수중 GenX의 수착 제거를 위한 새로운 SILP 흡착제 개발

Abstract

과불화화합물은 인간 및 생태계를 위협하는 대표적인 신종 미량오염물질로 수돗물, 하천수 등 다양한 수자원에서 검출되고 있다. 과불화화합물은 탄화수소의 수소가 불소로 치환된 형태로 그 종류가 매우 다양하다. 그중에서도 GenX는 현재는 사용이 금지된 PFOA의 대체물질로써 전 세계적으로 그 사용량이 증가하고 있다. 과불화화합물은 탄소-불소 결합의 강한 결합력으로 인해 자연에서 거의 분해되지 않아 활성탄, 이온교환수지 등의 흡착제를 통한 제거가 주로 이루어지고 있으나 과불화화합물의 흡착 제거율은 용존 유기물의 존재 여부에 따라 그 차이가 크다는 문제가 존재한다. 따라서 본 연구에서는 GenX 제거에 특화된 SILP 형태의 새로운 흡착제를 개발했다. 이를 위해 첫 단계로 COSMO-RS 소프트웨어를 통해 GenX 제거에 적합할 것으로 생각되는 이온성 액체 2가지([EMIM][Tf2n] 및 [HMIM][Tf2n])를 선별한 뒤, 실험을 통해 각 이온성 액체의 분배계수를 측정했다. 이후 직접 담지법을 통해 여러 담지율로 SILP 형태의 흡착제를 개발하였고, SILP 흡착제의 특성분석 및 담지율 계산을 위해 SEM, 원소 분석 및 BET 분석을 수행했다. 최종적으로 증류수 및 용존 유기물이 존재하는 환경에서 입상활성탄 및 SILP 각각에 대해 흡착실험을 수행한 뒤 두 결과의 비교를 통해 새로운 흡착제의 성능을 평가했다. 흡착실험 결과, 제작된 SILP 흡착제의 경우 기존의 입상활성탄보다 약 10%에서 50% 이상까지 낮은 성능을 가졌다. 이는 본 연구에서 활용한 두 가지 이온성 액체가 모델 예측 결과보다 약 70배에서 700배까지 낮은 분배계수 값을 가져, 기대한 효과보다 이온성 액체의 효과가 미미했기에 발생한 현상으로 판단된다. 마지막으로 SILP 흡착제가 실제 공정에서 안정적으로 사용될 수 있는지 이온성 액체의 유실률을 평가했다. 그 결과 SILP 흡착제는 충분한 시간이 지나도 이온성 액체가 유실되지 않음을 통계적으로 확인했다.

Per- & polyfluoroalkyl substances(PFAS), which are representative emerging contaminants that threaten mankind and ecosystems are detected in various water resources such as tap water, river water, etc. PFAS are the form in which hydrocarbons are substituted with fluorine and have a wide variety of types. Among them, GenX is a substitute for PFOA which is currently banned, and its use is increasing worldwide, PFAS are mainly removed by an adsorbent such as activated carbon and ion exchange resin because they are persistent in nature due to the strong binding between carbon and fluorine, but there is a problem that the adsorption rate of PFAS varies greatly depending on the presence of dissolved organic matter(DOM). Therefore developing a novel SILP structure adsorbent that is specialized for removal of GenX is an aim of this study. Two ionic liquids([EMIM][Tf2n] and [HMIM][Tf2n]) that are considered suitable for GenX removal were selected by COSMO-RS software at first, and then the partitioning coefficient of each ionic liquid was measured by an experiment. After this, SILP adsorbents were developed at various loading rates by direct impregnation methods, and SEM, elemental analysis, and BET analysis were performed to analyze the properties and calculate the loading rate of SILP adsorbents. After that, adsorption tests were performed on each of GAC and SILP in the D.I and DOM conditions, and then the performance of new adsorbents was evaluated by comparing the two results. As a result, the developed SILP adsorbents had a lower performance from about 10 to over 50% than the GAC. This is because two ionic liquids used in this study had partitioning coefficients that were about 70 to 700 times lower than the COSMO-RS predicted results, so the effects of ionic liquids were insignificant than expected. Finally, the loss rate of ionic liquids was evaluated to verify that the SILP adsorbent could be used stably in the water treatment processes. As a result, it was statistically confirmed that ionic liquid was not lost from SILP adsorbents even after a sufficient time.