이스라엘 공대 라디안 박사팀, 식수서 ‘영원한 화학물질’제거하는 혁신적인 기술 개발

테크니온-이스라엘 공과대학교(Technion-Israel Institute of Technology)의 연구원들이 식수에서 위험한 오염물질을 제거하기 위한 혁신적인 기술을 개발했다.

이 기술은 PFAS(과불화합물)의 일종인 합성유기불소화합물(synthetic organofluorine chemical compounds)을 효과적으로 제거하고 파괴한다. PFAS는 화학적 안정성과 환경 지속성 때문에 ‘영원한 화학물질(orever chemicals)’이라고도 알려진 문제성 오염물질 군이다.

수천 개의 PFAS 화학물질이 있으며, 다양한 소비자, 상업 및 산업 제품에서 발견된다. 이것은 잠재적인 인간의 건강 및 환경 위험을 연구하고 평가하는 것을 어렵게 만든다.

이러한 물질은 공기, 물, 토양 및 식품뿐만 아니라 테플론 팬 코팅, 소방 폼(fire-fighting foam), 난연제 및 방수 첨가제를 포함한 다양한 제품에서 발견될 수 있다.

처리한 하·폐수를 이용한 농업 관개, 토양으로 스며드는 소화물질 등 다양한 방법으로 지하수에 도달한다. 화학적 안정성으로 인해 오랜 시간 땅속에 온전하게 남아 식수원을 광범위하게 오염시켜 결국 인간의 노출을 크게 증가시킨다.

테크니온(Technion)의 조교수인 아디 라디안(Adi Radian) 박사는 이스라엘 첨단산업을 중점 보도하는 웹사이트인 『노카멜스(NoCamels)』에게 “분명히, 이 화학물질들이 심각한 건강과 생태학적 위험을 가지고 있다는 것이 명백해졌다. 따라서, 그것들을 제거하고 파괴하는 방법을 찾는 것은 매우 중요하다”라고 말했다.

테크니온(Technion)의 토목 및 환경공학부의 토양 및 환경화학연구소의 책임자인 아디 라디안(Adi Radian) 박사는 박사 후 학생인 사맙티 쿤두(Samapti Kundu) 박사와 함께 이번 연구를 이끌었다. 그들의 발견은 『화학공학저널(Chemical Engineering Journal)』에 게재됐다.

PFAS에 노출되면 암, 심장 및 간 질환, 불임 문제, 선천적 결함, 면역 체계 손상을 포함한 많은 건강상의 위험이 발생할 수 있다. 2017년, 국제암연구기관(IARC ; International Agency for Research on Cancer)은 심하게 노출된 피험자의 신장암 및 고환과의 연관성에 대한 제한된 역학 증거를 근거로 과불화합물(PFAS)을 인간 발암 가능성 물질로 분류했다.

이 물질들은 이스라엘에서 관찰되어 왔다. 이스라엘 일간 『하레츠(Haaretz)』는 2021년 여름 이스라엘 소방구조청(Fire and Rescue Authority)이 PFAS 계열의 독성 물질 2개가 함유된 소화제 거품의 사용을 중단했다고 보도했다.

몇 달 전, 이스라엘 보건부(Health Ministry)는 하이파 만(Haifa Bay) 교외에 위치한 이 화학물질에 의해 오염된 식수원을 발견했다. 그들은 오염이 그 지역의 연료 저장 시설에서 이 내화성 거품을 사용하면서 생긴다고 추정했다. 크라요트(Krayiot) 지역의 음용수 추출은 이 높은 PFAS 농도의 발견에 따라 중단되었다.

일간 『하레츠(Haaretz)』는 현재 이스라엘에는 식수 중 PFAS의 최대 허용 농도에 대한 기준이 없지만 표준기관은 2개의 PFAS 화합물 사용 금지 및 다른 농도의 제한을 포함하여 독성 수준(toxicity levels)을 포함하는 소방용 거품에 대한 기준을 만들고 있다고 전했다.

오늘날, 이러한 물질들을 식수에서 제거하는 것은 비교적 간단하고 저렴한 흡착 기술을 통해 이루어진다. (흡착은 기체, 액체 또는 용해된 고체로부터 원자, 이온 또는 분자가 표면에 접착한다)

이 과정은 흡착제 표면에 흡착제의 막을 만든다. 이 과정은 유체(흡수액)가 흡수액(흡수액)에 의해 용해되거나 액체 또는 고체(흡수액)에 스며드는 흡수액과는 다르다.

