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환경에 존재하는 미세플라스틱의 처리

◈ 목차

1. 서론

2. 미세플라스틱 제거 기술

 2.1. 물리적 기술

 2.2. 화학적 기술

 2.3. 생물학적 기술

3. 미세플라스틱 제거 기술의 장단점 비교

4. 미세플라스틱 처리를 위한 향후 연구 우선순위

5. 결론

요약문

최근 미세플라스틱이 극지방과 같은 인구가 밀집된 지역이 아닌 곳에서도 발견되고 있고, 이들의 위해성이 알려지면서 미세플라스틱 오염이 심각한 환경문제로 인식되고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 일회용 플라스틱의 사용 금지와 같이 플라스틱의 사용을 제한하여 오염물질의 환경 배출을 억제함과 동시에 환경에 존재하는 미세플라스틱도 제거해야 한다. 본 리포트에서는 물리적, 화학적, 생물학적 미세플라스틱 제거 기술에 대해 알아보고, 이들의 장단점에 대해 서술했다. 또한 미세플라스틱 오염의 정화를 위해 선행하여 해결해야 하는 문제에 대해 검토하고자 한다.

미세플라스틱, 정화 기술, 응집/침전, 광분해, 표준화된 방법

Microplastics, remediation technologies, coagulation/flocculation, photodegradation, standardized methodologies

◈본문

1. 서론

플라스틱은 다양한 크기, 모양, 성분, 특성, 용도를 갖는 합성 폴리머이고, 미세플라스틱은 크기 가 5mm 이하의 작은 플라스틱 입자로 정의된다. 미세플라스틱은 연마제나 세정제로 사용하기 위해 처음부터 작게 만들어진 1 차 미세플라스틱과 큰 플라스틱이 분해, 파쇄되어 생성된 2차 미세플라스틱으로 분류된다. 미세플라스틱은 우리 주변의 모든 환경에서 검출되고 있으며, 동식물 의 성장과 생식 기능에 부정적인 영향을 미친다. 미세플라스틱은 또한 음식 섭취와 호흡을 통해 동식물의 장기와 조직에 생물농축되며, 먹이사슬을 통해 인체로 유입되어 인간의 건강에도 영향 을 미친다. 자연환경으로 배출된 플라스틱은 분해에 수백 년이 소요되므로 미세플라스틱에 의한 영향은 장기간 지속된다는 특징이 있다. 따라서 환경에 존재하는 미세플라스틱을 제거해야만 영 향을 줄일 수 있으므로 관련 기술의 개발이 시급한 과제가 되었다. 그동안 환경에 존재하는 미세 플라스틱의 발생과 분포, 영향에 대한 많은 보고가 있었다면~31. 본 리포트에서는 현재 이용 가능한 미세플라스틱의 제거 기술에 대해 알아보고, 각 기술의 장단점에 대해 서술할 것이다. 또한 미세 플라스틱의 제거를 위해 필요한 향후 연구에 대해서도 논의하고자 한다.

2. 미세플라스틱 제거 기술 

2.1. 물리적 기술

물리적 처리기술의 대표적인 방법이 미세플라스틱을 흡착하여 제거하는 것이다. 자성을 갖는 폴리옥소메탈레이트 지지층에 오염물질을 흡착할 수 있는 이온 성분의 흡착제(a magnetic polyoxometalate-supported ionic liquid phase, magPOM-SLIP, [4])를 이용하여 상업용 PS(polystyr- ene, 직경 1, 10um, 농도 1 g/L)를 완전히 제거할 수 있다. 또한 자성을 띤 탄소나노튜브(M-CNT) 5 g/L로 PE(polyethylene), PET(poly ethylene terephthalate), PA(polyamide) 5 g/L를 완벽하게 처리 하기도 했다. 수중에 존재하는 미세플라스틱을 이러한 흡착제로 제거할 때 화학적산소요구량이나 암모니아성질소, 인산염 농도와 같은 인자들은 처리효율에 영향을 미치지 않았다.

