[스페인] 수중 나노플라스틱 분해 유망한 방법 개발

스페인 마드리드자치대학·아르헨티나 마르델플라타 국립대학 연구팀 공동 연구

수중 폴리스티렌 나노플라스틱을 효율적으로 분해할 수 있는 광-펜톤(photo-Fenton) 방법 기반 공정 개발

『환경화학공학저널(Journal of Environmental Chemical Engineering)』 최근호에 발표

스페인 마드리드 자치대학교(UAM)의 연구원들은 물 속에서 폴리스티렌 나노플라스틱(polystyrene nanoplastic)을 효율적으로 분해할 수 있는 광-펜톤(photo-Fenton) 방법을 기반으로 한 공정을 개발했다. 그림은 『환경화학공학저널(JECE)』에 게재된 기사의 그래픽 요약. [그림출처(picture source) = 마드리드 자치대학교(UAM)]

 

마드리드 자치대학교(Autonomous University of Madrid, UAM)의 연구원들은 물 속에서 폴리스티렌 나노플라스틱(polystyrene nanoplastic)을 효율적으로 분해할 수 있는 광-펜톤(photo-Fenton) 방법을 기반으로 한 공정을 개발했다. 

이러한 발전은 특히 하·폐수처리장(Wastewater Treatment Plants, WWTP)에서 플라스틱 오염과의 싸움에서 핵심이 될 수 있다.

마드리드 자치대학교(UAM)와 아르헨티나 마르델플라타 국립대학교(National University of Mar del Plata)의 환경학자, 화학자, 화학 엔지니어로 구성된 팀은 폴리스티렌 나노플라스틱을 물에서 분해하기 위해 광-펜톤 처리방법(photo-Fenton treatment method)을 적용하는 방법을 조사했다.

이 방법은 광원(UV-Vis 방사선, UV-Vis radiation)과 낮은 농도의 철(균질 촉매, as a homogeneous catalyst)을 결합하여 과산화수소(H2O2)를 고도로 산화되는 종으로 분해하도록 활성화한다. 이러한 종은 주변 조건에서 작동하면서 다양한 잔류성 오염물질을 이산화탄소(CO2) 및 물과 같은 무해한 분자로 분해할 수 있다.

『환경화학공학저널(Journal of Environmental Chemical Engineering, JECE)』 최근호(10월 5일자)에 발표된 결과는 광-펜톤 공정(photo-Fenton process)이 물 속에서 폴리스티렌 나노플라스틱의 완전하고 신속한 분해를 달성하며, 이는 이전 연구에서 언급된 다른 광촉매 공정(photocatalytic processes)의 제거 수준을 크게 초과한다는 것을 보여준다.

또한, 이 처리는 더 높은 농도의 나노플라스틱과 더 큰 입자에 적용할 수 있어 시약의 용량을 조정하고 처리 시간을 연장할 수 있다.

이러한 결과를 바탕으로 광-펜톤 공정(photo-Fenton process)은 하·폐수처리장의 정화단계(3차 처리)로서 높은 잠재력을 가지고 있다. 

저자는 “이 방법은 막 여과와 같은 전통적인 분리 공정과 결합하여 플라스틱 오염물의 분해를 개선하고 분산과 영향을 줄이며 고품질 재생수 생산을 보장할 수 있다”라고 말한다.

이 연구는 호르헤 가르시아(Jorge Garcia), 데이비드 오티즈(David Ortiz), 칼라 디 루카(Carla di Luca), 마카레나 무뇨즈(Macarena Munoz), 하이메 카바호(Jaime Carbajo), 자하라 마르티네스 데 페드로(Zahara Martinez de Pedro) 및 호세 안토니오 카사스 데 페드로(Jose Antonio Casas de Pedro)가 기술 기반 회사인 캡토플라스틱, S.L.(CAPTOPLASTIC S.L.)과 공동으로 수행했다.

플라스틱 쓰레기에 대한 도전

뛰어난 특성 덕분에 플라스틱은 우리 환경 어디에나 존재하며 ‘일회용 문화(throwaway culture)’의 필수적인 기둥이 되었다. 맥락상 2021년 전 세계 플라스틱 생산량은 약 3억9천만 톤에 달했으며 이 수치는 향후 20년 내에 두 배로 증가할 것으로 예상된다.

이 시나리오에서는 플라스틱 폐기물의 과도한 생산과 부적절한 관리가 21세기의 주요 환경 문제 중 하나로 등장한다. 플라스틱 제품의 유통기한은 하루(일회용 플라스틱)부터 50년 이상까지 다양하다.

폐기 시 12%만이 에너지 회수에 사용되고, 9%는 재활용되며, 8%는 매립되고, 불행하게도 71%는 환경에 분산된다.

이러한 상황은 플라스틱 폐기물이 생태계에 심각한 위협이 된다는 것을 보여준다. 이러한 물질은 수년 동안 지속될 수 있고, 분해되는 데는 수십 년, 심지어 수백 년이 걸릴 수 있기 때문이다.

