기술의 발전과 산업화로 인해 화학물질의 사용이 증가하고 있다. 이에 따라 자연계로 유입된 화학물질 중, 수 ng/L ~ μg/L의 농도로 존재하는 물질을 미량오염물질이라고 정의하며, 비교적 최근에 인식되었기 때문에 신규 오염물질로도 불린다. 미량오염물질의 하나인 과불화합물은 필요에 의해 만들어진 인공화학물질로, 탄화수소의 수소가 불소로 치환된 C-F chain을 기본으로 한다. 따라서 안정성과 난분해성, 소수성 등의 특징을 갖게 되어 다양한 분야에서 코팅제, 방수제 등으로 사용되었지만, 위해성이 확인되면서 규제가 시작되었다. 초기의 규제는 PFOS와 PFOA같은 장쇄과불화합물 중 일부 물질에 한정되었기 때문에 동일한 성질을 가지지만 규제 대상이 아닌 단쇄과불화합물과 전구물질이 대체제로 사용되었다. 하지만 이러한 대체물질도 C-F chain을 기본 골격으로 하기 때문에 관리가 필요하다.
수계에 유입된 과불화합물은 기존의 정수처리 공정으로는 제거가 어렵다고 알려져 있다. 따라서 과불화합물의 제거를 위해 다양한 고도정수처리 공정이 검토되고 있다. 흡착과 고도산화는 장쇄과불화합물의 제거에는 효과가 있지만 단쇄과불화합물의 제거에는 어려움이 있었다. 고압막여과 공정인 나노여과와 역삼투는 장쇄과불화합물과 단쇄과불화합물의 동시 제거가 가능하며 비교적 높은 제거 가능성이 확인되었다. 이에 막여과를 이용한 과불화합물 제거에 관한 연구가 꾸준히 진행되고 있지만, 대부분의 연구에서 제거 대상 물질과 실험조건이 한정적이고, 제거 메커니즘을 분석한 연구는 미비하다.
본 연구에서는 고압 여과막 공정인 나노여과와 역삼투를 적용하여 수중의 과불화합물을 제거할 때, 영향을 미치는 요인을 확인하고자 하였다. 다양한 조건에서 NF(NE4040-70)는 8개 이상의 C-F chain을 가진 장쇄과불화합물을 84% 이상 제거되었고, 4-6개의 C-F chain을 가진 단쇄과불화합물은 57% 이상 제거되었다. RO(RE4021-BLN)에서는 장쇄과불화합물이 98% 이상 제거되었으며 단쇄과불화합물의 경우 87% 이상 제거되는 것을 확인하였다.
막여과 공정에서 과불화합물 제거에 영향을 미치는 인자를 확인하기 위해, 과불화합물의 종류, 원수, 여과막을 다르게 하여 제거율을 확인하고자 하였다. 4-12개의 C-F chain을 가진 과불화합물이 10 mg/L의 농도로 포함된 원수를 이용하여 막여과를 진행한 결과 C-F chain의 길이가 짧아질수록 제거율이 감소하는 것을 확인하였다. 이어서 배경농도가 존재하는 수돗물과 낙동강 취수 원수에 과불화합물을 주입하여 여과한 결과, 수돗물과 낙동강 취수원수에서 과불화합물의 제거율은 유사하였으며, 증류수 실험 대비 나노여과에서는 14%, 역삼투에서는 5%의 제거율 증가가 확인되었다.
과불화합물이 공존하는 상황에서 제거율을 확인하기 위해 과불화합물의 농도 범위를 확장하고, 다양한 종류의 과불화합물을 동시에 주입하여 실험을 진행하였다. 원수 내 과불화합물의 농도 증가와 제거율 간의 상관관계는 확인이 어려웠다. 5종의 과불화합물이 공존하는 경우, 나노여과에서 제거율이 가장 낮은 물질은 PFBS로 83%의 제거율이 확인되었으며, 역삼투에서는 95%가 제거되는 등 단독으로 주입되었을 때보다 높은 제거율이 확인되었다. 마지막으로 막여과 공정에서 과불화합물의 제거 메커니즘 파악하기 위해 물질수지 실험과 막의 염 제지율에 따른 제거율을 확인하였다. 물질수지 실험 결과, 막의 표면과 막여과 시스템 내에 과불화합물의 흡착이 발생하였다. 염 제지율 실험 결과, 염 제지율보다 과불화합물의 제거율이 높게 나타났으며 염 제지율과 과불화합물의 제거율은 비례관계에 있음이 확인되었다.
결론적으로, 과불화합물의 제거에는 과불화합물의 물리화학적 특징이 큰 영향을 미치며 그 외에 원수 특징과 여과막의 특징도 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다. 이를 바탕으로 막여과공정에 의한 과불화합물을 제거하는 경우, 정전기적 반발력, 도난 반발에 의한 제거, 농도분극 현상 등 다양한 메커니즘이 발생하지만, 크기배제가 제거율의 상당 부분을 차지하는 것으로 생각된다.
이미 자연계로 유입되었거나 새롭게 사용되는 과불화합물로 인해 앞으로 제거해야 하는 과불화합물의 범위는 확장될 것이다. 이에 따라 안정적이고 효과적인 과불화합물 제거 기술의 개발이 필요하다. 이 연구는 막여과공정에서 과불화합물의 제거 가능성과 영향인자, 제거 메커니즘을 확인하고자 하였다. 따라서 본 연구는 장쇄과불화합물과 단쇄과불화합물을 제거하기위해 막여과 공정을 적용할 때, 제거 메커니즘과 영향인자의 조절을 통한 제거 효율 증대에 이용될 수 있을 것으로 기대된다.