분리막을 이용한 여과도 미세플라스틱을 물리적으로 제거하는 기술 중 하나이다. 지르코늄과 폴리머를 혼합하여 제조한 여과지로 만들어진 디스크필터를 이용하면 수중에 존재하는 미세플라 스틱의 90% 이상을 제거할 수 있다. 하수처리 과정에서도 미세플라스틱은 크게 제거된다. 예를 들어, 캐나다 벤쿠버의 하수처리장 유입수에 31.1 mg/L로 존재하는 미세플라스틱은 하수처리 후 2.6 mg/L로 감소했다. 각 공정별로 살펴본 결과, 하수에 존재하는 미세플라스틱의 91.7%가 1차 침전지를 거친 후에 감소하는 것으로 나타나 침전 공정이 미세플라스틱 제거에 중요한 역할을 하 는 것을 알 수 있었다. 이외에도 하수에 존재하는 미세플라스틱을 급속모래여과, 용존공기부상, 한외여과 등으로 제거한 사례에서도 75% 이상의 비교적 높은 제거효율을 보였다.

2.2. 화학적 기술

응집/침전은 하폐수 처리에 일반적으로 이용되는 공정이다. 따라서 철 또는 알루미늄 이온 기 반의 다양한 응집제를 이용하여 응집/침전 과정에서 미세플라스틱의 제거효율을 측정해 보고한 많은 연구가 있었다. 염화철을 응집제로 사용한 경우 크기가 1um 인 PS 미세플라스틱 99.4%가 응집/침전으로 제거되었다. 동일한 조건에서 폴리염화알루미늄 응집제를 사용했을 때의 PS 제거 율은 98.2%였다. 철 기반의 응집제를 PE 입자 제거에 적용했을 때 제거율은 15% 이하로 매우 낮 았다. 그러나 여기에 응집보조제인 polyacrylamide(PAM)를 추가하면 처리효율은 급격하게 상승(염 화철 2 mmol/L 에 음이온 PAM 3~15 mg/L를 동시에 주입했을 때 PE 제거율은 90.9%로 상승)했 다. 미세플라스틱의 처리효율은 크기에 따라 다르며, 일반적으로 입자 크기가 작을수록 제거효율 이 상승한다. 또한 미세플라스틱 입자의 풍화는 입자 표면의 화학적 특성과 거칠기의 변화를 유 발하므로 응집제 친화도에도 영향을 미친다. 즉, 응집/침전 공정에서의 풍화되지 않은 PE 미세플 라스틱 입자의 제거효율이 82%라면, 풍화된 입자의 제거효율은 99%에 달한다. 최근 유기실란 (organosilane)을 이용한 응집-고정(agglomeration-fixation)으로 미세플라스틱을 제거한 사례도 보 고되었고, alkoxy-silyl 함유 화합물 등 다양한 폴리머 물질을 이용한 수중 미세플라스틱 제거에 대한 연구도 수행되었다.

앞서 하수처리장의 침전 공정에서 많은 양의 미세플라스틱이 제거된다고 했지만, 이를 제외한 다른 하수처리 공정에서는 미세플라스틱이 잘 제거되지 않으며, 제거효율의 편차도 크다. 이에 따 라 광분해와 같은 고도처리 공정이 하수에 존재하는 미세플라스틱의 제거에 적용되었다. 예를 들 어, N-TiO₂를 이용하여 고밀도 PE를 광분해하면 고형 상태에서는 1.1%, 수용액에 존재하는 고밀도 PE 의 경우 6.4%의 질량 감소가 관찰되었다. 후에 탄소와 질소를 다중 도포한 이산화티타늄 (C-N-TiO₂)을 적용한 실험(pH 3, 온도 0℃, 50 시간 조사)에서는 질량 감소율이 71.8%로 상승했다. TiO₂ 나노입자 필름을 이용한 미세플라스틱 분해 효율은 앞선 결과보다 더 우수했다. TiO₂ 나노입 자 필름에 놓인 PS 미세플라스틱 입자에 254nm 의 UV를 24 시간 조사한 결과, PS 입자는 완전 히 광분해되었다. 최근 광촉매를 이용한 미세플라스틱 제거도 시도되었는데, 광촉매는 PE 와 PP, PVC(polyvinyl chloride)를 이산화탄소로 완전 무기화(mineralization)했고, 이후 희생시약(sacrificial agent) 없이 이들을 아세트산(CH,COOH)으로 전환시킬 수 있음이 확인되었다. 광분해 및 광촉매 반응에 의한 플라스틱의 분해에는 광으로 유발된 전자와 정공(photoinduced electron and hole), 과산화물(O₂-) 및 수산화라디칼(OH-)과 같은 다양한 반응성물질이 관여하여 미세플라스틱의 C-C 결합을 파괴한다. 플라스틱이 광분해되면 형태뿐만 아니라 플라스틱의 기계적, 광학적, 화학적 특 성이 크게 변하기 때문에 쉽게 파괴된다.

