PFAS와 같은 독성 물질을 기존보다 최대 1000배 빠르게 흡착해서 물에서 빼내는 신소재를 개발했다는 데 어떤 화학적 원리가 반영된 것인가요?

Question

카이스, 부경대, 해외 연구팀이 과불화학물을 독성 오염물을 기존의 1000배 빠르게 물에서 빼는 신소재를 개발하였다는 이것이 무엇인가요?

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

카이스트·부경대·라이스대 등 국제 공동연구팀이 개발한 신소재는 PFAS(과불화화합물)을 기존보다 최대 1000배 빠르게 물에서 제거할 수 있는 점토 기반 흡착체입니다.

PFAS는 탄소–플루오르 결합으로 이루어진 독특한 구조 때문에 자연적으로 잘 분해되지 않고, 물 속에서도 안정적으로 남아 ‘영원한 화학물질’이라 불립니다. 기존의 활성탄 같은 흡착제는 PFAS와의 상호작용이 약해 제거 속도가 느리고 효율도 낮았습니다.

연구팀이 만든 신소재는 구리와 알루미늄이 결합된 점토형 물질로, PFAS의 두 가지 성질을 동시에 겨냥합니다. 분자의 머리 부분에 있는 친수성 작용기(카복실산기, 술폰산기)는 금속–산소 결합과 표면 전하에 의해 강하게 끌어당겨지고, 꼬리 부분의 소수성 플루오르화 알킬 사슬은 점토의 소수성 영역과 상호작용해 안정적으로 고정됩니다. 이렇게 극성 상호작용과 소수성 상호작용이 동시에 작동하면서 PFAS가 빠르게 흡착되는 것입니다.

즉, 이 신소재의 화학적 원리는 이중 상호작용 메커니즘을 통해 PFAS를 물 속에서 효과적으로 잡아내는 데 있습니다. 그 결과 기존보다 훨씬 빠른 속도로 PFAS를 제거할 수 있고, 재사용도 가능해 환경 정화 기술로서 큰 잠재력을 갖습니다.

정리하면, 이 연구는 PFAS의 구조적 특성을 정밀하게 겨냥한 표면 화학 설계를 통해 기존 흡착제의 한계를 극복한 사례라 할 수 있습니다.

Answer 2

안녕하세요.

PFAS는 탄소와 플루오린 사이의 결합이 매우 강하기 때문에 화학적으로 거의 분해되지 않으며, 분자의 한쪽은 물과 잘 상호작용하는 친수성 작용기를 가지고, 다른 한쪽은 물을 강하게 밀어내는 불소화 탄소 사슬을 가지고 있는 양친매성 물질입니다. 따라서 PFAS는 물속에서 안정하게 퍼져 존재하면서도 일반적인 흡착제에는 잘 붙지 않아 제거가 매우 어렵습니다. 질문주신 신소재는 이러한 PFAS의 구조적 특성을 표적으로 삼아서 여러 화학적 상호작용을 동시에 작동시키는 방식으로 설계되었습니다. 우선 PFAS는 대부분 수용액에서 음전하를 띠기 때문에 소재 표면에 양전하를 띠는 작용기를 도입하면 강한 정전기적 인력이 작용하여 PFAS 분자를 빠르게 끌어당길 수 있는데요, 이 단계는 PFAS가 흡착 표면에 접근하는 속도를 크게 높여주는 역할을 합니다.

또한 PFAS의 긴 불소화 탄소 사슬이 가지는 소수성을 이용하는데요, 소재 내부에 물보다 더 안정한 소수성 공간이나 나노 기공을 만들어 두어서 PFAS의 소수성 꼬리 부분이 자연스럽게 그 내부로 들어가게 하는 것입니다. 이와 같은 기능은 금속-유기 골격체와 같은 다공성 구조에서 구현되는데, 이 물질은 매우 큰 비표면적과 정밀한 기공 구조를 가지고 있어 오염물질이 빠르게 확산하고 동시에 다량으로 흡착될 수 있는 환경을 제공할 수 있습니다. 즉 이 신소재에서는 PFAS가 정전기적 인력에 의해 빠르게 끌려오고, 소수성 및 불소 친화적 환경에 의해 내부로 흡수되며, 그 안에서 안정적으로 고정되는 일련의 과정이 동시에 일어나는 것입니다. 감사합니다.