Influence of Activated Carbon Properties on PFAS Adsorption: Focusing on Oxygen Content and Pore Size = 활성탄의 특성이 PFAS 흡착에 미치는 영향: 산소 함량과 공극 크기를 중심으로

국문 초록 (Abstract)

과불화 및 다불화알킬물질(PFAS)은 환경 중에서 분해가 극히 어려운 대표적인 잔류성 유기오염물질로서, 생물체 내 높은 생물농축 잠재력을 지닌다. 이러한 특성으로 인해 PFAS는 인체 건강과 생태계에 유해한 영향을 유발할 수 있으며, 다양한 독성학적 영향이 다수의 선행연구를 통해 보고되어 왔다. PFAS가 수환경 및 토양을 포함한 다양한 환경 매질에서 빈번하게 검출되고 있다는 점을 고려할 때, 효과적인 제거 기술의 개발은 여전히 중요한 과제로 남아 있다. PFAS 저감 기술 중 활성탄 기반 흡착은 비용 효율성, 높은 제거 효율, 그리고 환경적 적합성 측면에서 가장 널리 적용되는 방법 중 하나로 평가된다.

본 연구는 활성탄의 표면 산소 작용기와 공극 크기라는 두 가지 핵심 인자가 PFAS 흡착 성능에 미치는 영향을 정량적으로 평가하는 것을 목적으로 하였다. 이를 위해 여섯 종류의 활성탄에 수소 열처리를 적용하여 표면 산소 작용기를 효과적으로 제거하였고, 여덟 종의 대표 PFAS를 대상으로 흡착 실험을 수행하였다. 회분식 흡착 실험은 등온선 모델 분석과 병행하여 진행하였다.

실험 결과, 표면 산소 작용기의 존재 여부가 PFAS 흡착 용량을 결정하는 데 핵심적인 역할을 하는 것으로 확인되었다. 구체적으로, 산소 작용기 제거는 PFAS와 흡착제 표면 간 정전기적 반발을 완화함으로써 흡착 효율을 유의하게 향상시켰다. 반면, 미세공과 중간공의 차이를 포함한 공극 크기 차이는 PFAS 제거 효율에 통계적으로 유의한 차이를 유발하지 않았다. 이러한 경향은 비표면적 기준으로 정규화한 조건에서도 동일하게 관찰되어, 본 연구 조건에서 공극 크기가 PFAS 흡착을 지배하는 주요 인자가 아님을 시사한다. 그 뿐만 아니라 공극 크기는 흡착 속도에도 영향을 미치지 않는다는 것을 알 수 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) are representative persistent organic pollutants that exhibit extreme resistance to environmental degradation and possess high bioaccumulation potential within living organisms. Due to these characteristics, PFAS can exert serious adverse effects on both human health and ecosystems, with various toxicological outcomes being well-documented. Given the frequent detection of PFAS across diverse environmental media—including aquatic ecosystems and soil—the development of effective removal technologies continues to be of critical importance. Among the various remediation techniques for PFAS, activated carbon (AC)-based adsorption has emerged as one of the most widely employed approaches, owing to its cost-effectiveness, high efficiency, and environmental compatibility.

This study aims to quantitatively evaluate the influence of two key factors—surface oxygen functional groups and pore size of AC—on PFAS adsorption performance. To this end, six types of AC were subjected to hydrogen thermal treatment to effectively remove oxygen functional groups, and adsorption experiments were conducted using eight representative PFAS compounds. Batch adsorption tests were performed in combination with isotherm model analysis.

Experimental results demonstrated that the presence or absence of oxygen functional groups plays a critical role in determining PFAS adsorption capacity. Specifically, the removal of oxygen functional groups significantly improved adsorption efficiency by reducing electrostatic repulsion between PFAS and adsorbent. In contrast, differences in pore size, particularly between micropores and mesopores, did not yield statistically significant differences in PFAS removal efficiency. This trend remained consistent even under surface area-normalized conditions, indicating that pore size is not a dominant factor in governing PFAS adsorption. Moreover, pore size was found to have no significant effect on the adsorption rate

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• 1. Introduction 1
• 1.1. Background 1
• 1.2. Objectives of the study 4
• 1.3. Scope of the study 5
• 2. Literature Review 7
• 2.1. PFAS 7
• 2.1.1 Classification of PFAS 7
• 2.1.2 PFAS remediation methods 13
• 2.1.3 PFAS adsorption mechanism 15
• 2.2 Activated carbon adsorption mechanism 17
• 2.3 Effect of oxygen functional groups on PFAS adsorption 19
• 2.4 Effect of pore size on PFAS adsorption 21
• 3. Materials and Methods 28
• 3.1 Materials 28
• 3.2 Activated carbon modification process 29
• 3.3 PFAS adsorption process 32
• 3.3.1 Adsorption experiments for assessing the effect of surface oxygen groups 32
• 3.3.2 Adsorption experiments and isotherm analysis for assessing the effect of pore structure 33
• 3.4 PFAS adsorption conditions 35
• 3.4.1 PFAS adsorption per unit surface area 35
• 3.5.2 pH of the adsorption solution 37
• 3.6 Analysis methods 39
• 3.6.1 Boehm titration 40
• 4. Results and Discussion 42
• 4.1 Adsorbent properties 42
• 4.1.1 Chemical properties 42
• 4.1.2 Physical properties 49
• 4.2 Effect of oxygen functional group 53
• 4.3 Adsorption isotherm 56
• 4.4 Effect of pore size 62
• 4.4.1 SSA normalized adsorption capacity at several PFAS conc. range 62
• 4.5.2 Multiple regression analysis 67
• 4.5.3 PFAS adsorption rate 69
• 4.6 Correlation between type of oxygen functional groups and PFAS adsorption 72
• 5. Conclusions 75
• References 77
• Abstract in Korean 86