이 방법들은 충분히 효율적이지 않고, 단지 물에서 흡착물질로 오염물질을 전달하는데, 이는 독성 흡착물질을 제거하기 위한 추가적인 정화 단계가 필요하다. 또한, 이 방법들은 선택적이지 않는다. 그것들은 또한 잠재적으로 사람의 건강에 필수적인 물질을 제거할 수 있다.

■ 발견사항(The findings)

새로운 연구는 두 가지 방법, 즉 오염물질을 특수 중합체로 분리한 다음 그것들을 제거하기 위해 고급 산화 과정을 사용할 가능성을 검토했다. 연구 결과는 적절한 계획이 광범위한 산도(pH)와 염분 아래 높은 효율성으로 이어진다는 것을 보여준다.

연구에 기술된 방법은 모든 PFAS가 동일한 단위 유체에서 발견되는 경우에도 몇 분 이내에 90%에 근접하는 효율 수준에서 7가지 유형의 PFAS를 제거하는 것을 보여준다.

아디 라디안(Adi Radian) 박사는 “우리가 제안한 플랫폼은 두 가지 이점이 있습니다. 첫째, PFAS를 제거하는 흡수제 역할을 한다. 오염된 물로부터 신속하고 효율적으로 필터가 용량에 도달하면 과산화수소를 추가하여 쉽게 재생성 할 수 있다. 이 필터는 흡착된 오염물질을 분해하고 지속적으로 사용할 수 있도록 흡착제를 새로 고친다”라고 말했다.

라디안(Radian) 박사는 특히 “흡착제가 점토, 산화철, 사이클로덱스트린(cyclodextrins)에 기반을 두고 있다는 또 다른 큰 장점은 흡착제가 점토, 산화철, 그리고 사이클로덱스트린에 기반을 두고 있다는 점이며, 이 물질들은 독성이 없고, 지속 가능한 물질들이지만 더 이상 필요하지 않으면 쉽게 폐기될 수 있다”고 말한다.

점토-철-폴리머 복합체는 표면에 PFAS를 가둔 뒤 오염물질을 무독성 물질(불화 이온, 물, 이산화탄소)로 파괴하는 산화 과정을 가속하는 역할을 한다. 이 조합은 PFAS를 효율적으로 제거하고 음용에 사용되는 물에 원치 않는 물질을 방출하지 않는다.

연구원들은 이 시스템이 가열, 자외선 복사, 음파 사용과 같은 보완적인 과정을 수행할 필요가 없게 만들고, 이것은 작업을 더 복잡하고 비싸게 만든다는 것을 보여준다.

■ 미래(The future)

라디안(Radian) 박사는 “플랫폼이 PFAS뿐만 아니라 다양한 독성 오염물질로 검증되었다”고 말한다. 이어 “우리는 내년에 기술을 발전시켜 이스라엘의 오염된 지역에서 나오는 실제 물로 시험하기를 희망한다. 이 기술이 응용되고 지속가능한 제품으로 성숙하기를 희망한다”라고 덧붙였다.

라디안 박사는 『노카멜스(NoCamels)』와의 인터뷰에서 “우리 학과에서 추구하는 것과 마찬가지로 기초과학 연구도 해당 분야에서 적용 가능한 기술의 구성 요소라고 믿는다”라면서 “산·관·학 연계를 강화하면 환경공학 분야에서 지속 가능한 혁신 기술이 보장될 것”이라고 말했다.

[원문보기]

Technion Scientists Remove ‘Forever Chemicals’ From Drinking Water
 

Researchers from the Technion - Israel Institute of Technology have developed innovative technology to remove dangerous pollutants from drinking water.

The technology efficiently removes and destroys synthetic organofluorine chemical compounds (PFAS). PFAS is a family of problematic pollutants, also known as “forever chemicals” because of their chemical stability and environmental persistence.

There are thousands of PFAS chemicals, and they are found in many different consumer, commercial, and industrial products. This makes it challenging to study and assess the potential human health and environmental risks. 

These substances can be found in air, water, soil, and food, as well as a large range of products, including Teflon pan coating, fire-fighting foam, flame retardants, and water repellent additives. 

They reach the groundwater in various ways, including agricultural irrigation using treated wastewater and fire-fighting substances seeping into the soil. As a result of their chemical stability, they remain intact in the ground for a long time, leading to extensive contamination of drinking sources, which in turn significantly increases human exposure.

