'영원한 화학물질' PFAS, 제거를 넘어 완전 분해로
대학생신재생에너지기자단 29기 이예람
PFAS, 왜 지금 가장 주목 받는 오염물질인가
[자료 1. PFAS의 활용]
출처 : 29기 이예람 Gemini 제작
최근 세계 각국의 환경정책에서 중요성이 커지고 있는 오염물질 중 하나는 과분화화합물(PFAS, Per-and Polyfluoroalkyl Substances)이다. PFAS는 물과 기름에 젖지 않는 특성을 가져 일상생활의 다양한 영역에서 사용되는 물질이다. 반도체, 식품 포장재, 섬유 등 다양한 산업에서 이용되고 있다. 하지만 이러한 뛰어난 내구성은 환경에서는 오히려 문제가 된다. 한번 배출된 PFAS는 자연적으로 분해되기 어려워 토양, 하천 등에 축적되고 인체의 내부에까지 쌓이게 될 수 있기 때문이다. 최근 PFAS가 단순한 환경오염 물질을 넘어 인체 건강에도 영향을 미칠 수 있다는 연구 결과가 나오며 세계의 주목을 받고 있다. 특히 미국 환경보호청과 국제암연구소는 일부 PFAS 물질이 신장암과 고환암의 위험을 증가시키고 백신 면역 반응을 감소시킬 위험을 가진다는 가능성을 제시하고 있어 각국 정부는 PFAS 사용을 제한하는 정책을 확대하며 PFAS가 주목받고 있다.
PFAS의 특성과 기존 처리기술의 한계
[자료 2. PFAS의 구조]
출처 : 29기 이예람 ChatGPT 제작
PFAS는 한쪽 끝에는 친수성 수용기, 다른 한쪽에는 불소 원자가 탄소 사슬을 둘러싼 불소화 탄소 사슬로 이뤄져 있다. 불소화 탄소 사슬은 낮은 표면에너지를 가지는 구조로 물과 기름을 밀어낸다. 친수성 작용기는 물과 수소 결합을 해 친수성 작용기는 물에, 불소 사슬은 공기나 기름 쪽에 위치하게 된다. 이에 따라 PFAS는 표면장력이 낮아지고 계면활성제와 비슷하게 물이나 기름에 젖지 않을 수 있다. 이러한 원리로 PFAS는 소방용이나 식품 포장재의 재료로 사용된다.
PFAS의 불소화 탄소 사슬은 탄소와 불소의 결합으로 이뤄져 결합에너지가 매우 크다. 일반적인 탄소 사이의 결합에너지는 약 350KJ/mol인 반면 PFAS의 불소-탄소 결합은 약 485KJ/mol이다. 이러한 높은 결합에너지는 이 구조가 쉽게 깨지지 않게 만들어 안정적인 상태를 유지하게 해준다. 이러한 특성으로 PFAS는 열, 산, 염기에 의해 부식되거나 손상되지 않아 항공우주 산업에서도 주목받는 재료이다.
하지만 이러한 결합 안정성은 환경에는 이롭지 않다. 자외선에 의한 광분해나 자연적 미생물 작용으로 쉽게 분해되지 않아 자연적 분해가 불가하며 기술적 분해가 반드시 필요하다. 게다가 현재 정수시설에서 사용되는 활성탄은 PFAS를 물에서 분리하는 역할을 할 뿐 완전히 PFAS를 분해해 제거하지 못한다. 회수된 활성탄이나 폐수는 처리 과정을 한 번 더 거쳐야 하며 고온 소각 과정에서도 환경에 해로운 부산물을 생성하거나 완전 분해가 되지 않는다. 이러한 문제가 제기되며 최근 연구는 PFAS를 분리해 내는 기술이 아니라 완전히 분해하는 기술을 찾아내는 방향으로 이뤄지고 있다.
