[미국] 물에서 PFAS 흡수하는 재사용 가능한 스펀지 개발

애리조나 대학·노던 애리조나 대학의 연구원 팀, 식수에서 PFAS 제거하는 재생 가능한 방법 연구

PFAS는 수십 년 동안 소방용 폼, 화장품 및 비점착 팬과 같은 제품에 사용되어 왔다.  [사진제공 = UArizona]

 

애리조나 대학교(University of Arizona, UArizona)와 노던 애리조나 대학교(Northern Arizona University) 연구진은 물에서 PFAS로 알려진 화학 물질 그룹을 제거하기 위해 재사용 가능한 특수 스펀지를 개발하고 있다고 밝혔다. 비키 카라니콜라(Vicky Karanikola) 화학환경공학과 조교수가 이끄는 연구팀은 애리조나주 리젠트 이사회로부터 148만7천 달러를 받았고, UArizona는 124만 달러를 할당받았다.

PFAS는 퍼플루오로알킬(perfluoroalkyl) 및 폴리플루오로알킬(polyfluoroalkyl) 물질의 약자(abbreviation)로, 물, 열 및 그리스(grease)에 내성이 있는 오래 지속되는 제조 화학물질이다. 이 물질은 화장품, 식품 포장, 붙지 않는 팬, 비옷, 카펫 및 소방용 폼과 같은 제품에 수십 년 동안 사용되어 왔다. 그러나 PFAS에 대한 노출이 출산율 감소, 어린이의 발달 지연 및 일부 암 위험 증가와 같이 인간의 건강상에 영향을 미친다는 것이 밝혀졌다.

왼쪽부터 화학공학 대학원생인 UA리조나의 연구원 카메론 말로이(Cameron Malloy), 화학환경공학 조교수인 수콜 사바가트럽(Sucol Savagatrup), 화학환경공학 조교수인 비키 카라니콜라(Vicky Karanikola), 생물시스템공학 대학원생 잭 웰허트(Jack Welchert)가 있다. [사진제공 = UArizona(에밀리 디크만)]

 

PFAS의 내구성(많은 용도에 유용한 품질과 동일)은 우리의 환경에서 PFAS를 제거하는 것이 매우 어렵다는 것을 의미하며, 이 화학 물질은 투손(Tucson)을 포함한 전 세계 지역의 수원으로 확산됐다. PFAS의 제거는 현재 진행중이다. 예를 들어, 센트럴 투싼 PFAS 프로젝트(Central Tucson PFAS Project)는 데이비스-몬탄(Davis-Monthan) 공군기지 인근 지하수의 PFAS 오염을 제거하기 위해 2022년 초에 시작됐다.

로버트 C. 로빈스(Robert C. Robbins) 애리조나 대학 총장은 “PFAS 오염은 애리조나와 그 외 지역에서 중요한 문제이며, 조기 교수진으로 구성된 이 연구팀이 이러한 노력을 주도하고 있다는 것이 매우 자랑스럽다”라며, "이 연구팀은 PFAS 감지 및 제거를 위한 보다 지속가능한 방법을 개발함으로써 애리조나 주변 지역사회에서 물을 더 안전하게 만드는 것을 목표로 하고 있다"라고 말했다.

이 백만 달러짜리 노력의 첫 번째 단계는 상점에서 기성품을 구입하는 것이다.

독소 정화 스틱 앤 언스틱 만들기(Making toxin cleanup stick and unstick)

많은 스펀지는 식물에서 발견되는 풍부한 유기 화합물인 셀룰로오스로 만들어지며, 종이와 직물과 같은 재료를 만드는 데 사용된다. 물에서 PFAS를 끌어내기 위해 연구진은 PFAS를 흡착할 수 있는 재료 또는 보다 간단하게 PFAS가 부착할 수 있는 재료를 사용해야 한다. 이 부분은 PFAS가 셀룰로오스를 비롯한 많은 물질에 자연스럽게 달라붙기 때문에 쉽다. 연구팀은 PFAS가 유리에 달라붙기 때문에 모든 실험에 폴리프로필렌 용기를 사용해야만 한다.

단순한 셀룰로오스 스펀지는 최적의 기공 크기 및 밀도와 같은 요인의 초기 연구에 좋은 반면, PFAS 제거를 위해 개발 중인 스펀지는 훨씬 더 복잡하다. 이 스펀지는 PFAS로 오염된 물을 흡수한 다음 PFAS가 고착된 상태로 있는 동안 깨끗한 물을 짜낼 것이다. 그런 다음, 추출 용액이 스펀지에서 PFAS를 제거하여 다시 사용할 수 있도록 한다.

물에서 PFAS를 제거하는 일반적인 방법 중 하나는 PFAS가 잘 달라붙는 또 다른 물질인 과립 활성탄(GAC)을 사용하는 것이다. 하지만 접착을 해제하는 데 있어 문제가 있다. GAC에서 PFAS를 제거하여 탄소재료를 다른 제거 단계에 재사용할 수 있도록 하는 것은 비용이 많이 들고 어렵다.

