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환경공학 전공지식

Per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS)의 특성 및 권고 농도

 

1.      PFAS에 대한 기본 설명

 

 탄소 5~18개를 포함하는 PFAS는 인공적으로 합성된 탄화수소로 perfluorinated라는 단어는 알킬 체인의 수소 원자가 모두 플루오린 원자로 교체되었다는 뜻이다. 가장 잘알려진 PFAS는 perfluorooctane sulfonate (PFOS)와 perfluorooctanoic acid (PFOA)로 소수성의 perfluorinated 탄소 체인(CnH2n+1)과 친수성의 작용기(-SO3-, -COO-)로 구성되어 있다. 이런 소수성과 친수성의 조합으로 인해 PFAS는 다양한 산업 분야에서 표면 처리를 위해 사용된다. PFAS는 무수 수소-플루오린 포함 유기물질에 전류를 가하는 방식인 Simons Electrochemical Fluorination (SEF) 기술을 이용해 합성된다. 이 공정에서 탄소-수소 결합은 탄소-플루오린 결합으로 변환된다. 탄소-플루오린 결합은 강한 결합에너지(485 kJ/mol), 높은 산화환원전위(F→F-, E0 = 3.6 V), 완벽한 2 s와 2 p 오비탈 겹침(Orbital overlap) 특성을 가지고 있다. 이러한 독특한 특성으로 PFAS는 높은 불연성을 가지고 산과 잘 반응하지 않는다. 결과적으로 PFAS의 화학적 안정성과 양극성(amphipathic)으로 인해 aqueous film-forming foams (AFFFs), 가정용품(카펫, 옷, 종이포장재, 붙지않는 조리기구 등) 제조에 사용된다.

 

* Orbial overlap (오비탈 겹침)): 화학 결합에서 오비탈 겹침(orbital overlap)은 동일한 공간 영역에서 인접한 원자들의 오비탈이 서로 모여 연결됨을 의미한다. 결국, 오비탈 겹침은 두 원자 사이의 결합 형성으로 이어진다. (출처: 네이버 화학백과)

* Amphphipathic (양극성): 극성의 친수성 부분과 무극성의 소수성 부분을 모두 포함한다.

 

PFOS의 화학적 구조

 

 

PFOA의 화학적 구조

 

2.      PFAS의 독성

 

 장기간의 PFAS 사용 기간을 고려했을 때 인체 건강에 대한 PFAS의 유해성이 점차 많은 관심을 받고 있다. 과거 실험실 설치류를 이용한 PFAS의 독성 테스트 결과, 생존률 저하, 성장 및 발달 지연의 해로운 영향이 발견되었다. 최근에는 EPA 가이드라인에 따라 인체 건강에 대한 종합적인 건강 영향 평가가 수행되었다. 그 결과, PFOA와 궤양성 대장염, 고콜레스테롤, 임신성 고혈압, 갑상선 질환, 고환 및 신장암과의 연관성이 제기되었다. PFOS의 유해성과 관련해서는 인간 면역체계에 대한 부작용이 우려되었다. EPA 연구 결과에 따르면 거의 모든 사람들의 혈액에서 PFOA와 PFOS가 발견되었다는 연구 결과도 있다.

 

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3.      PFAS의 사용

 

 PFOA와 PFOS는 2000년과 2002년 사이 미국 내 제조업체에서 자발적으로 제조량이 크게 감소했다. 2006년에는 8개의 주요 회사(Arkema, Asahi, BASF Corporation, Clariant, Daikin, Dyneon (3 M), DuPont, Solvay Solexis)가 PFOA와 PFOA 관련 화학물질의 전세계적인 생산을 감소시키는데 자발적으로 동참했다. 최근 스톡홀름 컨벤션(Stockholm Conventions)에서는 PFOS와 PFOA가 잔류성 유기오염물질 리스트인 Annex B (PFOS와 PFOS salt 규제)와 Annex A (PFOA와 PFOA salt 제거)에 추가되었다. 하지만 PFAS의 사용을 줄이고자 하는 전세계적인 노력에도 불구하고 PFAS는 여전히 금속 도금, 소방용 거품, 방제약, 사진 코팅, 가스 필터, 의료 기구 제조에 많이 사용되고 있다.

 

4.      PFAS의 농도 기준

 

 PFAS의 유해성이 관심을 받으면서 EPA는 2016년 식수의 PFOA, PFOS 통합 Lifetime Health Advisories 농도를 70 ng/L로 발표하였다. 대부분의 미국 주에서 이 기준을 채택하고 있지만 캘리포니아주의 경우 PFOA, PFOS의 건강 권고 기준을 각각 14 ng/L, 13 ng/L로 설정하고 있으며 미네소타주는 PFOA, PFOS 권고 농도를 각각 35 ng/L, 27 ng/L로 설정하였다. 높은 권고 기준 케이스의 버몬트주는 PFOA, PFOS, PFHxS, PFHpA, PFNA의 통합 농도 권고 기준을 20 ng/L로 설정하였다. 정식 음용수 규정을 수립하려면 기존의 수처리 기술을 사용해 기준 농도를 충족시키는 데 소요되는 비용이 고려되어야 한다. 하지만 기존의 현장 정화 기술(토양 증기 추출, 공기 탈기 및 화학적 산화)을 이용해 높은 화학적 안정성을 가진 PFOA와 PFOS를 완전히 제거하기는 미흡한 상황이다. 결과적으로, PFAS를 비용 효율적으로 정화하기 위한 기술개발은 환경 과학 및 공학 영역에서 가장 뜨거운 주제 중 하나가 되었다.

 

*Lifetime Health Advisory: 음용수에 대한 권고 기준으로서 시행 가능한 규제 기준은 아니다.

 

 

※출처

Treatment train approaches for the remediation of per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS): A critical review, Journal of Hazardous Materials Volume 386, 15 March 2020, 121963

 

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