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한 번 환경에 유출되면 수백 년간 자연 분해되지 않는 탓에 ‘영구 화학물질’로 불리는 과불화화합물을 처리하는 새로운 기술이 개발됐다. UNIST 지구환경도시건설공학과 김귀용 교수와 반도체소재·부품대학원 김병조 교수팀은 전도성 고분자를 이용해 물속에 저농도로 퍼져 있는 과불화화합물을 흡착 시켜 농축한 뒤 이를 전기 분해하는 기술을 개발했다고 15일 밝혔다. 과불화화합물은 프라이팬 코팅, 방수 의류 제조, 반도체 공정 등에 쓰는 물질로, 자연에서는 거의 분해되지 않는다. 최근 과불화화합물이 극미량만 들어있어도 건강에 영향을 줄 수 있다는 연구가 잇따르면서, 우리나라, 미국 등에서는 음용수에 포함된 과불화화합물의 함량을 리터당 나노그램 수준 이하로까지 강화하고 있는 추세다. 저농도 과불화화합물 폐수까지도 효율적으로 처리할 수 있는 기술 필요성이 대두되는 이유다. 연구팀은 전도성 고분자를 이용해 저농도 폐수에서 과불화화합물을 농축하고 이를 다시 분리해 전기 분해할 수 있는 기술을 개발했다. 전도성 고분자의 성질이 고분자에 걸리는 전압 방향 등에 따라 바뀌는 점에 착안한 기술이다. 이 전도성 고분자가 코팅된 전극을 폐수에 넣고 전압을 가하면, 고분자가 마치 자석이 철가루를 끌어모으듯 과불화화합물을 표면에 모을 수 있다. 전압 방향을 바꾸면 전극에 붙어 있던 과불화화합물이 다시 떨어져 나온다. 이 원리를 이용해 물속에 희석되어 떠다니던 과불화화합물만 선택적으로 골라내어, 고농도로 모은 뒤 따로 처리하면 저농도 상태보다 훨씬 적은 전기에너지로 처리할 수 있게 된다. 연구팀은 이 방식을 적용해 기존의 전기화학 분해 방식보다 20배 이상 낮은 전기에너지로 과불화화합물을 분해했으며, 하수 처리수, 수돗물과 같은 복잡한 수질 조건에서도 적용될 수 있음을 확인했다. 또 분해조 하나에 과불화화합물을 모으는 흡착 전극과 이를 분해하는 전극이 함께 들어간 정화 시스템까지 만들었다. 분리와 분해가 연속적으로 이뤄질 수 있는 방식이라 과불화화합물 처리 공정을 보다 단순화할 수 있다. 현재 저농도 과불화화합물 폐수는 활성탄 등을 이용해 과불화화합물을 흡착시킨 뒤 이를 고온에서 소각하거나 매립하는, 즉 ‘분리’와 ‘처리’ 단계가 구분된 방식을 통해 주로 처리된다. 특히 매립 처리의 경우, 과불화화합물이 자연계에서 분해되는 것이 아닌 ‘격리’ 수준에 그친다는 문제가 있다. 김귀용 교수는 “전도성 고분자는 일반적인 과불화화합물 흡착제와 달리 탈착 및 재생을 위한 화학약품 처리 등이 필요 없고, 흡착된 과불화화합물을 다시 쉽게 분리해 낼 수 있는 만큼 저농도 과불화화합물 폐수 처리에 경제적인 대안이 될 수 있는 것”이라고 말했다. 또한 “기존 기술들과 달리 분리와 처리 단계를 일원화하고 폐수에서 분리된 과불화화합물을 매립이나 소각하는 것이 아닌 분해까지 할 수 있다는 점도 차별점”이라고 덧붙였다. 연구팀은 분자동역학 시뮬레이션을 통해 전도성 고분자의 과불화화합물 흡착과 탈착 원리도 규명했다. 시뮬레이션 연구를 주도한 김병조 교수는 “이번 계산·시뮬레이션 결과는 향후 오염물 선택성과 가역성을 동시에 갖는 새로운 흡착제를 설계하는 데에도 중요한 기준을 제시할 수 있다”고 설명했다. 이번 연구 성과는 환경·에너지 분야의 권위 있는 국제학술지 환경과학기술(Environmental Science & Technology)에 1월 13일 출판됐다. 연구 수행은 과학기술정보통신부 한국연구재단, 산업통상부 한국산업기술진흥원의 지원을 받아 이뤄졌다. (논문명: Polyaniline as an Integrated Amine-Redox Platform for Reversible Electrosorption and Energy-Efficient PFAS Remediation: From Molecular Mechanisms to System Integration) |
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[붙임] 연구결과 개요 |
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1.연구배경 과불화화합물(PFAS)은 프라이팬 코팅, 방수 의류, 반도체 공정 등 다양한 산업 분야에서 사용돼 왔지만, 자연에서 거의 분해되지 않아 ‘영원한 화학물질’로 불린다. 최근에는 극미량만 존재해도 인체와 환경에 영향을 줄 수 있다는 우려가 커지면서, 음용수 기준이 ng/L 수준까지 강화되는 등 PFAS에 대한 관리 필요성이 높아지고 있다. 현재 PFAS 처리 기술은 크게 오염 물질을 물속에서 먼저 붙잡아 제거하는 분리 기반 방식과, 화학적·전기화학적으로 직접 분해하는 분해 기반 방식으로 나뉜다. 