[신기술] 국립부경대 김건한 교수 연구팀, 재생 가능한 PFAS 흡착 및 분해 기술 개발

구리-알루미늄 이중수산화물 기반 신소재 개발로 기존 활성탄 대비 10배 빠른 성능 입증

‘초고속 흡착-열분해-재생’ 공정으로 무독성 전환 및 재사용 가능…정수장 적용성 확인

최근 전 세계적으로 과불화화합물(PFAS)에대한 우려가 급격히 고조되고 있다. PFAS는 프라이팬 코팅, 방수 처리 섬유, 소방용폼, 식품 포장재, 반도체 공정 등 다양한 산업과 생활용품에 널리 사용돼 왔다. 

 

그러나 이 물질은 소수성과 난분해성이라는 특성으로 인해 환경에서 쉽게 분해되지 않고, 토양과 수계에 수십 년 이상 잔류한다.

이러한 특성으로 PFAS는 흔히 ‘영원한 화학물질(Forever Chemicals)’로 불리며, 인체에 축적될 경우 암, 간 손상, 생식 독성, 면역 체계 교란 등 심각한 건강 문제를 유발할 수 있다고 여러 연구를 통해 보고되고 있다.

이러한 위험성으로 인해 각국은 PFAS 규제를 강화하고 있다. 유럽연합(EU)은 2025년부터 PFAS 전반에 대한 사용 금지를 검토하고 있으며, 이미 대표적 물질인 과불화옥탄산(PFOA)과 과불화옥탄술폰산(PFOS)은 스톡홀름 협약에 따라 사용이 금지됐다.

또한 미국 환경보호청(EPA)은 2024년에 음용수 내 PFAS 기준을 설정했다. 이에 따르면, PFOA와 PFOS는 4ppt, 퍼플루오로헥산설폰산(PFHxS) 등은 10ppt로 규제되며, 공공 상수도는 2029년까지 이 기준을 충족해야 한다. 현재 토양과 수계에 잔류하는 PFAS를 제거하기 위해 입상 활성탄(GAC), 이온교환수지(IEX) 등의 기술이 활용되고 있다.

그러나 이들 기술은 흡착 용량이 낮고 반응 속도가 느리며, 사용 후 2차 폐기물이 발생한다는 한계가 있다. 이에 따라 기존 기술의 한계를 극복할 수 있는 혁신적인 처리 기술의 개발이 시급한 상황이다.

국립부경대학교(총장 배상훈) 융합소재공학부 재료공학전공 김건한 교수 연구팀은 물속 PFAS를 빠르게 흡착·분해하고, 재생해 반복 사용할 수 있는 신기술을 개발해 주목받고 있다. 

연구팀은 질산염(NO3-)이 삽입된 구리-알루미늄 이중수산화물(Cu2Al-NO3 LDH)을 고결정성으로 합성해 기존 기술의 한계를 극복했다. 이 물질은 Al-Al 결함(Basal-plane Disorder) 구조적 특성으로 뛰어난 음이온 교환 속도를 구현한다.

실험 결과, 대표적 PFAS 오염물질인 PFOA의 최대 흡착 용량은 1천702㎎/g, 반응 속도 상수는 13.2 h-1로 측정돼 기존 활성탄보다 10배 이상 빠른 성능을 보였다. 또한 소재 비용 역시 기존 대비 저렴한 것으로 확인됐다.

연구팀은 PFOA로 가득 찬 흡착제를 탄산칼슘(CaCO3)과 함께 500℃에서 열처리했을 때 흡착된 PFOA의 약 54%가 무독성 불화칼슘(CaF2)으로 전환되고, 이후 ‘메모리 효과’를 통해 구조가 복원돼 재사용이 가능함을 입증했다. 연구팀은 이를 ‘초고속 흡착-열분해-재생(Capture-Thermal destruction-Regeneration, CTR) 공정’이라 명명하고, 지속 가능한 수처리 핵심 기술로 제시했다.

또한 연속 고정상 칼럼 실험에서는 공탑체류시간(EBCT) 7분 30초 조건에서 720㎎/g의 처리 성능을 달성했으며, 실제 정수장 및 하수처리장의 유입수와 방류수 조건에서도 안정적인 성능을 나타내 현장 적용 가능성을 확인했다. 

특히, 다양한 혼합 조건에서도 PFAS의 사슬 길이에 따른 선택적 흡착이 가능해 단일 오염물질뿐 아니라 복합 오염원 제거에도 효과적일 것으로 기대된다.

김건한 교수는 “이 기술은 고비용의 활성탄과 이온교환수지를 대체할 수 있는 저비용·고효율·재생 가능 특성을 갖춘 PFAS 정화 플랫폼”이라고 설명하며 “기존에 해결되지 않던 환경문제에 새로운 해법을 제시한 성과”라고 강조했다.

 

이어 “향후 지속 가능한 물관리와 인류 건강 보호를 비롯해 관련 산업에 크게 기여할 것으로 기대한다”고 덧붙였다.

이번 연구는 제1저자 및 교신저자인 김건한 교수를 비롯해 미국 라이스대학교(Rice University) 정영균 박사후연구원(공동 제1저자)과 마이클 웡(Michael S. Wong) 교수 연구팀, 강석태 한국과학기술원(KAIST) 교수 연구팀이 핵심적으로 참여했고, 영국 옥스퍼드대학교(University of Oxford), 미국 버클리국립연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory), 네바다대학교(University of Nevada) 등 국제 공동 연구진이 참여했다.

연구 결과는 ‘과불화화합물의 초고속 포집 및 무기화 처리를 위한 재생 가능한 수처리 플랫폼(Regenerable Water Remediation Platform for Ultrafast Capture and Mineralization of Per– and Polyfluoroalkyl Substances)’이라는 제목으로,『어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)』 저널에 9월 25일 온라인으로 게재됐다.

한편, 이번 연구는 교육부와 한국연구재단의 기본연구사업, 과학기술정보통신부 국가 과학난제도전 융합연구개발사업의 과학난제 도전형 연구사업 및 세종과학펠로우십의 지원을 받아 수행됐다

[『워터저널』 2025년 11월호에 게재]