2.3. 생물학적 기술

1970 년대부터 PE, PS, PP 는 생물학적으로 분해가 어려운 물질로 인식되어왔으나, 최근 나방의 위장에서 분리된 Bacillus sp.와 Enterobacter asburiae 가 PE 미세플라스틱을 생분해하는 것으로 알려졌다. 또한 먼지벌레붙이 유충(mealworm)의 위장에서는 PS를 분해하는 Exiguobacterium sp. 가 분리되었으며, PET 에 노출된 환경에서는 PET 분해 세균인 Ideonella sakaiensis 가 발견되기도 했다. PET 분해 세균은 2가지 분해효소를 만들어 PET 를 환경적으로 무해한 2개의 모노머(mon- omer)로 전환한다.

2010년대 중반부터 미세플라스틱이 일부 세균, 먼지벌레붙이 유충, 갈레리아속 나방의 유충 (waxworm)에 의해 일부 생분해가 가능하다고 보고되었으나, 아직까지 실제 오염 현장에서 생물 학적 분해를 통한 미세플라스틱의 처리 사례는 거의 보고되지 않고 있다. 말레이시아 반도의 맹 그로브 퇴적층에서 분리된 세균(Bacillus cereus와 Bacillus gottheili)을 이용하여 PE, PS, PET 미세 플라스틱을 분해한 결과에서, Bacillus cereus와 함께 배양된 플라스틱은 각각 1.6, 7.4, 6.6%의 중 량이 감소한 반면, Bacillus gottheilli 배양액에서는 각각 6.2, 5.8, 3.0%의 중량 감소가 관찰되었다.

혐기조, 무산소조, 포기조로 구성된 A2O 공법은 하수에 존재하는 유기물과 영양물질을 제거하 는 기술인데, 미세플라스틱 제거에도 약간의 효과(생물학적 처리 후 16.6%의 미세플라스틱 농도 감소)가 있는 것으로 알려져 있다. 하수처리 과정에서 발생하는 슬러지는 토양개량제로 많이 이용 되는데, 하수슬러지의 토양 살포는 미세플라스틱이 환경으로 유입되는 주요 원인이기도 하다. 왜 냐하면 하수에 존재하는 많은 양의 미세플라스틱이 슬러지에 흡착되어 수중에서 제거되기 때문 이다. 따라서 하수슬러지에 존재하는 미세플라스틱을 처리하고자 초고온의 퇴비화 기술을 적용한 사례도 있었으며, 45 일간의 퇴비화 기간 동안 43.7%의 미세플라스틱이 Bacillus, Geobacillus, Thermus와 같은 초고온성 세균에 의해 산화되어 제거되었다.

육지에서 배출된 미세플라스틱의 대부분은 강이나 해양으로 유입된다. 수중에는 미세플라스틱 을 먹이로 이용할 수 있는 초미세 진핵 플랑크톤(picoeukaryotes)과 세균, 고세균(archaea) 등과 같 은 미생물이 존재한다. 또한 바다 생물들도 미세플라스틱을 섭취해 분해하기도 하는데, 홍해에서 서식하는 조개는 12 일간 PE microbeads 를 섭취하여 1.59%를 제거한 반면, 66.03%의 PE micro- beads 는 조개껍질에 흡착되어 제거되었다.

