초음파 분해 기술로 "영원한 화학물질" PFAS를 잡다

FUST Lab. 황보선애 부대표 인터뷰 (3)

지난 인터뷰에서 집속형 초음파를 사용한 분산 유화 기술의 발견을 다루었고, 이번에는 우연한 계기로 집속형 초음파로 물질을 "분해"할 수 있는 혁신적인 가능성을 발견하고 난분해성 독성 물질인 PFAS, PFOS 등 과불화화합물 제거 기술을 개발한 이야기입니다.

밀려드는 시험의뢰로 정신없던 황보 선애 연구원에게 또 하나의 도전이 찾아오게 됩니다. 수 많은 기업들의 의뢰를 실험하던 와중에 초음파 디퓨져 업체로부터 향기 원액을 좀 더 오에래 유지하게 하는 방법으로, 향기 원액(에센스 오일)을 물에 섞어달라는 의뢰를 받게 되었습니다. 그리고 예전 TiO2(이산화티타늄)의 입자를 측정하는 실험이 그러했듯이, 이번 실험도 뜻대로 되지 않았습니다.

에너지의 언어를 해독하다: PFAS 분해의 실마리

"수많은 다른 여느 실험들처럼, 똑같이 향기 물질과 물을 섞어서 초음파로 에너지를 쳤고, 예상대로라면 실험 조건/가혹 가속 조건에서 더 오래 향기가 유기되었어야 했는데, 그 결과물은 실험 조건에 들어가기도 전에 초음파 에너지를 적용한 것만으로도 아무런 향이 나질 않았어요. 뭔가 잘못되었다는 것을 직감했죠. 여러번의 시도를 해봐도 똑같았습니다. 초음파 에너지 적용만으로 향기 물질이 분해되어 아무런 향이 나지 않았고, 분석 결과 유기물 분해가 일어났다는 것을 확인했습니다. 이 사건이 박사논문에 '분산 유화'외에 '분해' 연구를 추가하게 된 계기입니다."

"This study demonstrates the effective degradation of PFAS using focused ultrasound technology"

"본 연구는 집속형 초음파 기술을 이용한 PFAS 분해 효율성을 입증하였다. PFOA 실험을 통해 단계적 탈불소화 및 무기화 조건을 최적화하였으며, PFAS 분자는 탄소-탄소 및 탄소-불소 결합의 점진적 절단을 통해 단쇄 유도체로 전환되었다. 이 공정은 고온.고압.외부 산화제 없이 작동하는 실용적으로 지속 가능한 기술로 평가된다."

"똑같은 조건으로 실험을 해도 A는 10% 분해되고, B는 20% 분해되고, C는 90% 분해되는 거예요. 도대체 뭐가 문제지? 하고 미친 듯이 파고들었어요."

밀려드는 일거리가 가득한 연구실에서 나만의 연구를 이어나가는 것은 사실 어렵기도 하고 또 불가능하기도 한 일이었습니다. 황보선애 연구원은 분해에 대한 연구를 이어가기 위해서 기존의 연구실에서 나와서 다른 연구실에서 새롭게 시작을 해야만 했습니다.

여러 물질을 대상으로 여러 종류의 실험을 반복하다 보니, 집속형 초음파가 발생시킬 수 있는 에너지의 종류가 크게 4가지가 있고, 이들을 어떻게 조절하고 극대화 하느냐에 따라서 어떤 물질이 얼만큼 분산이 되고, 또 유화가 되고, 반대로 어떤 경우에는 분해가 되어버리는지를 알게 되었습니다.

