영원한 줄 알았던 과불화화합물, 분해방법 찾았다! : KISTI의 과학향기

물건이 제 기능을 하려면 때때로 ‘코팅’이 필요하다. 원치 않는 물질의 침입을 막기 위해 겉면을 얇은 막으로 덮는 작업이다. 예컨대 방수의류·종이컵·소방용품은 물을, 프라이팬은 기름을 차단하기 위해 코팅되는데 이때 코팅제로 널리 쓰이는 물질이 바로 ‘과불화화합물(PFAS)’이다.

과불화화합물은 과불화옥탄산(PFOA), 과불화옥탄술폰산(PFOS) 등을 포함하는 인공 화학물질 군으로, 지난 1947년 미국의 다국적 제조기업 3M이 처음 생산했다. ‘소수성’과 ‘소유성’을 띠는 특성을 지녀 물과 기름 모두와 결합하지 않기 때문에 화장품·반도체·살충제·페인트·포장재 등 다양한 산업 분야에 활용돼 왔다.

그림 1. 과불화화합물은 물과 기름에 오염되는 것을 막아주기 때문에 프라이팬이나 냄비 등의 코팅에 사용된다. (출처: shutterstock)

또 과불화화합물은 매우 안정적이다. 주성분인 탄소(C)와 불소(F)의 결합이 강력해 분해하려면 높게는 1000℃의 고온과 고압에서 소각해야 한다. 소각할 때 일부가 대기 중으로 방출되므로 사실 완벽히 분해되는 것도 아니다. 과불화화합물이 ‘영원한 화학물질(forever chemicals)’로 불리는 이유가 여기에 있다.

이런 안정성은 과불화화합물의 유용성을 퇴색시킨다. 자연 분해되지 않아 자연에 장기간 머물면서 생물체에 축적되는데, 사람의 몸에 쌓이면 암이나 생식기능 저하를 일으키기 때문이다. 미국 질병통제예방센터(CDC)에 따르면 사람의 체내에서 PFOA와 PFOS의 반감기(양이 절반이 되는 데 걸리는 시간)는 3.5~4년으로 체류 시간도 길다. 환경과 건강을 위해 과불화화합물을 ‘퇴치’하는 것 외에 다른 방법은 없을까?

그림 2. 과불화화합물이 인체에 미치는 영향. 쉽게 분해되지 않아 오랫동안 축적되며 각종 질환을 일으킨다. (출처: 환경운동연합)

과불화화합물의 약점 발견
일부 선진국에서는 사용을 규제·금지하는 법규를 제정하거나 이를 대체할 친환경 화학물질을 개발하는 데 초점을 맞춰왔다. 그런데 최근 과불화화합물을 상대적으로 낮은 온도에서 분해했다는 연구가 발표돼 눈길을 끌고 있다.

미국 노스웨스턴대 연구팀은 지난 8월 18일 PFAS를 일반적인 용매로 분해했다는 연구 결과를 국제학술지 ‘사이언스’에 발표했다. 연구팀은 PFAS 내 탄소-불소 결합을 끊는 대신 아킬레스건을 찔러 전체를 무너뜨리는 방법을 택했다. PFAS의 결합 사슬 한쪽 끝에 달린, 전하를 띈 산소 원자 그룹을 먼저 공략한 것이다. 연구팀은 PFAS를 유기성 액체 용매인 디메틸설폭사이드(DMSO)에, 비누에 포함된 성분인 수산화나트륨을 첨가해 80~120℃ 온도로 가열했다.

그림 3. PFAS의 구조. PFAS는 불소(F)와 탄소(C)가 강하게 결합된 구조다. 연구팀은 이 강한 결합 대신 산소 원자를 공략해 분해하는 방법을 개발했다. (출처: 3M)

그 결과 산소 원자 그룹이 떨어져 나가면서 결합 사슬에서 불소가 이탈하기 시작했고, PFAS가 상대적으로 무해한 물질인 탄소와 무기불화물로 분해됐다. 연구팀은 이 방법을 이용해 총 10종의 과물화화합물을 분해하는 데 성공했다. 연구팀은 “지금까지 PFAS를 분해하려면 최대 400℃가 넘는 고온에서 소각하거나 전기화학적 분해, 초음파 처리 등 복잡한 방법을 활용해야 했는데, 이 방법을 통해 까다롭지 않은 조건과 평범한 시약으로 분해했다”라고 설명했다.

아직 1만1990종 남았다
과불화화합물의 약점이 발견된 건 반갑지만, 아직 갈 길이 멀다. 미국환경보호청(EPA)이 확인한 PFAS의 종류만 1만2000종이 넘기 때문이다. 연구팀이 분리한 것은 이중 0.08% 정도밖에 되지 않는다. 또한 폐기물 처리에서 DMSO를 용매로 사용하는 것이 실용적이지 않다는 지적도 있다. DMSO 자체도 하수구에 버릴 수 없어 처리 비용이 만만치 않다는 게 근거다.

하지만 연구팀은 벅찬 작업이지만 희망적이라고 전했다. 연구에 참여한 윌리엄 디첼 노스웨스턴대 화학과 교수는 "이번에 확인한 ‘아킬레스건’을 지니고 있지 않은 PFAS도 있겠지만, 그들도 고유의 약점이 있을 것"이라며 “약점을 식별할 수 있다면 그 물질의 분해를 활성화하는 방법도 알 수 있다”라고 말했다. 연구팀은 향후 식수에 포함된 PFAS를 여과하면서 분해하는 연구를 진행할 예정이다.

한편 영국 왕립화학회 소속이자 화학 정책 담당자인 카밀리아 알렉산더-화이트 박사는 BBC와의 인터뷰에서 “저비용으로 PFAS를 분해할 수 있다면 돌파구가 될 수 있다”라고 연구를 좋게 평가하면서도 “규제 당국과 제조업체가 함께 PFAS 사용 중단을 위해 노력해야 한다“라고 지적했다. 과불화화합물 분해법을 찾는 것 이전에 소비 자체를 줄이는 것이 환경과 건강을 지키는 더 빠른 길이라는 걸 명심하라는 뜻이다.

글: 김우현 과학칼럼니스트/ 일러스트: 유진성 작가

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