한 번 환경에 유출되면 수백 년간 자연 분해되지 않아 ‘영구 화학물질’로 불리는 과불화화합물(PFAS)을 보다 효율적으로 처리할 수 있는 기술이 개발됐다.

UNIST(울산과학기술원) 지구환경도시건설공학과 김귀용 교수와 반도체소재·부품대학원 김병조 교수 연구팀은 전도성 고분자를 활용해 물속에 저농도로 퍼져 있는 과불화화합물을 선택적으로 흡착·농축한 뒤 전기화학적으로 분해하는 기술을 개발했다고 15일 밝혔다.

과불화화합물은 화장품, 프라이팬 코팅, 방수 의류, 반도체 공정 등에 사용돼 왔지만 자연에서는 거의 분해되지 않는다. 최근에는 극미량만 존재해도 인체와 환경에 영향을 줄 수 있다는 연구 결과가 잇따르면서, 국내를 비롯해 미국 등 주요 국가에서는 음용수 내 과불화화합물 기준을 리터당 나노그램 수준까지 강화하고 있다. 이에 따라 저농도 과불화화합물까지 효율적으로 처리할 수 있는 기술에 대한 필요성이 커지고 있다.

연구팀은 전도성 고분자의 전기적 성질이 인가되는 전압의 방향에 따라 달라진다는 점에 착안했다. 전도성 고분자가 코팅된 전극에 전압을 가하면 과불화화합물이 표면에 흡착되고, 전압 방향을 바꾸면 다시 탈착되는 원리다. 이를 통해 물속에 희석된 과불화화합물만 선택적으로 모아 고농도로 농축한 뒤 처리할 수 있다.

이 방식은 저농도 상태에서 직접 분해하는 기존 전기화학적 처리 방식 대비 전기에너지 사용량을 크게 줄일 수 있다. 연구팀은 실제 실험을 통해 기존 방식보다 20배 이상 낮은 에너지로 과불화화합물을 분해할 수 있음을 확인했다. 하수 처리수나 수돗물과 같이 수질이 복잡한 조건에서도 적용 가능성도 검증했다.

연구팀은 흡착 전극과 분해 전극을 하나의 분해조에 함께 배치한 정화 시스템도 구현했다. 과불화화합물을 모으는 과정과 분해하는 과정이 연속적으로 이뤄지는 구조로, 분리와 처리를 하나의 공정으로 통합할 수 있다는 점이 특징이다.

현재 저농도 과불화화합물 폐수는 활성탄 등으로 흡착한 뒤 소각하거나 매립하는 방식으로 처리되는 경우가 많다. 그러나 매립은 과불화화합물을 분해하지 않고 격리하는 데 그친다는 한계가 있다. 특히 국내처럼 매립 공간이 제한적인 환경에서는 지속 가능한 해법으로 보기 어렵다는 지적이 이어져 왔다.

김귀용 교수는 “전도성 고분자는 기존 흡착제와 달리 탈착과 재생을 위해 화학약품 처리가 필요 없고, 흡착된 과불화화합물을 다시 쉽게 분리할 수 있다”며 “저농도 과불화화합물 폐수 처리에 경제적인 대안이 될 수 있다”고 말했다. 이어 “분리와 처리를 일원화하고, 매립이나 소각이 아닌 분해까지 가능하다는 점이 기존 기술과의 차별점”이라고 덧붙였다.

김병조 교수는 “분자동역학 시뮬레이션을 통해 전도성 고분자에서 과불화화합물이 흡착·탈착되는 원리를 분자 수준에서 규명했다”며 “이번 결과는 향후 선택성과 가역성을 동시에 갖는 새로운 흡착 소재 설계에도 중요한 기준이 될 것”이라고 설명했다.

이번 연구 성과는 환경·에너지 분야 국제학술지 ‘Environmental Science & Technology’에 1월 13일자로 게재됐다. (논문명: Polyaniline as an Integrated Amine-Redox Platform for Reversible Electrosorption and Energy-Efficient PFAS Remediation: From Molecular Mechanisms to System Integration) 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단과 산업통상자원부 한국산업기술진흥원의 지원을 받아 수행됐다.