일단 플라스틱 폐기물이 환경에 배출되면 미세플라스틱(< 5mm)과 나노플라스틱(< 1μm)으로 조각화된다. 나노플라스틱의 분산은 그 크기로 인해 생물학적 막을 침투하여 세포 기능에 영향을 미치고 생명체에 손상을 줄 수 있기 때문에 특히 경고한다.

 플라스틱 폐기물이 환경에 배출되면 미세플라스틱(5mm 미만)과 나노플라스틱(<1μm 미만)으로 조각화된다. 나노플라스틱의 분산은 그 크기로 인해 생물학적 막을 침투하여 세포 기능에 영향을 미치고 생명체에 손상을 줄 수 있기 때문에 특히 경고한다.  [그림출처(picture source) = 『환경화학공학저널(JECE)』]

 

물은 환경에서 마이크로플라스틱과 나노플라스틱을 운반하는 주요 수단입니다. 하·폐수처리장은 이러한 오염 확산의 중요한 지점으로 확인되었다.

현재 하·폐수처리 시설은 플라스틱 오염물질의 90% 이상을 제거할 수 있지만 수역으로 배출되는 양은 여전히 걱정스러울 정도로 높다. 따라서 하수처리장에서 마이크로플라스틱과 나노플라스틱의 배출을 방지하는 새로운 수처리 기술의 개발이 시급하다.

[원문보기]

A promising method for the degradation of nanoplastics in water

 

Researchers at the Autonomous University of Madrid (UAM) have developed a process based on the photo-Fenton method that allows the efficient degradation of polystyrene nanoplastics in water. This advance could be key in the fight against plastic pollution, especially in Wastewater Treatment Plants (WWTP).

A team of environmentalists, chemists and chemical engineers from the Autonomous University of Madrid (UAM) and the National University of Mar del Plata (Argentina) has investigated the application of the photo-Fenton treatment method to degrade polystyrene nanoplastics in water.

This method combines a light source (UV-Vis radiation) with low concentrations of iron (as a homogeneous catalyst) to activate the decomposition of hydrogen peroxide (H2O2) into highly oxidizing species. These species can degrade various persistent pollutants into harmless molecules, such as carbon dioxide and water, operating under ambient conditions.

The results, published in the Journal of Environmental Chemical Engineering, reveal that the photo-Fenton process achieves complete and rapid degradation of polystyrene nanoplastics in water, significantly exceeding the removal levels of other photocatalytic processes mentioned in previous studies. 

In addition, this treatment can be adapted to higher concentrations of nanoplastics and larger particles, adjusting the dose of reagents and prolonging the treatment time.

Based on these findings, the photo-Fenton process has a high potential as a purification step (tertiary treatment) in WWTP facilities. "This method could be combined with traditional separation processes, such as membrane filtration, to improve the degradation of plastic contaminants, reducing their dispersion and impact, and ensuring the production of high-quality reclaimed water," the authors state.

The study was carried out by Jorge Garcia, David Ortiz, Carla di Luca, Macarena Munoz, Jaime Carbajo, Zahara Martinez de Pedro and Jose Antonio Casas de Pedro, in collaboration with the technology-based company CAPTOPLASTIC S.L.

The challenge of plastic waste

Thanks to their outstanding properties, plastics are ubiquitous in our environment and have become an essential pillar of the "throwaway culture". For context, in 2021, global plastic production reached almost 390 million tons, and this figure is projected to double in the next two decades.

In this scenario, the excessive production and inadequate management of plastic waste emerges as one of the main environmental challenges of the XXI century. The shelf life of plastic products varies from one day (single-use plastics) to more than 50 years. 

When discarded, only 12% is used for energy recovery, 9% is recycled, 8% ends up in landfills and, unfortunately, 71% is dispersed in the environment.

This situation poses a serious threat to ecosystems, as these materials can persist for years, taking decades or even centuries to degrade.

Once in the environment, the waste is fragmented into microplastics (< 5 mm) and nanoplastics (< 1 μm). The dispersion of nanoplastics is especially alarming because, due to their size, they can penetrate biological membranes and affect cell functioning, causing damage to living beings.

Water is the main means of transport of micro- and nanoplastics in the environment. Wastewater Treatment Plants (WWTPs) have been identified as critical points in the spread of this pollution. 

Although current WWTP facilities can remove more than 90% of plastic pollutants, the amount released into water bodies remains worryingly high. Therefore, it is urgent to develop new water treatment technologies that prevent the emission of micro- and nanoplastics from WWTPs.

Bibliographic reference : Di Luca, C.; Garcia, J.; Ortiz, D.; Munoz, M.; Carbajo, J.; De Pedro, Z.M.; Casas, J.A. (2023). "Mineralization of polystyrene nanoplastics in wat

[출처 = 마드리드자치대학교(UAM)(https://www.uam.es/uam/investigacion/cultura-cientifica/noticias/exito-degradacion-microplasticos) / 2023년 9월 25일]

[논문출처 = 『환경화학공학저널(JECE)』(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221334372301494X?via%3Dihub) / 2023년 10월 5일자]