그러나 분리 방식은 흡착 이후에도 탈착·농축 및 추가 분해 공정이 필요하고, 분해 방식은 물속에 희석된 PFAS를 그대로 처리할 경우 에너지 소모가 크다는 한계를 가진다. 또한 기존 흡착제는 재생이 어렵고 화학약품 사용이 많아, 결국 소각이나 매립에 의존하는 경우가 많다. 매립 공간이 제한적인 국내 여건을 고려하면 이러한 방식은 지속 가능하지 않으며, 물속에 극미량으로 퍼진 PFAS를 선택적으로 모은 뒤 다시 쉽게 회수할 수 있는 가역적이고 친환경적인 기술의 필요성이 제기돼 왔다. 2.연구내용 연구팀은 전기 신호에 따라 성질이 달라지는 전도성 고분자 소재를 이용해, PFAS를 선택적으로 포집하고 다시 방출할 수 있는 전기화학적 분리 기술을 개발했다. 이 소재는 전기 조건에 따라 PFAS와의 결합 방식이 달라지면서, 물속에 희석된 PFAS를 효과적으로 모았다가 필요할 때 다시 쉽게 떼어낼 수 있는 것이 특징이다. 이러한 분리 과정을 통해 농축된 PFAS는 이후 전기화학적 분해 공정을 통해 훨씬 적은 에너지로 처리할 수 있다. 연구팀은 분리–농축–분해를 연계한 방식으로 기존의 희석 상태 직접 분해 방식에 비해 에너지 사용량을 크게 줄일 수 있음을 확인했다. 특히 연구팀은 PFAS를 모으는 전극과 분해하는 전극을 하나의 전기화학 시스템 안에서 서로 마주 보게 배치하는 실험도 수행했다. 이를 통해 PFAS를 붙잡는 과정과 분해하는 과정이 한 시스템 안에서 연속적으로 일어날 수 있음을 보여주며, 분리와 분해를 통합한 새로운 수처리 개념을 제시했다. 아울러 계산 및 분자동역학 시뮬레이션을 통해 PFAS가 소재 표면에 결합하고 탈착되는 과정을 분자 수준에서 분석함으로써, 실험에서 확인된 선택성과 가역성이 나타나는 원리를 이론적으로 규명했다. 3.기대효과 이번 연구는 PFAS 제거에서 분리와 분해를 각각의 독립된 공정으로 보던 기존 접근에서 벗어나, 두 과정을 하나의 전기화학 시스템으로 연결할 수 있음을 보여줬다. 선택적이고 가역적인 흡착제 개발을 통해 저농도 PFAS 오염수 처리에서 가장 큰 문제로 지적돼 온 에너지 소모와 공정 복잡성을 동시에 줄일 수 있을 것으로 기대된다. 또한 화학약품 사용에 대한 의존도를 낮출 수 있어, 궁극적으로 탄소중립적인 PFAS 처리 기술로 활용 가능성이 크다. 더 나아가 이번 연구에서 규명한 분자 수준의 작동 원리는 향후 다양한 환경 오염물질을 대상으로 한 선택적·가역적 흡착 소재 개발에도 적용될 수 있을 것으로 기대된다. |
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[붙임] 용어설명 |
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1.과불화화합물(PFAS) 탄소와 플루오린이 강하게 결합된 인공 화학물질로, 물과 기름에 잘 섞이지 않고 자연에서 거의 분해되지 않는 특성을 가진다. 프라이팬 코팅, 방수 의류, 반도체 공정 등에 널리 사용돼 왔으나, 환경과 인체에 장기간 축적될 수 있어 ‘영원한 화학물질’로 불린다. 2.전도성 고분자 플라스틱처럼 가볍고 유연하면서도 전기가 흐를 수 있는 고분자 소재를 말한다. 전기 신호에 따라 성질이 변할 수 있어, 물질을 붙잡거나 떼어내는 기능을 전기로 조절할 수 있다는 장점이 있다. 3.흡착 물속에 녹아 있는 오염 물질이 고체 표면에 달라붙는 현상으로, 필터나 흡착제를 이용한 수처리 기술의 기본 원리이다. 4.가역성 한 번 붙잡은 오염 물질을 다시 쉽게 떼어낼 수 있는 성질을 의미한다. 가역성이 높을수록 흡착제를 반복 사용(재생)할 수 있어 화학약품 사용과 폐기물 발생을 줄일 수 있다. 5.전기화학적 분리 전기를 이용해 물질을 선택적으로 이동시키거나 붙잡는 기술로, 화학약품 사용을 최소화하면서도 정밀한 조절이 가능하다.
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[붙임] 그림설명 |
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그림 1. 전도성 고분자 폴리아닐린의 전기적 상태 변화에 따른 과불화화합물 흡·탈착 메커니즘. 전기 신호에 따라 폴리아닐린의 산화 상태가 변하면서 표면 성질과 과불화화합물과의 결합 방식이 달라진다. 이러한 가역적인 흡·탈착 특성을 통해 물속에 희석된 과불화화합물을 선택적으로 모았다가 다시 방출할 수 있게 된다. 한 번 쓰면 재사용이 어려운 활성탄과 같은 흡착제와의 차별점이다.
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![[연구그림] 전도성 고분자의 전기적 상태 변화에 따른 과불화화합물 흡착 및 탈착 매커니즘](https://news.unist.ac.kr/kor/wp-content/uploads/2026/01/연구그림-전도성-고분자의-전기적-상태-변화에-따른-과불화화합물-흡착-및-탈착-매커니즘.jpg)