2024화학 세특기획 - 과불화화합물 구조와 일상생활 탐구 생기부

화학 세특 준비 (과불화화합물)

화학1,2 고급화학에서 공통적으로 나오는 화학결합의 구조에 대한 심화탐구입니다.

교과내용을 바탕으로 심화탐구 목표설정이 포인트입니다.

세특기재를 위해서 확실한 근거를 준비해야합니다.

과불화화합물 – 과불화옥탄산(PFOA)/ 과불화옥탄술폰산(PFOS)

과불화화합물은 탄화수소의 기본 골격 중 수소가 불소로 치환된 형태의 물질로, 탄소가 6개 이상인 과불화술폰산류와 탄소가 7개 이상인 과불화지방산류 및 그 염류 등 여러 가지화합물이 있으며, 대표적으로 PFOA와 PFOS가 있습니다.

과불화화합물의 위험성

식수 속 과불화화합물에 대한 우려가 높아지고 있다. 과불화화합물(perfluoroalkyl substances, PFASs)은 탄화수소 기본 구조에서 수소가 불소로 치환된 화합물로 기능성 의류 코팅, 카펫, 조리기구 등에 활용된다. 내분비계를 교란하고 임신장애나 기형아, 암 등을 유발할 가능성이 있다. 실제 동물실험에서 체중감소와 혈액응고시간 증가, 갑상선 호르몬 변화 등의 사례가 보고됐으며 미량이라도 위험한 것으로 알려졌다. 특히 과불화화합물의 일종인 과불화옥탄산(PFOA)은 발암물질로 지정돼 있다.

문제는 과불화화합물이 식수를 통해 우리 몸에 들어올 수 있다는 점이다. 실제로 지난 5월, 수돗물에서 과불화화합물이 검출돼 논란이 일었다. 환경부는 올해 라돈과 함께 과불화화합물 3종(PFOS, PFOA, PFHxS)을 수돗물 수질감시항목으로 새로 지정했는데, 대구와 부산의 수돗물에서 과불화화합물이 검출된 것이다. 당시 환경부는 낙동강 수계에서 검출된 과불화헥산술폰산(PFHxS)의 배출원을 조사한 뒤 해당 사업장이 원인 물질을 배출하지 않도록 조치했다.

*출처 : https://arisu.seoul.go.kr/arisu_center/center16/seoulWater/201812/html/sub4-1.html

과불화화합물의 사용처

과불화화합물의 특징은 계면활성제의 성질이며 열에 강하고, 물이나 기름 등이 쉽게 스며들거나 오염되는 것을방지하는 특성으로 물이나 다른물질의 흡수에 코팅하는 용도로 사용하였습니다.

의류, 카펫, 가구, 신발, 마루광택제, 소방약제, 세척제, 페인트,니스, 왁스, 인화지, 반도체 및 LCD 제조, 컬러프린터·복사기,항공기, 금속도금, 살충제, 석유생산 등에 사용되어 왔으며,눌음방지(non-stick) 코팅 조리기구와 같은 프라이팬, 냄비 등에사용되는 불소수지 제조시 PFOA가 가공보조제*로 사용된 바있습니다.

가공보조제 : 합성수지 제조 시 반드시 필요한 원료물질은 아니며,원활한 중합반응을 위하여 보조적으로 첨가되는 유화제 등의 물질

현재는 프라이팬 등 코팅제로 대체제가 개발되어 사용중이며, 코팅과정중에 고열의 소성과정을 통해서 프라이팬에서는 검출되지 않는다는 발표입니다.

그러나 올바른 프라이팬 사용방법을 인지하는것은 필요한 부분입니다.

과불화화합물의 소성과정에 대한 학술자료 링크를 첨부합니다.

PFC배출 저감을 위한 파일롯 규모 촉매 공정연구

https://www.cheric.org/PDF/CT/CT18/CT18-2-0216.pdf

식약처 보도자료를 참고하면 과불화화합물의 경우 매우 안정적인 화학구조로 인체에 흡수되지않고 형태를 유지한 상태로 배출된다는 의견입니다.