초음파가 조사될 때 발생하는 에너지는 압력/온도/라디칼/빛 등인데, 시료나 용매(즉, 물질)에 닿았을 때 반응이 다릅니다. 압력 (Acoustic pressure)은 케비테이션(미세 기포의 생성, 성장, 붕괴) 현상에 의해 발생하는데 물질의 응집 해체, 입자 분쇄, 혼합 촉진, 에멀전 형성 등에 유리합니다. 온도나 라디칼(Radical Formation)은 유기물 분해, 중팝 반응, 오염 물질 제거 등에 유리하고, 빛(Sonoluminescence)은 광화학 반응 촉진하여 표면처리에 활용됩니다. "특히, 분해에 있어서는 그 중 OH-라디칼 에너지를 조절하는 것이 가장 중요했고, 어느 정도의 파워로 얼마나 노출시키고 집속해서 에너지를 쏘느냐에 따라서 그 결과를 만들어낼 수 있게 되었습니다. 그리고 결국 이런 것들은 충분히 조절하고 통제할 수 있는 '장비'를 만들어야겠다는 결론에 도달했습니다."

DEBREX 는 용매 내부 산소를 제어하고 "압력(Acoustic pressure)"을 최대화하여 분산/유화에 최적화된 집속초음파 장비입니다.

CAVITOX 는 순간 온도 및 OH-라디칼 발생을 극대화하여 PFAS 등 난분해성 물질을 분해할 수 있도록 최적화된 초음파 분해 장비입니다.

"초음파를 조사하면 매우 다양한 에너지들이 동시에 복합적으로 발생합니다. 버블의 생성, 압력, 온도, 빛, OH-라디칼 등의 이온 물질 활성화 등 매우 다양한 현상들이 동시에 일어나기 때문에 초음파에 대한 연구는 매우 오랫동안 했지만 아직 그 에너지들을 완벽히 제어하는 것은 매우 어려운 일이며 여전히 연구 중인 과제입니다."

물과 기술의 교차점, 초음파가 여는 새로운 분해의 문

"진짜 물에 한참 빠졌어요. 초음파를 치면 물의 구조가 바뀌면서 과산화수소 같은 라디칼이 생기거든요. 이게 살균처럼 작용하는 거예요. 그 때는 물에 대한 책도 막 찾아보고 그랬어요. 사기꾼처럼 보여겠지만요. 실제로 국내 대표 생활가전 대기업에서 정수기에 우리 장비를 달아서 관을 살균하자고 제안하기도 했었어요."

황보선애 부대표는 초음파의 진동이나 특정 조건을 변경했을 때, 이러한 라디칼을 활성화하거나 비활성화 시킬 수 있다는 사실을 발견합니다. 그리고 이로 인해 분해 속도를 조절할 수 있다는 결론에 이르게 되죠.

"여기까지가 제가 박사 학위까지 받은 내용이에요. 그런데 그 다음에 장비가 문제였죠. 제가 원하는대로 파워를 조절하는 핸들링이 안 되는 거에요. 원하는 만큼 장비를 제어할 수가 없었죠."

현재는 4채널과 훨씬 더 큰 통제력을 가진 DEBREX 500 버전까지 구현하여 생산/판매를 진행하고 있다.

섞으려고 시작했던 기술이 "분해"의 영역까지 확장되었지만, 이를 실제로 구현하기 위해서는 또 다른 난관에 봉착하게 됩니다. 다음 인터뷰에서는 이 문제를 어떻게 해결해 나갔는지 들어보겠습니다.

FUST Lab. 의 집속형 초음파 기술은 이 과정을 거쳐 "영원한 화학물질(forever chemicals)" 이라 불리는 고독성 PFAS, PFOS, 등 과불화화합물을 분해하는 기술로 발전했습니다. 특히 CAVITOX는 12종의 대표적인 PFAS 물질 모두에 대해서 높은 수준의 분해성능을 보유하고 있습니다.

**PFAS, 대표 물질 12종 (PFOA /br_PFOS /L-POFS /PFBA /PFDA /PFHpA /PFHxA /PFNA /Br_PFHxS /L-PFHxS /8;2diPAP)

집속형 초음파 기반 분산 유화 기술(DEBREX) 및 PFAS 과불화화합물 분해 기술 (CAVITOX) 문의는 sales@fustlab.com으로 메일을 보내주세요.

환경 규제에 선제적으로 대응하는 난문해성 물질 제거 솔루션에 대해 상담해 드립니다.
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