[일본] 동경과학대, 물 속 PFAS 제거 위한 막 증류 시스템 및 흡착제 개발

리그닌 및 포도당을 탄소원으로 활용해 PFAS 제거하는 흡착제 개발

물과 PFAS 간 끓는 점 차이 활용하는 막증류 방법 개발해 PFAS로 오염된 물 정화

PFOS 농도, 500ng/L에서 전 세계 환경 기준 이하인 3ng/L로 감소시켜

일본 동경과학대학교(Institute of Science Tokyo) 연구팀은 PFAS를 제거하기 위한 새로운 막 증류(MD) 시스템과 흡착제(표면에 화학물질을 가두는 물질)를 개발했다고 밝혔다. [그림제공(Picture Source) = Institute of Science Tokyo]

일본 동경과학대학교(Institute of Science Tokyo) 연구팀은 PFAS를 제거하기 위한 새로운 막 증류(MD) 시스템과 흡착제(표면에 화학물질을 가두는 물질)를 개발했다고 밝혔다. 연구팀은 탄소 기반 물질을 활용해 물에서 PFAS를 성공적으로 제거했다. 이러한 혁신적인 접근 방식은 향후 지속 가능한 정화 기술에 기여할 것으로 기대된다.

PFAS는 다양한 합성 화학물질 그룹으로 반도체, 소화 폼 및 노스틱 조리기구 등 수많은 제품에 사용된다. PFAS는 강력한 원자 간 화학 결합으로 인해 열, 오일, 그리스 및 물에 대한 뛰어난 내성을 보인다. 이러한 특성으로 인해 '영원한 화학 물질'로 불리며, 환경에 내에서 지속적으로 잔류하게 된다.

PFAS는 인간의 건강과 환경에 해로운 영향을 미치기 때문에 국제 협약에 의해 사용이 금지돼 있다. 최근 과학 보고서에 따르면, 토양과 강이 PFAS에 오염돼 있지만, PFAS를 제거할 수 있는 효과적이고 지속 가능한 기술은 부족하다.

유엔의 지속 가능한 개발 목표 중 하나인 '깨끗한 물과 위생'을 추구하기 위해 일본 동경과학대(Science Tokyo)의 이소베 도시히(Toshihiro Isobe) 부교수 연구팀은 물에서 PFAS를 제거하기 위해 탄소 기반 소재에 주목했다.

연구팀은 표면에 화학물질을 가두는 새로운 흡착 물질을 합성하고 PFAS로 오염된 물을 정화하는 막 증류 방법을 개발했다. 이 연구 결과는 2025년 1월 13일부터 16일까지 개최된 '제23회 국제 친화경 소재 가공 및 디자인 심포지엄'에서 초청 강의로 발표됐다.

이소베 교수는 연구의 참신성에 대해 설명하면서, "펄프 및 제지 산업에서 생산되는 부산물인 리그닌(Lignin)과 일반 당 분자인 포도당을 탄소원으로 활용함으로써, PFAS 제거 기술의 개발을 위해 지속 가능한 재료를 활용하고 있다. 또한 증류와 막 분리를 결합한 이번 연구에 사용된 막 증류 방법은 물에서 PFAS를 제거하는 혁신적인 전략을 제공한다"고 말했다.

연구팀은 막증류 방법을 사용해 물과 PFAS 간의 끓는 점 차이를 활용해 PFAS로 오염된 물을 정화했다. 또한 소수성(물에 대한 친화성이 없음) 다공성 탄소 기반 분리막은 PFAS를 효과적으로 차단해 물만 통과시켰다. 심층 실험 분석에 따르면, 막 증류 처리 후 오염수에 포함된 퍼플루오로옥탄설폰산(PFOS) 농도가 약 500ng/L에서 약 3ng/L로 감소했으며, 이는 전 세계 환경 기준 이하 수준이다.

이소베 교수는 막 증류 정화 방법을 개선하기 위한 향후 계획을 설명하면서 "현재 시뮬레이션된 PFAS 오염수의 증발은 히터를 사용해 이뤄지며, 수증기의 흐름을 향상시키기 위해 진공 펌프에 의존하고 있다. 그러나 앞으로는 히터에 의존하지 않는 전기 사용이 없는 시스템을 개발하기 위해 태양열 가열 방법으로 전환하는 것을 목표로 하고 있다"고 말했다.

