[한국] KIST, 친환경 나노플라스틱 제거 기술 개발

태양광 조사 조건서 작동하는 친환경 나노플라스틱 제거 소재

기존 정수장서 처리하기 어려운 수백 나노미터 수준 미세플라스틱 추가설비 없이 응집제만으로 99% 제거 가능

플라스틱 폐기물은 시간이 지나면서 분해를 거듭해 미세플라스틱으로 변한다. 현재 운용 중인 정수장에서는 20μm보다 작은 미세플라스틱은 제거할 수 없어 보다 큰 크기로 뭉친 후 제거해야 한다. 

이를 위해 철 (Fe) 또는 알루미늄 (Al) 기반 응집제가 사용되나, 이들 물질은 물에 잔류해 인체에 심한 독성을 유발하기 때문에 별도의 처리 공정이 요구되는 등 궁극적인 해결책은 되지 못한다.

[그림 1] 나노플라스틱과 가시광 활성 응집 소재의 상호작용

수중 응집소재가 가시광조사 환경에서 나노플라스틱과 정전기적인 상호작용을 통해 화학적인 산화-환원 반응을 일으키고 그 결과 안정화된 응집물이 형성된다. [그림출처(picture source) =한국과학기술연구원(KIST)]

한국과학기술연구원 (KIST, 원장 윤석진) 물자원순환연구단 최재우 박사 연구팀은 가시광이 조사되는 조건에서 나노플라스틱을 효과적으로 응집할 수 있는 친환경 금속-유기물 골격체 기반 고형 응집제를 개발했다고 밝혔다.

페로시안화 칼륨 용액에 염화 철(III)을 더한 금속-유기물 골격체 기반 물질인 ‘프러시안 블루’최초의 합성안료로 청바지를 진한 파란색으로 물들이는 데 사용되며, 최근에는 일본 방류수에서 방사성 원소인 세슘을 흡착하는 용도로도 사용된 바 있다. 

KIST 연구팀은 프러시안 블루를 활용한 수중 방사성 물질 제거 관련 실험을 진행하던 중 가시광 조사 조건에서 프러시안 블루가 미세플라스틱을 효과적으로 응집하는 현상을 발견했다.

KIST 연구팀은 프러시안 블루의 응집효율을 극대화할 수 있도록 결정 구조를 조절해 미세플라스틱을 효과적으로 제거할 수 있는 소재를 개발했다. 개발된 소재에 가시광을 조사하면 기존 여과기술로는 제거하기 힘들었던 약 0.15μm(150nm) 직경의 초미세플라스틱을 약 4,100배 크기로 응집해 제거가 용이한 크기로 만들 수 있다. 

 

[그림 2] 가시광활성 나노플라스틱 응집소재의 구조 및 응집 과정

a) 나노플라스틱 응집 소재의 구조와 합성 과정을 보여준다. (b) 가시광이 조사되는 나노플라스틱이 존재하는 물에 응집소재를 첨가한 후 응집물이 형성되는 과정을 보여준다. 가시광이 조사되면 (f) 격자 내 전자 이동이 발생되어 정전기적인 준안정 상태를 유도한다. (g) 이를 안정화하기 위하여 표면 음전하를 띤 나노플라스틱과 응집 현상이 일어나고 (h) 안정화된다. 20 μm 이상의 응집물에 포함된 나노플라스틱을 (c) 막을 활용하여 회수한다. (d) 이미지는 응집물을 촬영한 전자주사현미경 이미지를 보여주며 (e)는 응집물에 포함된 나노플라스틱을 보여주는 확대 전자주사현미경 이미지이다. [그림출처(picture source) =한국과학기술연구원(KIST)]

 

실제 실험 결과 물속 미세플라스틱을 최대 99%까지 제거하는 것을 확인했다. 개발된 소재는 또한 자신보다 3배 이상 많은 양의 초미세플라스틱을 응집할 수 있는 성능을 지니고 있는데, 이는 기존에 활용되는 철이나 알루미늄을 사용한 응집제보다 약 250배 우수한 응집효율이다.