3. 미세플라스틱 제거 기술의 장단점 비교

 앞서 언급된 모든 미세플라스틱 제거 기술은 장점과 제한이 있다. 미세플라스틱은 흡착, 분리 막 여과, 침전 등과 같은 물리적 방법으로 쉽게 제거할 수 있다. 이 중 흡착에 의한 미세플라스틱 의 제거는 분리막 여과나 역삼투 공정과 비교했을 때 경제성이 우수하다. 분리막을 이용한 방법 은 여과에 많은 에너지가 필요하고, 오염된 분리막의 세척에도 비용이 소요되기 때문이다. 흡착 의 단점은 흡착제의 재사용이 어렵다는 것이다.

앞서 소개한 많은 방법 중에서 응집/침전은 실험실에서는 상대적으로 높은 미세플라스틱 제거 효율을 보인 반면, 실제 하수처리장에서의 처리효율은 낮았다. 하수처리장에는 미세플라스틱만 존 재하는 것이 아니기 때문이다. 이 방법은 또한 약품을 계속 주입해야 하기 때문에 운영비가 증가 한다는 단점도 있다. 광촉매를 이용한 미세플라스틱의 분해는 태양에너지를 이용하기 때문에 에 너지 비용은 적게 들지만, 처리할 수 있는 미세플라스틱의 종류가 적고 폴리머의 산화 과정에서 독성이 높은 중간생성물이 의도하지 않게 발생할 수 있다. 무엇보다 광촉매를 쉽게 분리하여 재 생한 후 다시 사용함으로써 처리비용을 낮추고 지속가능성을 높일 수 있는 효과적인 광촉매 개 발이 필요하다.

'생물학적 처리는 주로 활성슬러지와 생물학적 분해, 생물에 의한 섭취가 주된 처리 기작이다. 전반적으로 생물학적 미세플라스틱 제거는 다른 방법보다 효과적이지 않으며, 특정 생물종이나 환경 조건에서만 제거 또는 분해가 일어난다는 단점이 있다. 그럼에도 불구하고 생물학적 처리 방법은 운영비가 적고, 대규모 처리에 적합하며, 다양한 오염물질을 함께 처리할 수 있다는 장점 도 존재한다. 그렇지만 미세플라스틱을 처리할 수 있는 미생물을 확인하여 분리하는 것이 가장 어려운 숙제라고 할 수 있으며, 분해 산물의 독성도 검토해야 한다.

4. 미세플라스틱 처리를 위한 향후 연구 우선순위

 미세플라스틱은 우려되는 새로운 오염물질(contaminants of emerging concerns; CECs)로 분류되 고 있으며, 지난 20 년간 과학계의 많은 관심을 받았다. 그러나 대부분의 연구가 미세플라스틱의 유출 경로, 대기, 토양, 퇴적물, 강, 호수, 해양 등 환경에서의 발생과 분포 파악을 위주로 수행되 었다. 미세플라스틱의 생태독성과 처리기술에 관한 연구도 일부 수행되었지만 독성과 처리에 대 한 기작을 완전히 이해하기에는 여전히 부족하다. 따라서 미세플라스틱 오염에 대응하기 위해서 는 다음과 같은 연구가 우선적으로 수행되어야 한다.

참고문헌에서 데이터를 인용할 때, 각 연구별로 시료 채취 및 미세플라스틱의 추출, 분리, 식별, 정량 방법이 다르다는 것을 인지해야 하고, 분석 결과를 표현하는 농도 단위(items/m³, particles/kg, mg/kg 등)도 연구 목적에 따라 다르므로 주의해야 한다. 따라서 표준화된 미세플라스틱 분석 방 법과 절차, 단위 통일이 시급하게 필요하다. 분석 방법과 결과의 표현 방법이 동일해야 연구 결 과의 상호 비교가 가능하며, 이를 통해 환경에 존재하는 미세플라스틱의 분포를 보다 정확하게 평 가함으로써 올바른 정책을 수립할 수 있다.