플라즈마 기반 PFAS 분해 기술
[자료 3. 플라즈마 기반 분해 과정]
출처 : 29기 이예람 ChatGPT 제작
첫 번째 기술은 플라즈마 분해 기술이다. 플라즈마 분해 기술은 전기를 이용해 기체를 플라즈마 상태로 만들 때 수화 전자와 수산화 라디칼과 같이 반응성이 높은 물질을 만들어 PFAS의 불소-탄소 결합을 끊는 기술이다. 수화 전자는 강한 환원력을 가지고 있어 불소를 이온 상태로 떼어내고 수산화 라디칼은 PFAS의 구조를 점차 부숴 PFAS를 황산이온이나 물과 같은 무기 물질로 바꾼다. 이 기술의 장점은 플라즈마 자체가 활성 종을 만들어주기 때문에 과산화수소와 같은 화학약품의 사용량을 줄일 수 있고, 상온에서 운반할 수 있어 설비가 비교적 단순하다는 것이다. 또 지하수나 소방 용품에 소형으로 사용할 수 있다는 이점도 있다. 하지만 PFAS 농도와 오염물질의 종류에 따라 분해 효율이 달라지고 분해 도중에 더 짧은 사슬의 PFAS나 다른 종류의 중간 생성물이 생길 수 있어 이 물질들의 안전성에 대한 추가 분석이 필요하다는 한계가 있다.
초임계수 산화를 통한 PFAS 분해 기술
또 다른 완전 분해 가능성을 가진 기술은 초임계수 산화기술이다. 초임계수 산화는 물을 초임계 상태(온도 374℃ 이상, 압력 22.1MPa 이상)로 만들어 PFAS를 이산화탄소나 물과 같이 무해한 물질로 완전히 분해하는 기술이다. 초임계수는 물이 액체와 기체의 구분이 사라진 상태여서 유기물과 산소가 쉽게 섞여 균일한 상으로 존재한다. 이 조건에서는 산소가 유기물에 빠르게 접근해 산화시킬 수 있어 일반적인 수온과 수압에서는 끊어지지 않는 PFAS의 탄소-불소 결합까지 분해할 수 있다.
미국 환경보호청의 지원을 받은 연구에 따르면 서로 다른 세 가지 종류의 초임계수 산화 시스템을 실험했을 때 PFAS 제거율이 99% 이상에 이르렀다. 또 최종 생성물이 이산화탄소나 물 같은 단순한 무기물질 위주로 확인돼 추가적인 유해 물질 발생 위험이 낮다는 사실이 밝혀졌다. 초임계수 산화 기술은 PFAS를 완전분해하게 해줄 핵심 기술로 주목받고 있다.
하지만 이러한 이점이 있는 만큼 해결돼야 할 문제가 있다. 물을 초임계 상태로 유지하기 위해 지속적으로 높은 에너지와 돈을 투입해야 하므로 운전 비용이 많이 든다. 또한 부식을 관리하고 초고온, 초고압 조건을 견디는 재질을 생산해야 하므로 막대한 비용 문제가 있다. 따라서 초임계수 산화 기술은 이론적으로는 PFAS를 완전히 분해할 수 있지만 실제 현장에서 사용되기 위해서는 안전 규제 정립, 에너지 효율 개선과 같은 과제가 해결돼야 한다.
규제 강화와 함께 커지는 기술 경쟁, PFAS의 미래
PFAS가 세계적인 환경 문제로 주목받으면서 각국은 완전 분해 기술 확보와 PFAS 사용량 저감에 힘쓰고 있다. 미국 환경보호청은 2021년 발표한 PFAS 로드맵을 통해 연구, 규제, 정화 모든 측면에서 PFAS를 관리할 계획을 발표했다. 특히 환경에서 PFAS를 검출하고 측정하는 분석 기술을 고도화해 음용수와 오염 부지를 복원하기 위해 힘쓸 계획을 발표했다.