“Lately, it has become clear that these chemicals are of severe health and ecological hazard - thus, finding ways to remove and destroy them is of great importance,” Dr. Adi Radian, an assistant professor at the Technion, tells NoCamels.

Dr. Radian, head of the Soil and Environmental Chemistry Lab in the Department of Civil and Environmental Engineering, headed the study with her post-doctoral student Dr. Samapti Kundu. Their findings were published in the Chemical Engineering Journal.

Exposure to PFAS can cause many health risks, including cancer, heart, and liver disease, fertility problems, birth defects, and damage to the immune system. In 2017, the International Agency for Research on Cancer (IARC) classified polyfluoroalkyl substance (PFAS), as a possible human carcinogen based in part on limited epidemiologic evidence of associations with cancers of the kidney and testis in heavily exposed subjects.

These substances have been monitored in Israel. Last summer, the Israel Fire and Rescue Authority stopped using fire retardant foam containing two toxic substances from the PFAS family out of concern that these chemicals would seep into the groundwater, Israeli daily newspaper Haaretz reported. 

A few months prior, the Health Ministry had discovered a drinking water source that had been polluted by these chemicals located in the Haifa Bay suburbs. They assumed that the pollution comes from the use of this fire-retardant foam at a fuel storage facility in the area. The extraction of potable water in the Krayiot region was stopped following the discovery of this high PFAS concentration.

Haaretz reported that there are currently no standards in Israel for the maximum allowable concentration of PFAS in drinking water, but that the Standards Institution is formulating a standard for firefighting foam that will also include toxicity levels, including a ban on the use of two PFAS compounds and a restriction on the concentration of another.

In the present day, the removal of these substances from drinking water happens through relatively simple and inexpensive adsorption techniques. (Adsorption is the adhesion of atoms, ions or molecules from a gas, liquid or dissolved solid to a surface.

 This process creates a film of the adsorbate on the surface of the adsorbent. This process differs from absorption, in which a fluid - the absorbate - is dissolved by or permeates a liquid or solid - the absorbent). 

These methods are not sufficiently efficient and only transfer the pollutants from the water to the adsorbent material - which requires additional purification steps to get rid of the toxic adsorbed substances. Also, these methods are not selective. They can also potentially remove substances that are essential to a person’s health.

The findings

The new research examined the possibility of combining the two methods - separating the pollutants with special polymers and then using advanced oxidation processes to eliminate them. The findings indicate that proper planning leads to high efficiency under a wide range of acidity (pH) and salinity.

The method depicted in the study shows the removal of seven types of PFAS - even when all of them are found in the same unit of fluid - at a level of efficiency that approaches 90 percent, and it does so within a few minutes.

“Our proposed platform has two benefits,” Dr. Radian explains, “First, it acts as a sorbent - removing PFAS

rapidly and efficiently from source contaminated waters. Once the filter has reached capacity, we can regenerate it easily by adding hydrogen peroxide, which breaks down the adsorbed contaminants and refreshes the sorbent for continuous use.”

Another great advantage of the method, Dr. Radian says, is that adsorbent material is based on clay, iron oxides, and cyclodextrins - all non-toxic, sustainable materials that can be easily disposed of once they are no longer needed.

The clay-iron-polymer composites act as accelerators that confine the PFAS on the surface and then accelerate the oxidation process that destroys the pollutants into non-toxic substances (fluoride ions, water, and carbon dioxide). This combination efficiently removes the PFAS and does not release unwanted substances in water used for drinking.

The researchers show that this system makes it unnecessary to carry out complementary processes such as heating, UV radiation, and using sound waves, which make the task more complicated and more expensive.

The future

Dr. Radian says that the platform has been validated with a variety of toxic pollutants, not just PFAS. “We are hoping to upscale the technology in the coming year and test it with real water from contaminated sites in Israel. I am hopeful that this technology will mature into an applied, sustainable product.”

“I believe that basic scientific and engineering studies, like what is pursued in our department, are the building blocks for applicable technologies in the field,” Dr. Radian tells NoCamels, “Strengthening the ties between industry, government, and academia will ensure sustainable innovative technologies in the field of environmental engineering.”

[출처=테크니온-이스라엘공과대학교(Removing Pollutants from Water (technion.ac.il)) / 2022년 1월 13일자 보도자료]