미국 일리노이대학교 어바나-샴페인 캠퍼스(University of Illinois Urbana-Champaign)의 샤오수(Xiao Su) 교수 연구팀은 점점 더 널리 퍼져 있는 ‘초단사슬 PFAS(ultra-short-chain PFAS)’를 포함하여 과불화화합물(per- and polyfluoroalkyl substances, PFAS)로 알려진 다양한 화학물질의 혼합물을 단일 공정으로 물에서 포집, 농축 및 파괴하는 전기화학적 전략을 최초로 개발했다. 이 새로운 연구개발은 특히 반도체 제조에서 퍼플루오로알킬(perfluoroalkyl) 및 폴리플루오로알킬(polyfluoroalkyl) 물질로 인한 오염이라는 산업적 문제를 해결할 준비가 되어 있다.
이전 일리노이대학교(U. of I.) 연구에 따르면 전기흡착이라고 하는 전기화학적 구동 흡착을 사용하여 물에서 단사슬(short-chain) 및 장사슬(long-chain) PFAS를 제거할 수 있지만, 이 방법은 크기가 작고 화학적 특성이 다르기 때문에 초단사슬 분자에는 효과적이지 않다. 일리노이대학교 화학·생체분자공학과 샤오수(Xiao Su) 교수가 이끄는 이 새로운 연구는 ‘산화환원 전기투석(redox electrodialysis)’이라는 담수화 여과기술과 단일 장치의 전기흡착을 결합하여 전체 PFAS 크기 스펙트럼을 포착하는 것과 관련된 문제를 해결한다. 이 연구 결과는 국제학술지 『네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)』 9월 24일자에‘초단사슬에서 장사슬 PFAS 제거를 위한 산화환원 전기투석 및 전기 흡착 통합(Integrating redox-electrodialysis and electrosorption for the removal of ultra-short- to long-chain PFAS)’제목으로 게재됐다.
샤오수(Xiao Su) 교수는 “매우 단사슬 PFAS가 물 속의 염 이온과 매우 유사하게 작용하기 때문에 산화 환원 전기투석을 결정했다”고 말했다. 그는 특히 “문제는 초단사슬 PFAS를 포집하고, 장쇄 PFAS의 전기흡착 공정과 함께 작동하도록 하고, 전기화학적 산화로 파괴하고, 단일 장치 내에서 이를 실현하기 위한 효율적이고 효과적인 전기투석 시스템을 만드는 것”이라고 강조했다. 샤오수의 연구팀은 이전에 다양한 비 PFAS 오염물질을 제거하는 고효율 전기투석 장치를 시연한 바 있다. 그러나 이 과정에는 비싸고 PFAS 분자로 인해 빠르게 오염되는 이온 교환막(ion-exchange membranes)이 필요하다. 샤오수 교수팀은 막 장애물을 제거하기 위해 전기장 구동 PFAS를 파울링 없이 제거할 수 있는 저렴한 나노 여과막(nanofiltration membranes)을 도입했다. 이 기술은 에너지 효율적인 담수화를 가능하게 하기 위해 산화환원 중합체와 이러한 나노여과막을 결합한 그룹에서 이전에 이룬 발전에 기반한다. PFAS 제거의 경우 작업에 적합한 재료를 갖는 것도 중요하지만, 가장 효과적인 구성을 찾는 것 자체가 중요한 과제이다. 샤오수 교수는 “다양한 장치 구성을 실험한 끝에 마침내 PFAS에 오염된 물을 담수화하여 초단사슬 분자를 제거하고, 동시에 탄소 전극이 나머지 단사슬 및 장사슬 분자를 제거하는 시스템에 정착했다”라면서 “이 과정은 또한 모든 PFAS를 집중시켜 한 번 포획되면 더 쉽게 파괴할 수 있다”고 강조했다.
마지막으로, 산화환원 전기투석에 내재된 전기화학적 산화공정은 포집된 PFAS를 불소 이온으로 전환하여 파괴하는데, 이는 환경에서 이러한 지속적인 오염물질을 제거하기 위한 핵심 단계이다. 샤오수 교수는 “우리 연구팀이 공정을 확장하여 실험실에서 현장으로 옮겨 하·폐수 처리 분야를 다룰 뿐만 아니라 현장에서 시스템을 산업폐수 흐름에 통합할 수 있게 되어 기쁘다”고 말했다. 샤오수 교수는 특히 “이 연구는 미국 정부, 하·폐수처리 시설 및 반도체 산업의 관심으로 인해 매우 시의적절하다”라면서 “반도체 생산은 앞으로 몇 년 동안 증가할 것으로 예상되며 지속 가능한 생산을 위한 PFAS 감소는 앞으로 중요한 문제가 될 것”이라고 강조했다. 이 연구에는 일리노이주 대학교 김나영(Nayeong Kim), 요하네스 엘버트(Johannes Elbert) 및 에카테리나 슈키나(Ekaterina Shchukina) 연구원 등이 참여했다. 또한 국립과학재단(National Science Foundation) ERASE-PFAS 프로그램이 이 연구를 지원했다. 샤오수 교수는 또한 일리노이 대학교의 토목 및 환경공학, 화학 및 베크만 첨단과학기술연구소(Beckman Institute for Advanced Science and Technology)에 소속되어 있다.
출처: 워터저널