유럽연합은 PFAS의 사용 자체를 줄이는 방향으로 정책을 발달시키고 있다. ‘EU 화학물질 지속가능성 전략’은 필수적인 용도를 제외한 PFAS의 사용을 완전히 제거하는 것을 목표로 하고 있다. 유럽화학물질청(ECHA)은 총 10,000 종 이상의 과불화화합물(per- and polyfluoroalkyl substances, PFAS) 사용을 제한하는 보고서를 채택하고 발표했다. 오염이 발생한 이후 처리하는 방식보다는 생산과 사용 단계에서 PFAS의 양을 줄여 환경 유입을 차단하는 예방 위주의 시스템 구축에 힘쓰고 있다.
EU는 산업 전반에서 PFAS 사용을 단계적으로 금지, 미국은 2023년부터 제조·수입업체 보고를 의무화, 2024년에는 대표 물질인 PFOA와 PFOS의 음용수 기준을 4ppt로 강화했다. 즉, 아주 미세한 양이라도 인체에 해로울 수 있기 때문에 물 1리터 속에 이 물질이 4조분의 1그램(즉, 4ppt)만 있어도 기준을 넘는다는 뜻이다.
국내에서도 PFAS 관리 체계가 더욱 강화되고 있다. 한국환경산업기술원은 먹는 물과 환경매체의 PFAS 분석법을 강화하고 흡착 기술의 한계를 극복하기 위한 분해 기술 연구를 지원하고 있다.
앞으로 PFAS 관리 경쟁은 규제만으로 해결되는 것이 아니라 얼마나 안전하고 경제적으로 PFAS를 분해할 수 있는 기술을 확보하는지에 달려있다. 결국 PFAS 문제 해결을 위해서는 오염물질을 다른 곳으로 옮기는 것이 아니라 분자를 완전히 안전한 형태로 분해할 수 있는 기술이 중요해진다는 점에서 관련 연구는 앞으로 계속 진행될 것으로 보인다.
오염물질에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기
참고문헌
[PFAS, 왜 지금 가장 주목 받는 오염물질인가]
2) 채영근, "“영원한 화학물질” 과불화화합물(PFAS)로 인한 환경오염피해 구제 연구-미국의 의료모니터링 청구를 중심으로-", 仁荷大學校 法學硏究, 27권, 1호, 2024.3.31.
[PFAS의 특성과 기존 처리기술의 한계]
1) 김가경 외4인, "한국의 과불화화합물 규제 강화 방안: 건강 위해성, 국제 기준 비교 및 정책 제언", 대한환경공학회지, 47권, 6호, 2025.
[플라즈마 기반 PFAS 분해 기술]
1) 김가경 외4인, "한국의 과불화화합물 규제 강화 방안: 건강 위해성, 국제 기준 비교 및 정책 제언", 대한환경공학회지, 47권, 6호, 2025.
[초임계수 산화를 통한 PFAS 분해 기술]
1) 김가경 외4인, "한국의 과불화화합물 규제 강화 방안: 건강 위해성, 국제 기준 비교 및 정책 제언", 대한환경공학회지, 47권, 6호, 2025.
[규제 강화와 함께 커지는 기술 경쟁, PFAS의 미래]
'영원한 화학물질' PFAS, 제거를 넘어 완전 분해로
대학생신재생에너지기자단 29기 이예람
PFAS, 왜 지금 가장 주목 받는 오염물질인가
[자료 1. PFAS의 활용]
출처 : 29기 이예람 Gemini 제작
최근 세계 각국의 환경정책에서 중요성이 커지고 있는 오염물질 중 하나는 과분화화합물(PFAS, Per-and Polyfluoroalkyl Substances)이다. PFAS는 물과 기름에 젖지 않는 특성을 가져 일상생활의 다양한 영역에서 사용되는 물질이다. 반도체, 식품 포장재, 섬유 등 다양한 산업에서 이용되고 있다. 하지만 이러한 뛰어난 내구성은 환경에서는 오히려 문제가 된다. 한번 배출된 PFAS는 자연적으로 분해되기 어려워 토양, 하천 등에 축적되고 인체의 내부에까지 쌓이게 될 수 있기 때문이다. 최근 PFAS가 단순한 환경오염 물질을 넘어 인체 건강에도 영향을 미칠 수 있다는 연구 결과가 나오며 세계의 주목을 받고 있다. 특히 미국 환경보호청과 국제암연구소는 일부 PFAS 물질이 신장암과 고환암의 위험을 증가시키고 백신 면역 반응을 감소시킬 위험을 가진다는 가능성을 제시하고 있어 각국 정부는 PFAS 사용을 제한하는 정책을 확대하며 PFAS가 주목받고 있다.
