1. 과불화화합물(PFAS)이란?
과불화화합물(PFAS, Per- and Polyfluoroalkyl Substances)은 탄소(C)-플루오린(F) 결합으로 이루어진 인공 합성 화학물질 계열입니다. 이 결합은 자연적으로 분해되기 매우 어려운 특성을 지녀 ‘영원한 화학물질(Forever Chemicals)’로 불립니다. 대표적으로 퍼플루오로옥탄산(PFOA), 퍼플루오로옥탄설폰산(PFOS), PFHxS, GenX 등이 있으며, 현재까지 4,700종 이상의 PFAS가 확인된 바 있습니다.
2. PFAS의 주요 용도 및 배출 경로
PFAS는 내열성, 소수성, 유분 방지 특성으로 인해 다양한 산업 및 소비재에 사용됩니다.
- 소방용 폼 (AFFF)
- 방수/발수 섬유 (예: 고어텍스)
- 비-stick 조리기구 코팅 (테플론 포함)
- 반도체 세정, 금속도금, 연마 공정
- 식품 포장재, 종이 코팅
이러한 사용은 제조 공정뿐 아니라 소각, 하수 방류, 비산 먼지 등을 통해 하천과 지하수, 토양으로 누적 배출됩니다.
3. 환경 중 PFAS의 거동 특성
PFAS는 탄소 사슬 구조에 따라 환경 내에서의 이동성과 축적성이 다릅니다. 짧은 사슬 PFAS는 물에 더 용해되며 하수처리장에서 제거가 어렵고, 긴 사슬 PFAS는 생물축적성이 높아 생태계와 인체에 더 심각한 영향을 미칩니다. 주요 특성은 다음과 같습니다:
- 난분해성: 자연적 광분해, 생분해 거의 없음
- 난 흡착성: 활성탄 등 일부 흡착제에 선택적으로만 흡착
- 고이 동성: 지하수, 대기, 침출수 등을 통해 광범위 확산
4. 인체 독성과 건강 영향
PFAS는 인체 내 축적되어 장기간에 걸쳐 다양한 건강 문제를 유발할 수 있습니다. 미국 EPA, WHO, 유럽 ECHA 등은 아래와 같은 영향을 경고하고 있습니다.
- 간 기능 이상 (ALT 상승, 간종대)
- 갑상선 호르몬 교란
- 면역 억제, 백신 반응 저하
- 신장암, 고환암과의 연관성
- 임신 중 노출 시 태아 발달 저해
5. 수처리 공정에서의 PFAS 제거 기술
5.1 활성탄 흡착
PFAS 제거에 가장 널리 쓰이는 방법은 GAC(Granular Activated Carbon) 혹은 PAC(Powdered Activated Carbon)을 이용한 흡착입니다. 긴 사슬 PFAS는 비교적 잘 제거되나, 짧은 사슬 PFAS에는 효과가 낮고 수명이 짧다는 단점이 있습니다.
5.2 막 분리 공정
역삼투(RO), 나노여과(NF) 등의 막 공정은 PFAS의 크기와 전하를 이용한 분리가 가능합니다. 그러나 처리 후 농축수의 폐기 문제가 존재하고, 고비용이 단점입니다.
5.3 고급 산화 공정(AOP)
AOP는 수산화 라디칼(•OH), 초산화 라디칼(•O₂⁻) 등을 이용하여 PFAS의 탄소-플루오린 결합을 직접 분해합니다. 그러나 PFAS는 매우 안정한 구조를 가지고 있어 분해에 높은 에너지가 요구됩니다.
- UV/H₂O₂: 일부 짧은 사슬 PFAS에 효과적
- UV/Persulfate: S₂O₈²⁻를 이용한 라디칼 생성
- Plasma 기술: 가스 방전을 통한 전자 유도 분해
5.4 전기화학 분해
전기분해 공정은 산화전극(Ti/RuO₂, BDD)을 활용해 직접 분해 반응을 유도합니다. C-F 결합을 절단하여 무기화시키는 효과가 있으나, 에너지 소모가 크며, 일부 PFAS는 전기화학반응에 불활성일 수 있습니다.
5.5 이온교환 수지
강산성 음이온 교환 수지를 통해 PFAS를 선택적으로 제거합니다. 짧은 사슬에도 효과적이나, 재생이 어려워 비용이 높습니다.
6. 최신 기술 동향 및 연구 사례
- 2024년 기준, 일본과 독일에서는 수열분해(hydrothermal decomposition)를 이용한 폐수 내 PFAS 분해 파일럿 연구가 활발
- 한국은 국립환경과학원이 UV-Persulfate 기반 소형 고도처리장 기술을 상수원 PFAS 제거용으로 도입 중
- 미국 EPA는 2023년, 6종 PFAS에 대한 새로운 최대 허용 농도(MCL)를 발표함
7. 국내 수질 기준 및 규제 현황
국내에서는 아직 PFAS에 대한 법적 기준이 미비하지만, 일부 지자체와 환경부는 선제적으로 아래와 같은 기준을 권고하고 있습니다.
| PFAS 물질 | 권고 농도 (ng/L) | 참고 기관 |
|---|---|---|
| PFOA + PFOS | 70 | 환경부 |
| PFHxS | 30 | 국립환경과학원 |
| 전체 PFAS 합 | 100 | 서울특별시 수도사업소 |
8. 결론 – 지속가능한 PFAS 관리 전략
PFAS는 전 세계적으로 ‘차세대 환경오염 물질’로 급부상하고 있으며, 그 난분해성과 생물축적성은 수많은 수처리 기술을 무력화시키고 있습니다. 기존의 흡착, 막, AOP 공정은 일정 수준의 제거나 분해가 가능하나, 아직까지 상용화된 완전 분해 기술은 부족한 상태입니다. 따라서 단기적으로는 고도처리 조합공정(GAC+RO, AOP+흡착 등)의 최적화를 통한 실질적인 제거율 향상이 필요하며, 장기적으로는 PFAS 사용 자체를 줄이는 ‘예방 중심의 공정 전환’이 요구됩니다.
또한, 한국을 포함한 각국 정부의 PFAS 통합 규제 강화 움직임에 따라 산업계와 공공기관은 PFAS 분석·처리 기술을 조기에 도입할 필요가 있으며, 연구기관은 보다 효과적인 저온 저비용 분해 공정 개발에 집중해야 할 시점입니다. 이러한 노력이 병행될 때, 비로소 ‘영원한 화학물질’로부터의 안전한 전환이 가능할 것입니다.