카라니콜라 교수는 "GAC에서 방출하는 데 필요한 에너지의 양은 엄청나다"라며, "이 프로젝트의 혁신은 우리가 재생 가능한 방법에 초점을 맞추고 있다는 것입니다. 우리는 무언가를 한 번만 사용하고 버리는 장벽을 깨고 싶다. 우리는 유지할 만큼만 흡수할 수 있는 최적의 지점을 찾으려고 노력하고 있지만 PFAS를 통제된 환경으로 방출하는 데 최소한의 에너지가 필요하다"고 설명했다.

연구진은 식수에서 독소를 제거하기 위한 방법으로 이 사진의 작은 스폰지처럼 셀룰로오스 스폰지의 다양한 변형들을 시험하고 있다.  [사진제공 = UArizona(에밀리 디크만)]

큰 문제에 대한 경제적 접근(An economical approach to a big problem)

과학자들은 종종 한 번에 하나의 오염 물질을 분리하여 제거하는 것을 시험한다. 하지만 연구실 밖에서는 그렇게 간단하지 않다. 때때로 "영원한 오염 물질"이라고 불리는 수천 개의 PFAS가 있으며, 산업은 더욱 발전하고 있다. 환경보호청이 탄소가 6개 이상인 장쇄 PFAS의 두 가지 유형을 규제하기 시작했을 때 업계는 단쇄 PFAS를 개발하여 대응했다. 일부 사람들은 단쇄 PFAS가 더 짧은 시간 동안 신체에 지속될 수 있다고 추측하지만 건강에 미치는 영향에 대해서는 알려진 바가 거의 없다.

물에서 PFAS 혼합물을 제거하려면 먼저 어떤 유형이 존재하는지 감지해야 한다. 수콜 사바가트럽(Suchol Savagatrup) 프로젝트 공동 연구원이자 화학환경공학 조교수는 많은 종류의 PFAS의 존재를 선택적으로 감지하는 전기화학 센서를 개발하고 있다.

카라니콜라 교수는의 스폰지 제거 프로세스와 마찬가지로 사바가트럽 교수의 감지 방법은 매우 특정한 분자를 끌어당기는 얇은 다공성 물질을 포함한다. 

사바가트럽 "각 구멍은 기본적으로 PFAS 분자를 먼저 넣어 만든다"라며, "그런 다음 분자를 제거하면 구멍의 얇은 층이 생기고 각 구멍은 PFAS가 들어 오도록 특별히 만들어진다. 이것은 선택적인 층이므로, 많은 화학적 간섭이 있는 지하수에 넣으면, 센서는 PFAS 분자만 포착한다"고 설명했다.

마크 브루소(Mark Brusseau) 공동 연구원 UArizona 환경과학과 교수와 PFAS 전문가인 카라니콜라 교수에 따르면 오염 물질의 행동을 예측하는 수학적 모델을 개발하는 데 수년을 보냈다. 그는 실제 환경에서 잘 작동하는 센서와 스펀지의 개발을 안내하는 모델을 만들고 있다. 재니 잉그램(Jani Ingram) 노던 애리조나 대학의 화학 및 생화학 리전트 교수이자 공동 연구원은 특히 나바호족 국가(Navajo Nation)와 관련하여 수질 평가 및 공중 보건 영향에 대한 전문 지식을 제공하고 있다.

그 연구팀은 애리조나의 세 곳(피마 카운티, 코코니노 카운티 및 나바호 네이션 위치)의 물을 사용하여 그 방법을 테스트할 것이다. Tucson은 정교한 하수 재이용 시스템과 물 지속가능성과 관련된 기술을 개발하는 UArizona 물 에너지 지속 가능 기술 센터(UArizona Water & Energy Sustainable Technology Center) 또는 WEST 센터(WEST Center)와 같은 자원을 잘 갖추고 있다. 그러나 그 팀은 이 문제와 지역사회에 미치는 영향을 더 큰 규모로 살펴보고자 한다.

카라니콜라 교수는 "경제적 감지 및 처리와 모델링과 결합하여 지속적인 개선을 가능하게 하는 전체론적 접근 방식이다"라며, "애리조나 전체, 특히 Tucson과 피마 카운티에서 우리는 의미 있는 일을 하고 이것을 알아내기 위해 정말로 앞장서고 있다"라고 전했다.

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$1.4M effort develops reusable sponges to soak up harmful chemicals from water

A team of researchers from the University of Arizona and Northern Arizona University is creating a regenerable method for removing stubborn toxins from drinking water – starting with store-bought sponges.

University of Arizona and Northern Arizona University researchers are developing specialized, reusable sponges to remove a group of chemicals known as PFAS from water. The team, led by chemical and environmental engineering assistant professor Vicky Karanikola, has received $1.487 million from the Arizona Board of Regents, with $1.24 million allocated to UArizona.

