[해외연구보고서] 뉴욕대 버팔로캠퍼스, “PFAS 필터 재사용 가능한 플리즈마 처리법 개발중”

PFAS로 오염된 입상 활성탄 필터서 오염물질 제거…재사용 가능

필터에 포집된 PFAS 분자 증기로 변환…특수 마이크로파 플라즈마 이용해 분해

미 국방부 전략 환경 연구 및 개발 프로그램으로부터 25만 달러 지원 받아 연구 수행

입상 활성탄(GAC) 필터는 '영원한 화학물질'과 같은 수질오염물질을 포집할 수 있다. 뉴욕주립대학교 버팔로캠퍼스(University at Bufflo)의 연구진은 GAC 필터에서 '영원히 화학 물질'을 제거해 재사용할 수 있는 플라즈마 처리법을 개발하고 있다. [사진제공(Photo Source) = University at Bufflo]

입상 활성탄(GAC)은 정수처리시설이나 가정용 내장고의 물 필터에 사용되며, 강력한 흡착력을 가진 유기물질로서, 수질오염물질을 쉽게 포착할 수 있다. 특히, ‘영원한 화학물질’로 알려진 과불화화합물(PFAS)까지 포집할 수 있다.

뉴욕주립대학교 버팔로캠퍼스(University at Bufflo) 화학과 부교수이자 RENEW 연구소 소속 교수인 스티븐 레이(Steven Ray) 박사는 “문제는 PFAS로 뒤덮인 GAC를 어떻게 처리해야 하는 가"라며 "단순히 매립지에 버린다면 PFAS가 다시 침출돼 물을 오염시킬 것”이라고 말했다.

레이 교수는 미국 국방부의 전략 환경 연구 및 개발 프로그램(SERPD)으로부터 25만 달러의 연구 지원금을 받아 GAC에서 PFAS를 열적으로 제거하는 연구를 진행하고 있다.

이 연구에는 PFAS를 파과하고 이를 무해한 불소염으로 변환하는 획기적인 상용 플라즈마 시스템이 사용될 예정이다.

이를 통해 GAC를 재사용할 수 있게 돼 국방부뿐만 아니라 전국의 여러 지자체에도 큰 혜택을 줄 수 있다. 특히, 대규모 GAC 필터 시스템을 설치했거나 설치할 계획 중인 지역사회에서 더욱 유용할 것 이다.

뉴욕주립대학교 버팔로캠퍼스의 스티븐 레이(Steven Ray) 교수(가운데), 알렉산더 회프커(Alexander Hoepker) 선임 연구원(오른쪽), 조슈아 윌리스(Joshua Wallac) 선임 연구원(왼쪽)은 필터에서 PFAS를 제거하고 이를 파괴하기 위한 플라즈마 처리 시스템을 개발하고 있다. [사진제공(Photo Source) = Douglas Levere/University at Buffalo]

알렉산더 회프커(Alexander Hoepker) RENEW 연구소의 선임 연구원은 "대규모의 값비싼 GAC 필터를 재활용하려는 요구가 크며, 이 방법이 그 해결책이 되길 바란다”고 밝혔다. 회프커 선임 연구원은 같은 연구소의 조슈아 윌리스(Joshua Wallac) 선임 연구원과 함께 이번 연구 지원금의 공동 연구자로 참여하고 있다.

연구팀이 개발 중인 공정은 포집된 PFAS 분자를 증기로 변환해 필터에서 제거한 후, 특수 마이크로파 플라즈마를 이용해 이를 분해하는 방식으로 이뤄진다.

마이크로파 플라즈마는 일반적으로 전자레인지에 사용되며, 공급되는 고에너지 마이크로파를 사용해 주변 공기 중에서 형성된다. 이 플라즈마는 섭씨 5천~7천도의 온도에 도달할 수 있으며, 이는 태양 표면 온도와 비슷한 수준이며, 99.9%의 파괴 효율을 보인다.

레이 교수는 "플라즈마의 온도와 에너지가 매우 높으므로 깨뜨리기 어렵기로 악명 높은 PFAS의 탄소-불소 결합조차 파괴된다”며 “PFAS가 원자 수준으로 분해된다”고 설명했다.

미 국방부는 PFAS의 소각을 금지했으며, 이는 부분적으로 소각이 천연가스를 필요로 하고 유해한 부산물을 생성하기 때문이다.

레이 교수는 "천연가스는 이미 탄소 공급원이며, 탄소는 방출된 불소가 탄소와 함께 재형성되는 것을 원치 않는 물질”이라며 "화염에서 생성되는 부산물은 매우 복잡한 반면, 플라즈마에서 생성되는 부산물은 매우 단순할 수 있다”고 말했다.