PFAS의 특성과 기존 처리기술의 한계
[자료 2. PFAS의 구조]
출처 : 29기 이예람 ChatGPT 제작
PFAS는 한쪽 끝에는 친수성 수용기, 다른 한쪽에는 불소 원자가 탄소 사슬을 둘러싼 불소화 탄소 사슬로 이뤄져 있다. 불소화 탄소 사슬은 낮은 표면에너지를 가지는 구조로 물과 기름을 밀어낸다. 친수성 작용기는 물과 수소 결합을 해 친수성 작용기는 물에, 불소 사슬은 공기나 기름 쪽에 위치하게 된다. 이에 따라 PFAS는 표면장력이 낮아지고 계면활성제와 비슷하게 물이나 기름에 젖지 않을 수 있다. 이러한 원리로 PFAS는 소방용이나 식품 포장재의 재료로 사용된다.
PFAS의 불소화 탄소 사슬은 탄소와 불소의 결합으로 이뤄져 결합에너지가 매우 크다. 일반적인 탄소 사이의 결합에너지는 약 350KJ/mol인 반면 PFAS의 불소-탄소 결합은 약 485KJ/mol이다. 이러한 높은 결합에너지는 이 구조가 쉽게 깨지지 않게 만들어 안정적인 상태를 유지하게 해준다. 이러한 특성으로 PFAS는 열, 산, 염기에 의해 부식되거나 손상되지 않아 항공우주 산업에서도 주목받는 재료이다.
하지만 이러한 결합 안정성은 환경에는 이롭지 않다. 자외선에 의한 광분해나 자연적 미생물 작용으로 쉽게 분해되지 않아 자연적 분해가 불가하며 기술적 분해가 반드시 필요하다. 게다가 현재 정수시설에서 사용되는 활성탄은 PFAS를 물에서 분리하는 역할을 할 뿐 완전히 PFAS를 분해해 제거하지 못한다. 회수된 활성탄이나 폐수는 처리 과정을 한 번 더 거쳐야 하며 고온 소각 과정에서도 환경에 해로운 부산물을 생성하거나 완전 분해가 되지 않는다. 이러한 문제가 제기되며 최근 연구는 PFAS를 분리해 내는 기술이 아니라 완전히 분해하는 기술을 찾아내는 방향으로 이뤄지고 있다.
플라즈마 기반 PFAS 분해 기술
출처 : 29기 이예람 ChatGPT 제작
첫 번째 기술은 플라즈마 분해 기술이다. 플라즈마 분해 기술은 전기를 이용해 기체를 플라즈마 상태로 만들 때 수화 전자와 수산화 라디칼과 같이 반응성이 높은 물질을 만들어 PFAS의 불소-탄소 결합을 끊는 기술이다. 수화 전자는 강한 환원력을 가지고 있어 불소를 이온 상태로 떼어내고 수산화 라디칼은 PFAS의 구조를 점차 부숴 PFAS를 황산이온이나 물과 같은 무기 물질로 바꾼다. 이 기술의 장점은 플라즈마 자체가 활성 종을 만들어주기 때문에 과산화수소와 같은 화학약품의 사용량을 줄일 수 있고, 상온에서 운반할 수 있어 설비가 비교적 단순하다는 것이다. 또 지하수나 소방 용품에 소형으로 사용할 수 있다는 이점도 있다. 하지만 PFAS 농도와 오염물질의 종류에 따라 분해 효율이 달라지고 분해 도중에 더 짧은 사슬의 PFAS나 다른 종류의 중간 생성물이 생길 수 있어 이 물질들의 안전성에 대한 추가 분석이 필요하다는 한계가 있다.
