용량이 낮아 처리 효율이 한계에 부딪혀 있었다.

연구팀이 개발한 신소재는 구리(Cu)와 알루미늄(Al)이 결합된 점토 구조의 이중층 수산화물(Layered Double Hydroxide, LDH) 형태로, PFAS 분자를 빠르게 붙잡아 제거할 수 있다. 이 물질은 PFAS의 탄소-플루오르 결합에 선택적으로 결합해, 극미량의 오염 물질도 신속하게 제거할 수 있으며, 열·화학 처리를 통해 반복 재사용이 가능해 경제성과 지속가능성을 모두 확보했다.

이번 연구는 환경 오염의 주범으로 꼽히는 PFAS를 빠르고 효율적으로 제거할 수 있는 정수 기술의 패러다임 전환을 보여줬다. 또한 친환경적이면서도 산업적 확장성이 높은 차세대 수처리 솔루션으로 발전할 수 있을 것으로 기대된다. 

이 연구는 부경대 김건한 교수(제1저자 및 교신저자), 라이스대 정영균 박사후연구원(공동 제1저자), KAIST 강석태 교수(교신저자)가 공동 주도했으며, 결과는 국제 학술지 'Advanced Materials'(IF 26.8) 9월 25일자 온라인판에 커버 논문(cover article)으로 게재됐다.

논문명은 Regenerable Water Remediation Platform for Ultrafast Capture and Mineralization of Per- and Polyfluoroalkyl Substances이다.