바이오인

수계로 유입된 플라스틱은 광산화, 풍화, 자외선 등에 의해 미세한 입자로 변한다. 일반적으로 5 mm 이하 크기의 플라스틱을 미세플라스틱으로 칭한다. 이 중 5 μm (0.005 mm)이하 크기의 미세플라스틱은 유기체와 결합되어 상호작용을 하며(Journal of Environmental Health Sciences, 48 (2022) 106-115; Environmental Toxicology and Pharmacology, 64 (2018) 164-171), 1 μm 이하 크기의 미세플라스틱은 폐포까지 도달해 천식과 폐 섬유화 등 다양한 호흡기 질환을 유발할 수 있다(Environmental Science & Technology, 57(6) (2023) 2435-2444). 최근에는 섭취 이외에 세포막을 통해서도 인체에 침투된다는 사실이 보고된 바 있다(Environmental Science & Technology, 57(30) (2023) 10911-10918; 54(21) (2020) 14007-14016).

한편, 현재 운용 중인 정수장의 수처리 공정을 활용하면 20 μm 이상 크기의 미세플라스틱은 99% 이상 제거가 가능하다는 연구결과가 보고된 바 있다. 따라서, 20 μm 미만의 미세플라스틱에 대해 응집 공정을 적용하여 크기가 20 μm 이상으로 하는 복합체를 만들어 제거하는 방법을 고려할 수 있다. 기존의 미세플라스틱 응집제는 수용성 Fe 또는 Al기반의 응집제로서 반응성을 높이기 위해 과량을 사용하기 때문에 물에 잔류하여 환경을 오염시키고 인체에 심한 독성을 유발하는 문제가 있으며, 잔류하는 응집제를 제거하기 위한 별도의 처리 공정이 요구된다.

본 연구에서는 가시광이 조사되는 조건에서 나노플라스틱을 효과적으로 응집할 수 있으며 환경에 무해한 금속-유기물 골격체 기반 고형 응집제를 개발하였다. 이 소재를 활용하여 인체 및 환경에 무해한 미세플라스틱 응집 공정을 구현할 수 있으며, 종래 기술의 응집제를 이용한 미세플라스틱 응집 방법에 대비하여 월등히 우수한 응집 효율을 나타낸다. 종래 기술의 응집제를 이용한 미세플라스틱 응집 방법의 경우 독성의 응집제가 잔류할 뿐만 아니라 응집 효율을 위해 pH 조정이 필수적인 반면, 본 소재는 인체에 무해한 소재를 사용한다는 점과 pH 조정 공정이 필요 없고, 잔여물 회수가 용이하다는 점에서 환경에 무해한 미세플라스틱 응집 공정을 구현할 수 있다.

이 소재는 기존 기술로 제어하기 힘든 150 nm 정도의 직경을 지닌 초미세플라스틱을 효과적으로 응집하여 크기를 약 4,100배 키워 일반적인 기존 여과기술을 이용해 효과적으로 제거할 수 있게 한다. 이 소재는 자신의 무게보다 3배 이상의 무게를 지닌 초미세플라스틱을 응집할 수 있는 성능을 지닌다. 게다가, 강물이나 하천수, 바닷물 같은 자연수에 다량 존재하는 다양한 음/양이온과 정전기적인 상호작용을 통해 나노플라스틱 응집효율이 극대화되어 실험실 수준의 성능 평가 결과보다 실제 적용 조건에서 더 높은 효과가 예상된다.

이 미세플라스틱을 응집하는 소재는 안료로 널리 사용되고 있으며, 최근 일본 방류수에서 반감기가 길어 오랫동안 잔류하는 방사성 원소인 세슘 흡착 용도로도 응용되고 있다. 이 밖에 연료전지, 의료 분야에서도 이 소재를 활용하는 연구가 진행되고 있다.

본 소재를 활용하면 기존 일반적인 하천, 하폐수 처리 시설이나 정수장 같은 다양한 물속 미세플라스틱 제거를 위한 수처리 응집 시설에 그대로 적용할 수 있기 때문에 상용화 가능성이 높은 기술이다. 이 기술을 활용하면 수계에 존재하는 나노플라스틱뿐 아니라 물속 방사성 세슘까지 효과적으로 제거하여 안전한 물 공급 문제까지 해결할 것으로 기대된다. 이 소재를 활용한 나노플라스틱 응집 공정은 자연광을 에너지원으로 하므로 저에너지 공정 구현이 가능하며 사용된 소재는 인체 및 환경 유해성이 매우 낮아 친환경적인 기술로 활용이 기대된다.

프러시안 블루는 잘 알려진 수중 방사성 물질을 제거할 수 있는 성능을 지닌 잘 알려진 소재입니다. 관련 실험을 진행하던 중 프러시안 블루가 가시광 조사 조건에서 미세플라스틱을 효과적으로 응집할 수 있다는 현상을 발견하였고, 이 물질의 응집효율을 극대화할 수 있도록 결정 구조를 조절하여 효과적으로 미세플라스틱을 응집할 수 있는 소재를 개발했습니다.

기존의 흡착, 응집, 막여과를 활용한 수처리 기술은 초미세플라스틱을 효과적으로 제거하기 위해 요구되는 공정 운영 비율이 높아 효율이 낮았다. 게다가 기존의 미세플라스틱 응집제는 수용성 기반의 중금속 응집제로서 물에 잔류하여 환경을 오염시키고 인체에 심한 독성을 유발하는 문제가 있어서 잔류하는 응집제를 제거하기 위한 별도의 처리 공정이 요구된다.

이번 성과의 가시광 조사 환경에서 나노플라스틱과 결합하여 최대 4,100배로 크기를 키울 수 있는 이 소재 기술은 소재가 가시광 조사 조건에서 스스로 움직여 나노입자와 결합하기 때문에 별도의 교반 장치가 요구되지 않으며, 실제 자연수에 존재하는 다양한 음/양이온은 이 소재의 성능을 극대화하는 특징을 지녀 실험실 규모에서 보다 더욱 높은 응집 효율이 기대된다. 또한, 이 소재는 기존의 하천수, 강물, 하폐수처리 시설 등에서 활용하고 있는 응집-침전 공정에 적용할 수 있어 상용화 가능성이 높은 저에너지/친환경 기술이다.

본 소재를 활용하면 기존의 일반적인 하천, 하폐수 처리 시설이나 정수장 같은 다양한 물 속 미세플라스틱 제거를 위한 수처리 응집 시설에 그대로 적용할 수 있기 때문에 상용화 가능성이 높은 기술이다. 이 기술을 활용하면 수계에 존재하는 나노플라스틱뿐 아니라 물 속 방사성 세슘까지 효과적으로 제거하여 안전한 물 공급 문제까지 해결할 것으로 기대된다. 이 소재를 활용한 나노플라스틱 응집 공정은 자연광을 에너지원으로 하므로 저에너지 공정 구현이 가능하며 사용된 소재는 인체 및 환경 유해성이 매우 낮아 친환경적인 기술로 활용이 기대된다.

친환경 나노플라스틱 제거 기술이 실용화되기 위해서는 수심과 탁도 등 다양한 변수에 의해 최적의 가시광 세기를 조사할 수 있는 기술 개발이 수반되어야 한다. 그리고 연속적으로 물이 유입되는 환경에서 응집된 나노플라스틱과 응집제의 복합물을 효율적으로 회수하기 위한 기술 및 공정 개발이 필요하다.