PFAS is an abbreviation for perfluoroalkyl and polyfluoroalkyl substances, which are long-lasting manufactured chemicals that are resistant to water, heat and grease. They have been used for decades in products such as makeup, food packaging, nonstick pans, raincoats, carpeting and firefighting foam. But scientists now know exposure to PFAS can be harmful to humans and animals. Health effects include decreased fertility, developmental delays in children and increased risk of some forms of cancer.

The durability of PFAS – the same quality that makes them useful for many applications – means it is very difficult to remove them from the environment, and the chemicals have spread into water sources in areas throughout the world, including Tucson. Removal is an ongoing process. For instance, in a separate effort, the Central Tucson PFAS Project was launched in early 2022 to remove PFAS pollution from groundwater near Davis-Monthan Air Force Base.

"PFAS contamination is a critical issue in Arizona and beyond, and we are so proud that this team, largely made up of early-career faculty members, is leading this effort," said University of Arizona President Robert C. Robbins. "By creating a more sustainable method for PFAS detection and removal, this team aims to make water safer for communities around Arizona."

The first step in this million-dollar effort: Buy off-the-shelf materials from the store.

Making toxin cleanup stick and unstick

Many sponges are made of cellulose, an abundant organic compound found in plants and used to make materials such as paper and textiles. To draw PFAS out of water, engineers need to use a material that can adsorb PFAS – or, more simply, a material that PFAS will stick to. This part is easy, as PFAS stick to many materials, including cellulose, naturally. The team even has to use polypropylene containers for all of its experiments because PFAS stick to glass.

While simple cellulose sponges are good for initial study of factors such as optimal pore size and density, sponges being developed for removal of PFAS are far more complex. They will soak up PFAS-contaminated water, then squeeze out clean water while the PFAS stay stuck. Then, an extraction solution will remove the PFAS from the sponges so they can be used again.

One common method for removing PFAS from water uses granulated activated carbon, or GAC, another material to which PFAS stick quite well. A little too well, in fact. The tricky part is the unsticking. Getting the PFAS off the GAC so the carbon materials can be reused for another round of removal is expensive and difficult.

"The amount of energy you need to release them from GAC is huge," Karanikola said. "The innovation of this project is that we're focusing on a regenerable method: We want to break that barrier of just using something once and throwing it away. We are trying to find the sweet spot for absorbing it just enough to hold, but that will take the minimum amount of energy to release the PFAS into a controlled environment."

An economical approach to a big problem

Scientists often isolate and test removal of one contaminant at a time. Outside of the lab, things aren't that simple. There are thousands of PFAS, sometimes called "forever pollutants," and industry is developing more. When the Environmental Protection Agency began regulating two types of long-chain PFAS, which have more than six carbons, industry responded by developing short-chain PFAS. While some speculate that short-chain PFAS may persist in the body for a shorter time, little is known about their effects on health.

To remove a cocktail of PFAS from water, researchers first must detect what types are present. Suchol Savagatrup, project co-investigator and assistant professor of chemical and environmental engineering, is developing electrochemical sensors to selectively detect the presence of many kinds of PFAS.

Like Karanikola's sponge removal process, Savagatrup's sensing method incorporates a thin layer of porous material that attracts very specific molecules. It's like a high-tech version of the game where children match different-shaped pegs to the correct holes.

"Each pore is made essentially by putting molecules of PFAS in there first," Savagatrup explained. "Then, when we remove the molecules, we have a thin layer of holes, and each hole is made specifically for PFAS to come in. It's a selective layer, so if we put it in groundwater that has a bunch of chemical interferences in it, the sensor only picks up the PFAS molecules."

Co-investigator Mark Brusseau, a UArizona professor of environmental science and – according to Karanikola – a "PFAS guru," has spent years developing mathematical models to predict the behaviors of contaminants. He is creating models to guide the development of sensors and sponges that work well in real-world environments. Co-investigator Jani Ingram, a Regents Professor of chemistry and biochemistry at Northern Arizona University, is providing expertise on water quality assessment and public health impacts, particularly with regard to the Navajo Nation.

The team will put its methods to the test with water from three sources in Arizona: Pima County, Coconino County and locations on the Navajo Nation. Tucson is well equipped with resources like sophisticated wastewater reclamation systems and the UArizona Water & Energy Sustainable Technology Center, or WEST Center, which develops technologies related to water sustainability. But the team wants to look at the problem, and its impact on communities, on a larger scale.

"It's a holistic approach that combines economical detection and treatment with modeling to allow for continuous improvement," Karanikola said. "In Arizona overall, and especially Tucson and Pima County, we are really on the forefront of trying to do something meaningful and trying to figure this out."

[출처 = University of Arizona(https://news.arizona.edu/story/14m-effort-develops-reusable-sponges-soak-harmful-chemicals-water) /2022년 8월 17일]