이러한 단순한 부산물 중 일부는 광물이다. 플라즈마 시스템은 PFAS를 파괴한 후 광물화를 통해 불소를 포집해 재사용할 수 있도록 한다.

회프커 선임 연구원은 ”방출된 불소는 칼슘과 결합해 암석에서 발견되는 방해석(칼사이트)을 형성할 가능성이 있다”며 “즉, 우리는 PFAS를 재활용 가능한 천연 광물로 변환하고 있다”고 말했다.

연구진은 결국 PFAS로 오염된 토양을 직접 처리할 수 있도록 플라즈마 시스템을 발전시키는 것을 목표로 하고 있다.

회프커 선임 연구원은 ”많은 연구가 물 속 PFAS 분해에 집중돼 있다. 이는 매우 중요하고 방대한 작업이지만, 고체에서 PFAS를 분해하려는 연구팀은 극소수에 불과하다. 우리 프로젝트는 기존 PFAS 연구에서 완전히 벗어나 새로운 접근 방식”이라며 “고체에서 PFAS를 분해하는 기술에는 상당한 격차가 있었고, 우리는 이를 해결하는 데 주력하고 있다”고 말했다.

[원문보기]

What to do with dirty PFAS filters? UB researchers think plasma treatment can make them reusable

DoD grant will support project, which aims to remove ‘forever chemicals’ from granular activated carbon and destroy them

It’s known as granular activated carbon, or GAC. Whether deployed in a water treatment plant or the pitcher in your fridge, this highly adsorbent organic material can easily capture water pollutants.

It can even capture per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS), better known as “forever chemicals.”

“The question becomes what to do with that GAC now that it's covered in forever chemicals,” says Steven Ray, PhD, associate professor of chemistry at the University at Buffalo and an affiliated faculty member of the UB RENEW Institute. “Because if you simply throw it in a landfill, the PFAS are just going to leach and contaminate water again.”

Ray has received a $250,000 Strategic Environmental Research and Development Program (SERPD) grant from the U.S. Department of Defense to thermally remove PFAS from GAC.

This will involve a novel, commercially available plasma system that will destroy PFAS and transform them into harmless fluorine salts.

This would allow GAC to be reused, benefiting not only the DoD but also the many municipalities throughout the country that have installed or are planning to install large-scale GAC filtration systems.

“There’s obviously a desire to recycle these massive and costly filters, and this method can hopefully do that,” says RENEW senior research scientist Alexander Hoepker, PhD, who is a co-investigator on the grant along with fellow RENEW senior research scientist Joshua Wallace, PhD.

The process they’re developing involves converting captured PFAS molecules into vapor in order to free them from the GAC, and then destroying the vapor with a specialized microwave plasma. 

Microwave plasma is formed in the ambient air using high-energy microwaves supplied by components typically used in microwave ovens. The plasmas can reach temperatures between 5,000 and 7,000 degrees Celsius, about the temperature of the surface of the sun, and have destructive efficacies of 99.9%.

“The temperatures and the energetics of plasmas are so high that even the carbon-fluorine bonds of PFAS, which are notoriously difficult to break, are destroyed,” said Ray, the grant’s principal investigator. “They're atomized.” 

The DoD has banned the incineration of PFAS, in part because it relies on natural gas and creates harmful byproducts.

“Natural gas is already a source of carbon, and carbon is exactly what you don't want the released fluorine to reform with,” Ray adds. “The byproducts from a flame are very complex, whereas the byproducts from a plasma can be very, very simple.” 

Some of those simple byproducts are minerals. The plasma system will destroy the PFAS and then capture the fluorine by mineralization, allowing it to be reused.  

“The released fluorine could potentially combine with calcium, creating the calcite you find in rocks,” Hoepker says. “We’re essentially converting PFAS into natural minerals that can be repurposed.”

The team hopes their plasma system could eventually work directly on soils contaminated with PFAS. 

“Lots of research has focused on degradation of PFAS in water, an important and massive undertaking, but just a small number of groups are trying to degrade PFAS in solids. Our project is really a complete departure from typical PFAS research,” Hoepker says. “There’s been a big technological gap in degrading PFAS in solids, and so we aim to fill it.”

[출처 = 뉴욕주립대학교 버팔로캠퍼스(University at Buffalo)(https://www.buffalo.edu/news/releases/2025/06/plasma-treatment-may-make-pfas-filters-reusable.html) / 2025년 6월 2일]