연구팀은 PFAS로 오염된 물을 정화하는 새로은 막 증류 방법을 개발하는 것 외에도 리그닌 유래 흡착제를 사용한 일련의 실험을 수행했다. 연구팀은 최소량의 활성탄(염화아연을 1대 3 비율로 처리)이 10분 이내에 PFAS를 최대 99%까지 제거할 수 있다는 사실을 발견했다.

전반적으로, 이 연구는 지속적인 환경 문제를 해결하기 위해 미래의 정화 기술 개발을 촉진할 수 있는 새롭고 지속 가능한 탄소 기반 소재를 제시한다.

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Novel Carbon-Based Materials to Remove Hazardous “Forever Chemicals” in Water

Utilizing lignin and glucose as carbon sources to develop novel materials can remove harmful chemicals in water

New research has emerged on the development of a novel membrane distillation system and an adsorbent (a substance that can trap chemicals on its surface) for the removal of hazardous perfluoroalkyl and polyfluoroalkyl substances (PFAS). Scientists from Institute of Science Tokyo, Japan, utilized carbon-based materials to successfully remove PFAS from water. This innovative approach could contribute to sustainable purification technologies in the future.

Perfluoroalkyl and polyfluoroalkyl substances (PFAS), a diverse group of synthetic chemicals, are commonly used in numerous products such as semiconductors, fire-extinguishing foams, heat-resistant, and non-stick cookware.

PFAS possess remarkable resistance to heat, oil, grease, and water that can be attributed to the strong chemical bonds between the atoms. However, the major drawback of the exceptional resistance is that PFAS are highly persistent in the environment, earning the nickname “forever chemicals.”

The use of PFAS has been prohibited by international conventions due to their harmful effects on human health and environment. While recent scientific reports indicate that soils and rivers are contaminated with PFAS, there is a lack of effective and sustainable technologies to remove PFAS.

In pursuit of United Nations sustainable development goal 6–clean water and sanitation for all, a team of researchers from Institute of Science Tokyo (Science Tokyo), Japan, led by Associate Professor Toshihiro Isobe from the Department of Materials Science, have turned their attention to carbon-based materials to remove PFAS from water.

The research team, led by Associate Professor Manabu Fujii from the Department of Civil and Environmental Engineering at Science Tokyo, synthesized a novel adsorbent-substance that can trap chemicals on its surface and developed a membrane distillation (MD) method to purify water contaminated with PFAS. Their research findings were presented as an invited lecture at the 23rd International Symposium on Eco-Materials Processing and Design, held from January 13 to 16, 2025.

Sharing insights on the novelty of the research, Isobe commented, “By utilizing lignin—a byproduct produced in the pulp and paper industry—and glucose-a common sugar molecule, as carbon sources, our research group has employed sustainable materials for the development of PFAS-removal technologies. Moreover, the MD method used in our study, combining both distillation and membrane separation, offers an innovative strategy to remove PFAS from water.”

The researchers leveraged the difference in the boiling points between water and PFAS to purify water contaminated with PFAS using the MD method. Additionally, the hydrophobic (lacking affinity for water), porous carbon-based separation membrane effectively rejected PFAS, allowing only water vapor to pass through it.

In-depth experimental analysis showed that simulated contaminated water, containing perfluorooctanesulfonic acid (PFOS) at a concentration of around 500 ng/L after MD treatment, had a PFOS concentration of around 3 ng/L, which was below the global environmental standards.

Isobe concludes by outlining future plans to improve the MD purification method, “At present, the evaporation of simulated PFAS-contaminated water is achieved using heaters and depends on vacuum pumps to enhance the flow of water vapor. However, in the future, we aim to switch to a solar heating method to develop an electricity-free system that does not rely on heaters.”

In addition to developing the novel MD method to purify PFAS-contaminated water, the research team conducted a series of experiments involving lignin-derived adsorbents. They found that minimal amounts of activated carbon (treated with zinc chloride at a 1:3 ratio) could remove up to 99% of PFAS within 10 minutes.

Overall, this study presents novel and sustainable carbon-based materials that could drive the development of future purification technologies to solve critical and persistent environmental issues.

[출처 = 동경과학대학교(Institute of Science Tokyo)(https://www.isct.ac.jp/en/news/hv2c6qlezk4b) / 2025년 2월 19일]