광운대학교 장민 교수 연구팀, ‘영원한 화학물질’ PFAS 제거를 위한 플라즈마 촉매 시스템 개발

광운대학교 환경공학과 장민 교수[교신저자, 플라즈마바이오센터(PBRC) 부소장, 환경나노기술연구실] 연구팀은 종초은 연구교수 (제1저자), 임준섭 박사, 홍영준 연구교수, 이건준 교수, 최은하 교수(PBRC 소장)와 함께 플라즈마-촉매 공정을 통해 과불화옥탄산(PFOA)을 효과적으로 제거할 수 있는 수화전자(aqueous electron) 및 하이드록실 라디칼(·OH)을 효과적으로 생산한다는 것을 발견하였다.

PFOA는 과불화화합물(per- and polyfluoroalkyl substances, PFAS)의 일종으로 코팅제, 계면활성제, 난연제 생산에 널리 사용되며 발암물질로 분류되어 인체에 면역 및 신경독성을 줄 수 있으며, 미국과 우리나라에서 현재 매우 강력한 규제법안을 마련하고 있다. PFAS는 여러 개의 탄소와 불소가 강하게 결합, 쉽게 분해되지 않아 영원한 화학물질로 불리고 있다.

PFOA는 C-F 결합에너지가 높아 매우 안정적이어서 기존의 산화처리 기술로는 제거가 거의 불가능하다. 수처리 기술 중에서 플라즈마 기술은 유기화합물 분해와 살균을 위한 유망 기술로 널리 연구되어 왔으며, 아르곤-플라즈마-제트(Ar-Plasma Jet) 시스템의 방전 중에 UV 또는 가시광선(VIS) 범위의 빛, 고 에너지 전자 및 반응종 등은 동시에 생성될 수 있다. 플라즈마 방전시 발생하는 UV~VIS 빛은 광촉매를 활성화하여 보다 강력한 반응성 산소종과 수화전자를 생성할 수 있으며, 이는 보다 높은 PFOA 제거 효율로 이어질 수 있다는 가설을 수립하였다.

본 연구에서는 수화전자 생성을 높이기 위해 이종접합 광촉매인 CeO2/Bi2O3의 산소결손(oxygen vacancy) 농도를 변경함으로써 아르곤-플라즈마 시스템과 광촉매 사이의 시너지효과(synergy effect)를 연구했으며, DFT 계산 결과와 촉매 분석결과를 통해서, Bi/Ce0.43 이종접합 촉매의 경계에서 전기장의 형성으로 전자가 Bi2O3에서 CeO2 방향으로 이동이 향상되고 동시에 수화전자 생성이 촉진됨을 밝혔다.

아르곤-플라즈마-제트-촉매 시스템 (0.1488 min-1, EEO = 0.43 kW mg-1)는 아르곤-플라즈마-제트 시스템(0.0261 min-1, EEO = 1.57 kW mg-1)보다 6배 빠른 PFOA 제거속도와 4배 높은 에너지 소비효율을 보였으며, 세계적인 타 기술에 비해 월등한 PFAS 수처리 효율을 보여, 장민 교수 연구팀은 국내 및 전세계 수처리 시장에 내놓을 수 있는 스케일-업 및 시제품 개발 연구에 매진하고 있다.

본 연구는 한국연구재단의 지원지원사업 (2021R1A6A1A03038785)으로 수행되었고, 연구결과는 과학전문지 Applied Catalysis B: Environmental (IF: 22.1, JCR ranking 0.9%) 2023년 10월 19일자 온라인 판에 “Understanding the synergistic effect of hydrated electron generation from argon plasma catalysis over Bi2O3/CeO2 for perfluorooctanoic acid dehalogenation: Mechanism and DFT study”의 제목으로 게재되었다.

플라즈마 촉매 시스템을 사용한 PFOA 제거를 위한 수화전자 및 하이드록실 라디칼 생성 DFT 개략도

온라인 중앙일보