미국의 오하이오주립대학(Ohio State University)의 연구원들의 새로운 연구에 따르면, 초음파(ultrasound)가 지하수에 오염된 물질들을 제거하기 위해 PFAS(과불화합물, Per- and polyfluoroalkyl substances)라고 알려진 유해한 화학물질 그룹을 처리하는 잠재력을 가지고 있을 수 있다고 시사한다.

거의 100년(1세기) 전에 발명된 PFAS(과불화합물)는 ‘영원한 화학물질(forever chemicals)’로 알려져 있으며, 한때 조리기구, 방수 의류 및 개인 생활용품과 같은 제품을 만드는 데 널리 사용되었다.

오늘날, 과학자들은 PFAS에 노출되면 선천적 장애와 암과 같은 인간의 건강 문제가 발생할 수 있다는 것을 알고 있다. 그러나 이러한 화학물질들 안에 있는 결합들이 쉽게 분해되지 않기 때문에 환경에서 제거하기가 매우 어렵다.

이러한 어려움으로 인해 오하이오주립대학의 연구자들은 소리를 사용하여 물질을 구성하는 분자를 분해하여 물질을 분해하는 과정인 초음파 분해가 이러한 화학물질의 다양한 유형과 농도에 대해 어떻게 작용할 수 있는지 연구하게 되었다.

3가지 다른 크기의 플루오로텔로머 설포네이트 화합물(fluorotelomer sulfonates, 소방용 폼에서 일반적으로 발견되는 PFAS 화합물)을 함유하는 실험실에서 제조된 혼합물에 대한 실험을 수행함으로써, 그들의 결과는 3시간의 기간에 걸쳐 더 작은 화합물이 더 큰 화합물보다 훨씬 더 빨리 분해된다는 것을 보여주었다. 이는 더 작은 PFAS가 실제로 처리하기에 더 어려운 다른 많은 PFAS 처리 방법과 대조적이다.

이번 연구의 공동 저자이자 오하이오 주립대학교 토목·환경 및 측지공학과 교수인 린다 위버스(Linda Weavers) 박사는 “우리는 까다로운 작은 화합물을 더 큰 화합물보다 더 효과적으로 처리할 수 있다는 것을 보여주었다”라면서 “이것이 바로 이 기술이 잠재적으로 정말 가치 있는 이유이다”라고 말했다.

이 연구는 『물리화학 저널A(The Journal of Physical Chemistry A)』 7월호에 실렸다.

이 논문은 독성 PFAS 화학물질을 제거하기 위해 초음파가 어떻게 사용될 수 있는지 조사하기 위한 몇 가지 연구 중 하나로, 동일한 기술이 도시 수돗물과 하·폐수에서도 의약품을 분해할 수 있다는 위버스 교수의 이전 연구를 확장한 것이다.

위버스 교수는 “PFAS 화합물은 우리가 환경공학에서 사용하는 다른 제거하기 어려운 화합물의 파괴 기술들 중 많은 것들이 그들에게 효과적이지 않기 때문에 독특하다”며 “따라서 우리는 어떤 것이 다른 응용 분야에서 유용한지를 알아내기 위해 여러 가지 기술을 개발할 필요가 있다”고 강조했다.

위버스 교수는 이어 “PFAS를 산화 화학물질과 반응시켜 분해하려는 다른 전통적인 파괴방법과 달리 초음파는 일반적으로 의료 영상에 사용되는 것보다 훨씬 낮은 주파수로 소리를 방출하여 이러한 물질을 정화한다”라면서 “초음파의 낮은 압력파는 용액을 압축하고 잡아당겨서 ‘캐비테이션 기포(cavitation bubble)’라고 불리는 증기 주머니를 생성한다”고 덧붙였다.

위버스 교수는 또한 “거품들이 무너지면서, 그것들은 너무 많은 추진력과 에너지를 얻어 그것이 압축하고 과압축하여, 거품을 가열한다”고 말했다.

강력한 연소실과 마찬가지로 이러한 작은 기포 내부의 온도는 최대 1만 켈빈(Kelvin)에 이를 수 있으며, PFAS가 구성하는 안정적인 탄소(C)-불소(F) 결합을 분해하고 부산물을 본질적으로 무해하게 만든다.

“불행하게도, 이 열화 방법(degradation method)은 비용이 많이 들고 에너지 집약적일 수 있지만, 다른 선택지가 거의 없는 상황에서 식수와 기타 용도를 위한 지하수를 보호하기 위해 대중이 투자를 고려해야 할 것”이라고 위버스 교수는 말했다.

제조산업에서 PFAS 사용이 멀어지고 있는 가운데 규제기관들은 이를 피하는 방법에 대한 대중의 인식을 높이기 위해 노력하고 있다. 올해 초 미국 환경보호청(EPA)은 공공 수도시스템에서 특정 PFAS에 대해 모니터링하고 일정 한도를 초과하면 이를 대중에게 알리고 감축 조치를 취하도록 하는 ‘국가 1차 식수 규제(National Primary Drinking Water Regulation, NPDWR)’를 제안했다.

초음파가 용액으로부터 PFAS를 세척하는 데 매우 효과적이기 때문에, 이 연구는 과학자들과 정부기관들이 향후 처리 기술 개발과 다른 복합 처리 접근법에 초음파를 사용하는 것을 고려해야 한다고 결론지었다.