미세플라스틱의 위해성평가 연구도 다수 수행되었지만, 실제 환경에 존재하는 농도를 이용한 독성 실험 결과는 여전히 부족하다. 또한 실험실에서 수행된 위해성평가 연구는 주로 풍화되지 않은 미세플라스틱과 실험용 표준 세포를 이용하기 때문에 실제 환경에 존재하는 플라스틱의 상 태와 생태계를 반영하지 못한다. 실제 환경에 존재하는 미세플라스틱은 물리, 화학, 생물학적 풍 화 과정을 거친 후 확인되지 않은 중간생성물로 전환된다. 게다가 실제 미세플라스틱은 자연 유기 물질이나 단백질 등으로 싸여 있거나 표면에 미생물이 군집을 이루고 있고, 중금속과 같은 다른 오염물질이 흡착되어 있기도 하다. 실제 환경에서 발생하는 이러한 현상은 미세플라스틱의 크기 와 모양, 구조, 화학적 특징뿐만 아니라 표면의 미생물 군집의 변화를 유발하는데, 실험실 연구에 서 이러한 현상까지 모사하기는 불가능하다. 미세플라스틱에 흡착된 다른 오염물질도 미세플라 스틱과의 상승작용에 의해 더 강한 독성이 발현되기도 하는데, 이러한 현상까지 폭넓게 연구가 이루어지지 않았으므로 향후에는 우선적으로 관련 연구가 이루어져야 한다.

우리의 일상생활 중에 발생한 미세플라스틱은 대부분 하수를 통해 하수처리장으로 유입된다. 따라서 현재는 하수처리 과정에서 미세플라스틱을 최대한 제거하여 수계로 배출되는 양을 최소 화하려고 노력하고 있다. 1차 처리에서는 주로 침전 또는 여과에 의해 미세플라스틱이 제거되고, 2차 처리에서는 미생물에 의한 처리, 3차 처리에서는 한외 또는 나노 여과, 역삼투 등으로 여과 하여 처리한다. 그러나 이러한 방법은 일반적으로 효과적이지 않거나 효율이 높지 않다. 따라서 환경에 존재하는 미세플라스틱을 경제적이고 효율적으로 처리할 수 있는 제거 기술의 개발에 더 많은 노력이 필요하다. 새롭게 개발되는 기술은 토양이나 연안 해역에도 적용할 수 있어야 한다. 본 리포트에서 살펴본 것과 같이 최신의 나노물질을 이용한 광촉매와 미생물을 이용한 생물학적 분해를 결합한 기술이 수중, 토양, 퇴적층에 존재하는 미세플라스틱을 처리하는 데 적용할 수 있 는 최적의 전략이라고 생각된다. 따라서 향후 이러한 기술에 대한 추가적인 연구가 필요하다.

5. 결론

미세플라스틱이 우리의 주변 환경에 만연하고 있고, 이들이 동식물과 인간에게 위해가 되므로 미세플라스틱에 의한 환경오염을 완화하려는 노력이 필요하다. 그동안 다양한 연구를 통해 미세 플라스틱의 분석 및 처리 기술의 발전을 이룩했지만, 대중들이 느끼기에는 여전히 미세플라스틱 의 위협에서 벗어나지 못하고 있다고 생각할 수 있다. 이러한 이유 중 하나가 앞서 지적하였듯이 오랜 기간의 연구에도 불구하고 아직까지 미세플라스틱의 분석과 결과 보고 방법조차도 표준화 하지 못하고 있다는 것이다. 이러한 상황에서 미세플라스틱 오염을 완화할 수 있는 올바른 정책 이 수립될 수 없다. 그러나 다행히도 많은 연구자의 노력으로 더디지만 표준화가 계속 진행되고 있으며, 일부 지역에서는 표준화된 방법으로 미세플라스틱을 분석하여 보고하고 있다. 따라서 머 지않은 미래에 연구자와 규제당국이 함께 협력하여 미세플라스틱 오염을 파악하고, 현재 상황에 맞는 정화 대책을 수립하여 적용할 것이라고 기대해본다.