초임계수 산화를 통한 PFAS 분해 기술
또 다른 완전 분해 가능성을 가진 기술은 초임계수 산화기술이다. 초임계수 산화는 물을 초임계 상태(온도 374℃ 이상, 압력 22.1MPa 이상)로 만들어 PFAS를 이산화탄소나 물과 같이 무해한 물질로 완전히 분해하는 기술이다. 초임계수는 물이 액체와 기체의 구분이 사라진 상태여서 유기물과 산소가 쉽게 섞여 균일한 상으로 존재한다. 이 조건에서는 산소가 유기물에 빠르게 접근해 산화시킬 수 있어 일반적인 수온과 수압에서는 끊어지지 않는 PFAS의 탄소-불소 결합까지 분해할 수 있다.
미국 환경보호청의 지원을 받은 연구에 따르면 서로 다른 세 가지 종류의 초임계수 산화 시스템을 실험했을 때 PFAS 제거율이 99% 이상에 이르렀다. 또 최종 생성물이 이산화탄소나 물 같은 단순한 무기물질 위주로 확인돼 추가적인 유해 물질 발생 위험이 낮다는 사실이 밝혀졌다. 초임계수 산화 기술은 PFAS를 완전분해하게 해줄 핵심 기술로 주목받고 있다.
하지만 이러한 이점이 있는 만큼 해결돼야 할 문제가 있다. 물을 초임계 상태로 유지하기 위해 지속적으로 높은 에너지와 돈을 투입해야 하므로 운전 비용이 많이 든다. 또한 부식을 관리하고 초고온, 초고압 조건을 견디는 재질을 생산해야 하므로 막대한 비용 문제가 있다. 따라서 초임계수 산화 기술은 이론적으로는 PFAS를 완전히 분해할 수 있지만 실제 현장에서 사용되기 위해서는 안전 규제 정립, 에너지 효율 개선과 같은 과제가 해결돼야 한다.
규제 강화와 함께 커지는 기술 경쟁, PFAS의 미래
PFAS가 세계적인 환경 문제로 주목받으면서 각국은 완전 분해 기술 확보와 PFAS 사용량 저감에 힘쓰고 있다. 미국 환경보호청은 2021년 발표한 PFAS 로드맵을 통해 연구, 규제, 정화 모든 측면에서 PFAS를 관리할 계획을 발표했다. 특히 환경에서 PFAS를 검출하고 측정하는 분석 기술을 고도화해 음용수와 오염 부지를 복원하기 위해 힘쓸 계획을 발표했다.
유럽연합은 PFAS의 사용 자체를 줄이는 방향으로 정책을 발달시키고 있다. ‘EU 화학물질 지속가능성 전략’은 필수적인 용도를 제외한 PFAS의 사용을 완전히 제거하는 것을 목표로 하고 있다. 유럽화학물질청(ECHA)은 총 10,000 종 이상의 과불화화합물(per- and polyfluoroalkyl substances, PFAS) 사용을 제한하는 보고서를 채택하고 발표했다. 오염이 발생한 이후 처리하는 방식보다는 생산과 사용 단계에서 PFAS의 양을 줄여 환경 유입을 차단하는 예방 위주의 시스템 구축에 힘쓰고 있다.