비록 린다 위버스(Linda Weavers) 교수의 연구는 더 큰 오염방지 노력을 지원하기 위해 확장될 준비가 되지 않았지만, 이 연구는 그들의 연구가 가정 내에서 공공용으로 사용할 수 있는 작고 고에너지의 정수장치를 만드는 첫걸음이 될 수 있다고 지적한다.

위버스 교수는 “우리의 연구는 어떻게 더 큰 것으로 확장할 수 있는지, 그리고 그것을 작동시키기 위해 무엇이 필요한지에 대해 생각해보는 것을 중심으로 진행된다”라면서 “이러한 화합물들은 어디에서나 볼 수 있기 때문에, 우리가 그것들에 대해 더 많이 알게 될 때, 그것들이 어떻게 분해되고 분해되는지를 이해하는 것은 과학을 발전시키기 위해 중요하다”고 역설했다.

이번 연구논문의 다른 공동저자들로는 오하이오주의 윌리엄 페이건(William P. Fagan)과 섀넌 R. 테이어(Shannon R. Thayer) 등이 있다.

[원문보기]

Ultrasound may rid groundwater of toxic ‘forever chemicals’

New research suggests that ultrasound may have potential in treating a group of harmful chemicals known as PFAS to eliminate them from contaminated groundwater.

Invented nearly a century ago, per- and poly-fluoroalkyl substances, also known as “forever chemicals,” were once widely used to create products such as cookware, waterproof clothing and personal care items. 

Today, scientists understand that exposure to PFAS can cause a number of human health issues such as birth defects and cancer. But because the bonds inside these chemicals don’t break down easily, they’re notoriously difficult to remove from the environment.

Such difficulties have led researchers at The Ohio State University to study how ultrasonic degradation, a process that uses sound to degrade substances by cleaving apart the molecules that make them up, might work against different types and  concentrations of these chemicals.

By conducting experiments on lab-made mixtures containing three differently sized compounds of fluorotelomer sulfonates - PFAS compounds typically found in firefighting foams - their results showed that over a period of three hours, the smaller compounds degraded much faster than the larger ones. This is in contrast to many other PFAS treatment methods in which smaller PFAS are actually more challenging to treat.

“We showed that the challenging smaller compounds can be treated, and more effectively than the larger compounds,” said co-author of the study Linda Weavers, a professor of civil, environmental and geodetic engineering at The Ohio State University. “That’s what makes this technology potentially really valuable.”Linda Weavers

The research was published in The Journal of Physical Chemistry A.

One of only a few studies to probe into how ultrasound might be used to rid our surroundings of toxic PFAS chemicals, this paper is an extension of previous research of Weavers’ that determined that the same technology could also degrade pharmaceuticals in municipal tap and wastewater.

“PFAS compounds are unique because many of the destruction technologies that we use in environmental engineering for other hard-to-remove compounds don’t work for them,” Weavers said. “So we really need to be developing an array of technologies to figure out which ones might be useful in different applications.”

Unlike other traditional destruction methods that attempt to break down PFAS by reacting them with oxidizing chemicals, ultrasound works to purify these substances by emitting sound at a frequency much lower than typically used for medical imaging, said Weavers. Ultrasound’s low-pitched pressure wave compresses and pulls apart the solution, which then creates pockets of vapor called cavitation bubbles.

“As the bubbles collapse, they gain so much momentum and energy that it compresses and over-compresses, heating up the bubble,” said Weavers.

Much like powerful combustion chambers, the temperatures inside these tiny bubbles can reach up to 10,000 Kelvin, and it’s this heat that breaks down the stable carbon-fluorine bonds that PFAS are made of and renders the byproducts essentially harmless. 

Unfortunately, this degradation method can be costly and extremely energy intensive, but with few other options, it may be something the public needs to consider investing in to protect groundwater for drinking and other uses, said Weavers.

While manufacturing industries are starting to move away from making use of PFAS, regulatory agencies are working to heighten public awareness about how to avoid them. Earlier this year, the U.S Environmental Protection Agency proposed the National Primary Drinking Water Regulation (NPDWR), which would require public water systems to monitor for certain PFAS, notify the public of these levels and take measures to reduce them if they’re over a certain limit.

Because ultrasound is so effective at cleaning PFAS from solutions, the study concludes that scientists and government agencies should consider using it in future treatment technology development as well as along with other combined-treatment approaches.

Though Weavers’ research is not ready to be scaled up to aid in larger anti-contamination efforts, the study does note that their work could be the opening move toward creating small, high-energy water filtration devices for public use inside the home.

“Our research revolves around trying to think about how you scale to something bigger and what you need to make it work,” said Weavers. “These compounds are found everywhere, so as we learn more about them, understanding how they can degrade and break down is important for furthering the science.”

Other co-authors are William P. Fagan and Shannon R. Thayer, both of Ohio State.

[출처=오하이오주립대학(Ohio State University)(https://news.osu.edu/ultrasound-may-rid-groundwater-of-toxic-forever-chemicals/) / 2023년 9월 28일]

[연구논문출처=『물리화학 저널A(The Journal of Physical Chemistry A)』https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpca.3c03011)]

[번역 = 배철민 편집국장 겸 글로벌물산업정보센터장]