연구팀이 개발한 소재는 특히 인체에 무해한 프러시안 블루 소재를 사용할 뿐 아니라 물에 녹여 사용하는 방식이 아닌 고형 응집제를 사용하기 때문에 잔여물 회수가 쉽다. 또한 자연광을 에너지원으로 하므로 저에너지 공정 구현 또한 가능하다.

KIST 최재우 박사는 “일반적인 하천, 하폐수 처리 시설이나 정수장에 적용할 수 있는 후보 소재로서 상용화 가능성이 매우 높은 기술”이라며, “개발된 소재를 사용하면 수계에 존재하는 나노플라스틱뿐 아니라 물속 방사성 세슘까지 정화할 수 있어 안전한 물을 공급할 수 있을 것”이라고 기대했다. 

[그림 3] 응집 소재를 활용한 나노플라스틱 제거 성능

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(a)는 가시광 조사 환경에서 시간에 따라 나노플라스틱과 응집소재가 응집되어 서로 뭉치는 과정을 촬영한 스냅숏 이미지를 나타낸다. (b) 처리 시간에 따라 응집물의 크기가 증가되어 25분이 지나면 응집물의 크기가 최대가 되며 제거 반응이 종료되는 것을 나타내는 그래프이다. (c) 폴리알루미늄클로라이드(PAC)라는 상용 수용성 알루미늄 기반 응집제와 본 연구의 고형 응집 소재를 활용해 형성된 응집물이 형성된 후 교반 속도에 따른 용액의 탁도를 나타내는 그래프이다. 교반 속도가 증가하면서 생기는 흐름에 의해 응집물이 부서지면 탁도가 높아지게 되는데, 본 연구에서 소개된 소재(FeHCF nanobot)이 형성한 응집물이 상용 응집 소재(PAC)보다 약 2배 가량 높은 교반 속도에서 부서져 높은 물리적인 안정성을 나타낸다. 이러한 안정성은 응집물을 회수하기 용이하게 한다. (d) 나노플라스틱의 농도가 증가함에 따라 소재의 나노플라스틱 제거량이 높아지는 것을 나타내는 그래프이다. (e) 처리시간이 20분 정도 지나면 소재가 반응 평형에 도달해 빠르게 효율적으로 나노플라스틱을 응집할 수 있는 능력을 보여준다. (f) 기존에 개발된 응집 및 흡착소재와 나노플라스틱의 최대 제거 성능과 속도를 비교한 그래프를 나타낸다. 이전 연구들의 결과에서 도출된 수치를 큰 차이로 상회하는 결과를 보여준다. [그림출처(picture source) =한국과학기술연구원(KIST)]

 

한편, 논문의 제1저자인 KIST 정영균 박사후 연구원은 “이 소재의 원리를 활용하면 초미세플라스틱 뿐 아니라 수계에 존재하는 다양한 오염물질을 제거하는데 활용 가능할 것”이라고 밝혔다.

과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원으로 소재혁신선도사업(2020M3H4A3106366)과 KIST 기관고유사업(2E32442)으로 수행된 이번 연구성과는 국제 학술지  『워터리서치(Water Research)』 10월 1일자에 ‘나노플라스틱에 대한 가시광 유도 자주 나노봇(Visible-light-induced Self-propelled Nanobots Against Nanoplastics)’이라는 제목으로 게재되었다.

