[미국] PFAS 화학 물질, 자외선과 아황산염으로 파괴돼

UC Riverside 류 교수팀 연구…『환경과학기술』에 게재

한때 "영원한 화학 물질"이라고 불렸던 PFAS는 이제 새로운 별명을 얻게 될 것이다.

캘리포니아 주립대 리버사이드 캠퍼스(UC Riverside)의 환경 공학 연구팀이 주도한 새로운 연구에 따르면 자외선(UV) 광선과 아황산염을 사용하는 수처리 반응기에 요오드화물(iodide)을 추가하면 PFAS 내 탄소-불소 원자의 최대 90%가 몇 시간 안에 파괴된다고 밝혔다. 요오드화물을 첨가하면 반응 속도가 최대 4배까지 빨라져 에너지와 화학 물질을 절약할 수 있다.

UC Riverside의 화학 및 환경 공학과 조교수이자 교신 저자인 류진용(Jinyong Liu) 교수는 "요오드화물은 실제로 상당한 일을 하고 있다"며, "그것은 반응 속도를 높일 뿐만 아니라 심지어 매우 완고한 일부 구조에서도 10배 이상의 PFAS 농도를 처리한다"라고 설명했다. 

류 교수의 연구실은 2017년부터 광화학 반응을 통해 PFAS를 파괴하는 방법을 연구해 왔다. 새로운 방법은 이미 업계의 관심을 끌었으며, 기업과 협력하여 파일럿 테스트를 수행하고 있다.

PFAS로 알려진 합성 화학 물질에는 여러 개의 매우 강한 탄소-불소 결합이 포함되어 있다. 1940년대 이후 수많은 제품에 이러한 비생분해성 화합물이 광범위하게 사용되면서 미국 전역의 물 공급이 오염되어 인간과 동물에게 다양한 건강상의 부정적인 영향을 미쳤다. 탄소-불소 결합은 깨지기 매우 어렵기 때문에 PFAS는 대부분의 수처리 시스템을 그대로 통과한다.

UV 광선과 아황산염(SO32-)에 의한 광화학 분해는 현재까지 PFAS를 분해하는 가장 효과적인 방법 중 하나로 알려졌다. 화학적 반응은 천천히 일어나기 때문에 원래 공정은 많은 전기를 사용한다. 또한 분해 생성물에 여러 개의 탄소-불소 결합이 남아 건강에 미치는 영향이 알려지지 않았다.

지난해 연구팀은 UV/아황산염 처리 전후의 산화처리가 다양한 주요 PFAS 오염 물질에서 탄소-불소 결합을 거의 100% 파괴할 수 있다고 보고했다.

이번 새로운 연구에서 연구팀은 UV/아황산염 시스템(UV/sulfite system)에 요오드화물을 추가하여 원래의 UV/아황산염 설정에서 잘 분해되지 않는 퍼플루오로부탄 설포네이트(PFBS)라고 불리는 특히 완고한 4-탄소 PFAS 분자를 처리했다. 요오드화물은 반응을 촉진시켜 24시간 이내에 PFBS를 완전히 제거했다.

예상대로 UV/아황산염+요오드화물 시스템(the UV/sulfite+iodide system)은 자주 보고되는 8-탄소 PFOA 및 PFOS와 같은 다른 PFAS도 쉽게 분해했다. 또한 요오드화물의 추가로 시스템이 그동안 지하수 정화의 과제였던 염수 용액의 농축 PFAS를 파괴할 수 있게 했다. 이온교환시스템은 지하수를 정화하는데 사용되지만 수지에 포집된 PFAS 화학물질은 비용 효율적인 방법으로 세척하고 파괴해야 한다.

본 연구의 제1의 저자이자 UC Riverside 박사과정 중인 류쩌쿤(Zekun Liu)의 "UV/아황산염+요오드화물에 의한 퍼플루오로설포네이트(perfluorosulfonates) 및 퍼플루오로카복실레이트(perfluorocarboxylates)의 가속화된 분해: 반응 메커니즘 및 시스템 효율성"이라는 논문이 『환경과학기술(Environmental Science & Technology)』에 게재됐다.

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PFAS chemicals do not last forever

The use of sulfite and iodide under ultraviolet light can destroy PFAS in water in a few hours

Once dubbed “forever chemicals,” per-and polyfluoroalkyl substances, or PFAS, might be in the market for a new nickname.

That’s because adding iodide to a water treatment reactor that uses ultraviolet (UV) light and sulfite destroys up to 90% of carbon-fluorine atoms in PFAS forever chemicals in just a few hours, reports a new study led by environmental engineering researchers at UC Riverside. The addition of iodide accelerates the speed of the reaction up to four times, saving energy and chemicals.  

“Iodide is really doing some substantial work,” said corresponding author Jinyong Liu, an assistant professor of chemical and environmental engineering. “Not only does it speed up the reaction but it also allows the treatment of a ten times higher concentrations of PFAS, even some very recalcitrant structures.” 

Liu’s lab has been working on ways to destroy PFAS through photochemical reactions since 2017. The new method has already attracted interest from industry and Liu’s group is partnering with companies to conduct pilot tests. 

Synthetic chemicals known as PFAS contain multiple very strong carbon-fluorine bonds. Widespread use of these nonbiodegradable compounds in countless products since the 1940s has contaminated water supplies across America, with various negative health effects on human and animals. Because the carbon-fluorine bond is very hard to break, PFAS pass through most water treatment systems unchanged. 

Photochemical degradation by UV light and sulfite (SO32−) is, to date, one the most effective ways to break PFAS down. The original process used a lot of electricity because the chemical reactions occurred slowly. It also left multiple carbon-fluorine bonds remaining in the degradation products, with unknown health effects. 

Last year, the researchers reported that oxidation treatments before and after the UV/sulfite treatment can achieve almost 100% destruction of carbon-fluorine bonds in various major PFAS pollutants. 

In the new work, the researchers added iodide to the UV/sulfite system to treat a particularly stubborn four-carbon PFAS molecule called perfluorobutane sulfonate (PFBS), which degrades poorly in the original UV/sulfite setting. The iodide accelerated the reaction and completely removed PFBS within 24 hours. 

As expected, the UV/sulfite+iodide system also degraded other PFAS, such as the frequently reported eight-carbon PFOA and PFOS, with ease. The addition of iodide also enabled the system to destroy concentrated PFAS in brine solution, which is a practical challenge for groundwater remediation. Ion-exchange systems are used to clean the groundwater, but the PFAS chemicals captured in the resin need to be washed out and destroyed in a cost-effective way.  

The paper, “Accelerated degradation of perfluorosulfonates and perfluorocarboxylates by UV/sulfite + iodide: reaction mechanisms and system efficiencies,” is published in Environmental Science & Technology and available here. The first author, Zekun Liu, is a doctoral student at UC Riverside. 

[출처 = UC Riverside(https://news.ucr.edu/articles/2022/05/19/pfas-chemicals-do-not-last-forever) / 2022년 5월 19일]