[인도] 물에서 미세플라스틱 제거하는 새로운 하이드로겔 개발

인도과학연구소(IISC) 연구팀, 고분자 네트워크 가진 지속가능한 하이드로겔 설계

하이드로겔, 중성인 pH(∼6.5)에서 미세플라스틱을 95%까지 제거

물의 pH 수준·온도·미세플라스틱 농도가 다른 곳에서 미세플라스틱 제거 확인

다양한 수원서 미세플라스틱 제거하기 위해 대규모로 배포할 수 있는 장치 개발 위해 협력

인도를 대표하는 대학교인 인도과학연구소(IISC)의 연구원들은 물에서 미세플라스틱을 제거하기 위해 지속가능한 하이드로겔(hydrogel)을 설계했다. 연구팀은 가공된 3D pGel@IPN 하이드로겔을 사용하여 몰 속 미세플라스틱 오염을 해결했다. [그림출처(picture source) = 인도과학연구소(IISC) / 소우미 두타(Soumi Dutta) 연구원]

미세플라스틱(Microplastic)은 인간의 건강에 큰 위협이 된다. 이 작은 플라스틱 쓰레기들은 우리가 마시는 물을 통해 우리 몸으로 들어와 질병의 위험을 높일 수 있다. 또한 극지방의 만년설이나 심해의 해구 같은 외딴 지역에서도 발견될 수 있으며, 수생생물과 육상생물을 위협한다.

이 새로운 오염물질을 방지하기 위해 인도를 대표하는 대학교인 인도과학연구소(Indian Institute of Science , IISC)의 연구원들은 물에서 미세플라스틱을 제거하기 위해 지속가능한 하이드로겔(hydrogel)을 설계했다. 이 물질은 독특하게 얽혀있는 고분자 네트워크(polymer network)를 가지고 있으며 자외선 조사를 사용하여 오염물질을 결합하고 분해할 수 있다.

과학자들은 이전에 미세플라스틱을 제거하기 위해 여과막을 사용하려고 시도했다. 그러나, 그 여과막들은 이 작은 입자들로 막히게 되고, 그 것들을 지속 불가능하게 만들 수 있다. 대신에, IISC 재료공학부의 수리야사라티 보스(Suryasarathi Bose) 교수가 이끄는 연구팀은 3D 하이드로젤에 의존하기로 결정했다.

연구진이 개발한 새로운 하이드로겔은 키토산(chitosan), 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol), 폴리아닐린(polyaniline) 등 서로 다른 세 개의 고분자 층이 서로 얽혀 있어 IPN(Interpetrating Polymer Network, 상호 침투 고분자 네트워크) 구조를 만들었다. 연구진은 이 매트릭스에 구리 대체 폴리옥소메탈레이트(Cu-POM)라는 물질의 나노클러스터(nanocluster)를 주입했다.

하이드로겔(hydrogel)을 이용하여 물 속 미세프라스틱을 제거하는 기술을 개발한 인도과학연구소(IISC) 재료공학부 수리야사라티 보스(Suryasarathi Bose) 교수와 소우미 두타 연구원. [사진출처(Photo source) = 인도과학연구소(IISC) / 소우미 두타(Soumi Dutta)]

 

이들 나노클러스터는 UV 광을 이용하여 미세플라스틱을 분해할 수 있는 촉매이다. 고분자와 나노클러스터의 결합으로 많은 양의 미세플라스틱을 흡착하여 분해하는 능력을 가진 강한 하이드로겔이 생성되었다.

대부분의 미세플라스틱은 가정용 플라스틱과 섬유가 불완전하게 분해된 결과다. 연구팀은 실험실에서 이를 모방하기 위해 식품 용기 뚜껑과 일상생활에서 사용하는 플라스틱 제품을 잘게 부수어 자연에 존재하는 가장 흔한 미세플라스틱인 폴리염화비닐(polyvinyl chloride)과 폴리프로필렌(polypropylene)을 만들었다.

“미세플라스틱의 처리 또는 제거와 함께, 또 다른 주요 문제는 검출이다. 이것들은 매우 작은 입자들이기 때문에, 육안으로 볼 수 없다”라고 나노과학 분야 국제 학술지 『나노스케일(Nanoscale)』에 발표된 연구의 제1저자인 소우미 두타(Soumi Dutta)와 재료공학과의 인도 국립 과학 및 공학연구위원회(Science and Engineering Research Board, SERB) 박사후 연구원은 설명한다.