불소수지는 화학적으로 매우 안정하므로, 쉽게 분해되거나변하지 않습니다. 따라서, 프라이팬이나 냄비에서 떨어진 불소수지 조각 등을 실수로 먹는다 하여도 체내에서 흡수가 되지않고 그대로 배출되므로 인체에 대한 위해가 발생할 우려는
거의 없습니다.

대표적인 불소수지인 PTFE는 국제암연구소*에서 Group 3(인체발암 비분류 물질)로 인체에 발암성이 없는 것으로 평가된 바 있습니다.

국제암연구소(IARC, international agency for research on cancer)에서는물질의 인체 발암성을 기준으로 Group 1∼4로 분류하고 있음

과불화화합물의 이슈사례

과불화화합물은 프라이팬의 코팅, 종이컵의 코팅, 의류의 방수기능, 수돗물 정수장 등 다양한 이슈로 제기됩니다.

그러나 천연화합물이 아닌이상 충분히 대체할 수 있고, 정수할 수 있는 다양한 화학연구가 진행되고 있다.

서울시 식수에서 검출되어서 이슈가 된 내용을 인용하여 기록합니다.

식수 속 골칫덩이 과불화화합물, 다이아몬드 전극으로 해결!

과불화화합물의 일종인 과불화헥산술폰산(PFHxS)의 화학구조. 최근 수돗물에서 이 물질이 검출돼 소비자들의 불안이 높아졌다.출처: Wikimedia commons

앞서 대구 수돗물에서 문제가 된 과불화헥산술폰산의 경우 호주는 70 ng/L, 캐나다 600 ng/L, 스웨덴은 900 ng/L가 기준이고, 미국과 일본, 영국, 독일 등은 별도 기준이 없다. 세계보건기구(WHO)도 아직 기준을 마련하지 않았다. 환경부는 2018년 7월부터 과불화옥탄산과 과불화옥탄술폰산(70 ng/L, 개별, 합계), 과불화헥산술폰산(480 ng/L) 등 3종을 먹는물 수질감시항목으로 지정하여 관리를 강화하였다.
지금까지 수돗물에서 검출된 과불화화합물은 극미량이었지만, 과불화화합물 자체가 매우 안정적인 화학물질로 분해가 잘 되지 않고 쌓인다는 게 문제다. 몸 안에 잔류해 다음 세대로 넘어갈 수 있다는 얘기다.

이에 과학자들은 과불화화합물의 화학 구조를 파악하고 하수처리과정에서 이를 제거하는 방법을 연구하고 있다. 최근 과불화화합물을 분해하는 기술을 개발한 미국 미시간주립대 코팅 및 다이아몬드 기술센터도 그 중 하나다.

<미국 미시간주립대 코팅 및 다이아몬드 기술센터 연구진은 붕소를 첨가한 다이아몬드 전극을 이용해 과불화화합물을 분해하는 전기화학적 산화 시스템을 구성했다. 출처 : Derrick Turner/미국 미시간주립대>

연구팀은 ‘전기화학적 산화(electrochemical oxidation)’ 시스템을 구성했다. 붕소를 첨가한 다이아몬드 전극을 폐수에 넣어 폐수 속 PFASs의 화학적 결합을 끊는 것이다. PFASs는 결과적으로 이산화탄소, 물, 불소로 전환되고 독성이 사라진다. 붕소 다이아몬드 전극은 수백 회 작동 후에도 마모가 적다는 장점이 있다.

연구에 참여한 전기 화학자 코리 루시넥은 “전기화학적 산화는 다른 폐수 공정을 보완하는 절차로, PFASs를 비롯해 기타 오염 물질을 분해하는 간단하고 깨끗하며 효과적인 방법”이라고 설명했다. 연구는 현재 실험실에서 구현 가능한 수준으로, 연구팀은 향후 이 시스템이 도시 식수 시스템을 보완하게 되길 기대한다고 밝혔다.

https://arisu.seoul.go.kr/arisu_center/center16/seoulWater/201812/html/sub4-1.html