EU는 산업 전반에서 PFAS 사용을 단계적으로 금지, 미국은 2023년부터 제조·수입업체 보고를 의무화, 2024년에는 대표 물질인 PFOA와 PFOS의 음용수 기준을 4ppt로 강화했다. 즉, 아주 미세한 양이라도 인체에 해로울 수 있기 때문에 물 1리터 속에 이 물질이 4조분의 1그램(즉, 4ppt)만 있어도 기준을 넘는다는 뜻이다.
국내에서도 PFAS 관리 체계가 더욱 강화되고 있다. 한국환경산업기술원은 먹는 물과 환경매체의 PFAS 분석법을 강화하고 흡착 기술의 한계를 극복하기 위한 분해 기술 연구를 지원하고 있다.
앞으로 PFAS 관리 경쟁은 규제만으로 해결되는 것이 아니라 얼마나 안전하고 경제적으로 PFAS를 분해할 수 있는 기술을 확보하는지에 달려있다. 결국 PFAS 문제 해결을 위해서는 오염물질을 다른 곳으로 옮기는 것이 아니라 분자를 완전히 안전한 형태로 분해할 수 있는 기술이 중요해진다는 점에서 관련 연구는 앞으로 계속 진행될 것으로 보인다.
오염물질에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기
1. "찰칵! 패턴을 새기고, 유해물질을 남기다", 28기 정예빈, https://renewableenergyfollowers.org/etc/?idx=169445914&bmode=view
2. "플라스틱을 태우지 않고 분해한다? 열분해 기술", 27기 이서영, https://renewableenergyfollowers.org/journal/?idx=169445878&bmode=view
참고문헌
[PFAS, 왜 지금 가장 주목 받는 오염물질인가]
1) 유민정, "[PFAS 오염 위기] ②노출경로와 건강에 미치는 영향", 포인트 경제, 2019.10.7, https://www.pointe.co.kr/news/articleView.html?idxno=1037.
2) 채영근, "“영원한 화학물질” 과불화화합물(PFAS)로 인한 환경오염피해 구제 연구-미국의 의료모니터링 청구를 중심으로-", 仁荷大學校 法學硏究, 27권, 1호, 2024.3.31.
[PFAS의 특성과 기존 처리기술의 한계]
1) 김가경 외4인, "한국의 과불화화합물 규제 강화 방안: 건강 위해성, 국제 기준 비교 및 정책 제언", 대한환경공학회지, 47권, 6호, 2025.
[플라즈마 기반 PFAS 분해 기술]
1) 김가경 외4인, "한국의 과불화화합물 규제 강화 방안: 건강 위해성, 국제 기준 비교 및 정책 제언", 대한환경공학회지, 47권, 6호, 2025.
2) "광운대학교 장민 교수 연구팀, ‘영원한 화학물질’ PFAS 제거를 위한 플라즈마 촉매 시스템 개발", 중앙일보, 2023.11.8, https://www.joongang.co.kr/article/25205781.
[초임계수 산화를 통한 PFAS 분해 기술]
1) 김가경 외4인, "한국의 과불화화합물 규제 강화 방안: 건강 위해성, 국제 기준 비교 및 정책 제언", 대한환경공학회지, 47권, 6호, 2025.
2) 조남준, "“영원한 화학물질” PFAS, 현장에서 99.99% 파괴…GA-EMS ‘PERSES’ 상용화", 에너지데일리, 2025.8.11, https://www.energydaily.co.kr/news/articleView.html?idxno=158768.
[규제 강화와 함께 커지는 기술 경쟁, PFAS의 미래]
1) 박지민, "환경 골칫거리 된 '만능 화합물'… 줄여라, 분해하라, 없애라", 조선일보, 2025.5.30, https://www.chosun.com/economy/science/2024/05/30/DD2EUK7OCJDG3J6XMKDV76NOSE/.
2) 카이스트 홍보실, "물 속 '영원한 화학물질' 1,000배 빠르게 없앤다", 카이스트 뉴스, 2025.10.30, https://news.kaist.ac.kr/news/html/news/?mode=V&mng_no=53710.