연구진은 이 문제를 해결하기 위해 미세플라스틱에 형광 염료를 추가해 서로 다른 조건에서 하이드로겔에 얼마나 흡착되고 분해되는지 추적했다. “물의 pH 수준, 온도, 미세플라스틱 농도가 다른 곳에서 미세플라스틱 제거를 확인했다”고 소우미 두타는 설명한다.

하이드로겔은 매우 효율적인 것으로 밝혀졌다. 그것은 물 속의 두 종류의 미세플라스틱을 거의 중성인 pH(∼6.5)에서 약 95%와 93%를 제거할 수 있었다. 인도과학연구소(IISC) 연구팀은 그 물질이 얼마나 내구성이 있고 강한지를 실험하기 위해 또한 여러 실험을 수행했다. 그들은 세 개의 중합체의 조합이 다양한 온도에서 그것을 안정적으로 만든다는 것을 발견했다. 

“우리는 더 지속 가능하고 반복적으로 사용할 수 있는 물질을 만들고 싶었다”라고  수리야사라티 보스(Suryasarathi Bose) 교수는 설명한다. 하이드로겔은 효과의 현저한 손실 없이 미세 플라스틱 제거의 최대 5주기 동안 지속될 수 있다.

게다가, 보스 교수는 하이드로겔이 사용 기간이 지나면 오염된 물에서 6가 크롬과 같은 중금속을 제거할 수 있는 탄소 나노물질로 용도를 바꿀 수 있다고 지적한다.

앞으로 연구원들은 다양한 수원에서 미세플라스틱을 제거하는 데 도움이 되도록 대규모로 배포할 수 있는 장치를 개발하기 위해 협력자들과 협력할 계획이다.

 

 

 

 

 

 

[원문보기]

Novel hydrogel removes microplastics from water

 

Microplastics pose a great threat to human health. These tiny plastic debris can enter our bodies through the water we drink and increase the risk of illnesses. They are also an environmental hazard; found even in remote areas like polar ice caps and deep ocean trenches, they endanger aquatic and terrestrial lifeforms.

To combat this emerging pollutant, researchers at the Indian Institute of Science (IISc) have designed a sustainable hydrogel to remove microplastics from water. The material has a unique intertwined polymer network that can bind the contaminants and degrade them using UV light irradiation.

Scientists have previously tried using filtering membranes to remove microplastics. However, the membranes can become clogged with these tiny particles, rendering them unsustainable. Instead, the IISc team led by Suryasarathi Bose, Professor at the Department of Materials Engineering, decided to turn to 3D hydrogels.

The novel hydrogel developed by the team consists of three different polymer layers - chitosan, polyvinyl alcohol and polyaniline - intertwined together, making an Interpenetrating Polymer Network (IPN) architecture. The team infused this matrix with nanoclusters of a material called copper substitute polyoxometalate (Cu-POM). 

These nanoclusters are catalysts that can use UV light to degrade the microplastics. The combination of the polymers and nanoclusters resulted in a strong hydrogel with the ability to adsorb and degrade large amounts of microplastics.

Most microplastics are a product of incomplete breakdown of household plastics and fibres. To mimic this in the lab, the team crushed food container lids and other daily-use plastic products to create two of the most common microplastics existing in nature: polyvinyl chloride and polypropylene.

"Along with treatment or removal of microplastics, another major problem is detection. Because these are very small particles, you cannot see them with the naked eye," explains Soumi Dutta, first author of the study published in Nanoscale, and SERB National Post-doctoral fellow at the Department of Materials Engineering.

To solve this problem, the researchers added a fluorescent dye to the microplastics to track how much was being adsorbed and degraded by the hydrogel under different conditions. "We checked the removal of microplastics at different pH levels of water, different temperatures, and different concentrations of microplastics," explains Dutta.

The hydrogel was found to be highly efficient - it could remove about 95% and 93% of the two different types of microplastics in water at near-neutral pH (~6.5). The team also carried out several experiments to test how durable and strong the material was. They found that the combination of the three polymers made it stable under various temperatures.

"We wanted to make a material that is more sustainable and can be used repetitively," explains Bose. The hydrogel could last for up to five cycles of microplastic removal without significant loss of efficacy. 

What's more, Bose points out, is that once it has outlived its use, the hydrogel can be repurposed into carbon nanomaterials that can remove heavy metals like hexavalent chromium from polluted water.

Moving forward, the researchers plan to work with collaborators to develop a device that can be deployed on a large scale to help clean up microplastics from various water sources.

[출처 = 인도과학연구소(IISC)(https://www.iisc.ac.in/events/novel-hydrogel-removes-microplastics-from-water/) / 2024년 4월 12일]

[연구논문출처 = 『나노스케일(Nanoscale)』(https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/nr/d3nr06115a) / 2024년 4월 10일]