[그림 4] 응집 소재의 실제 자연수로 적용 가능성 평가

(a) 용액의 pH가 응집 소재의 나노플라스틱 제거 성능에 미치는 영향을 보여주는 그래프. 자연수와 유사한 중성 영역의 pH에서 나노플라스틱 제거 성능이 뛰어났다. (b) 자연수에 가장 높은 농도로 존재하는 4가지 양이온이 공존하는 조건에서의 나노플라스틱 제거 성능을 증류수에서의 나노플라스틱 제거 성능과 비교한 그래프를 나타낸다. 또한, (c) 자연수에 가장 높은 농도로 존재하는 4가지 음이온이 공존하는 조건에서의 나노플라스틱 제거 성능을 증류수에서의 나노플라스틱 제거 성능과 비교한 그래프를 나타낸다. (d) 잘 배열된 응집 소재의 결정 격자가 (e) 양이온이 공존하는 조건에서 내부 침투에 의한 격자 간격이 늘어나고(intercalation) 이에 따라 불안정한 상태가 미세플라스틱과의 반응을 촉진했다. (f) 음이온들이 결정 외부에 흡착되며 불안정한 상태가 되어 미세플라스틱과의 반응을 촉진했다. 하지만, (g) 공존하는 유기물은 미세플라스틱에 대한 응집 효율을 저하시켰다. (h) 나노플라스틱의 초기농도가 20 mg/L 미만인 경우에 99.9%의 제거 효율을 보여준다. (i) 적정 가시광의 세기가 조사되는 환경에서 응집 소재의 나노플라스틱 제거 성능이 가장 높았다. [그림출처(picture source) =한국과학기술연구원(KIST)]

 

[원문보기]

Hongneung to Become a Venue for Cooperation between Young Scientists from South Korea and the US

 

KIST(President: Seok-Jin Yoon) announced that the 2023 KIST-LLNL Joint Workshop to promote cooperation with the American research institute, Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), was held from the 12th to the 14th of September in the Hongneung region of Seoul.

The workshop, the fourth of its kind to be held by the two organizations, is designed to provide a platform for young scientists from Korea and the United States to grow into next-generation science and technology leaders through joint research. A total of 21 researchers, led by Dr. Glenn A. 

Fox, visited Korea to attend the event, where researchers from both countries shared their joint research outcomes in the solid-state battery, computational science, hydrogen, catalyst, and climate & environmental fields and discussed future cooperation.

KIST and LLNL have been seeking out potential areas for mutual cooperation that can promote their respective strengths while compensating for weaknesses through joint workshops that have been held since 2019. 

The result of this was the establishment of international joint research in five fields: solid-state batteries, computational science, hydrogen, catalysts, and climate & the environment.

In addition, starting from this year, KIST researchers will be dispatched to LLNL to further expand the scope of international cooperation.

LLNL is a representative American research institute under the US Department of Energy’s National Nuclear Security Administration. Since its establishment in 1952, LLNL has led the development of technologies to meet the R&D needs for maintaining US national security, from high-performance computer technologies to advanced laser technologies. 

Currently, more than 8,000 researchers at LLNL are conducting research in various fields, such as bioscience, space physics, materials science, energy-related research including the development of innovative technologies in the field of energy production and use, terra-level computer simulation research, high-performance climate environmental impact assessment research, and research that addresses national security threats caused by the spread of weapons of mass destruction (WMDs).

Seok-Jin Yoon, the President of KIST, commented, “This cooperation model between KIST and LLNL is expected to serve as an excellent precedent for revitalizing R&D through international cooperation that centers on young scientists from both countries.” Meanwhile, Glenn A. Fox, Associate Director for LLNL, stated.

 "I'm pleased that such a meaningful event could be held at KIST, and I hope that this workshop will be an opportunity to expand on research cooperation between our two organizations in the future."

The research paper, which was carried out as a material innovation leading project and a KIST institution-specific project with the support of the Ministry of Science and ICT (Minister Lee Jong-ho), was published in the international journal Water Research on October 1.

[출처 = 한국과학기술연구원(KIST)(https://eng.kist.re.kr/eng/newscenter/press-release.do?mode=view&articleNo=9459&article.offset=0&articleLimit=10) / 2023년 10월 12일

[연구논문출처 = 『워터리서치(Water Research)』(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043135423009831?via%3Dihub#fig0006) / 2023년 10월 1일자]