University of Missouri 과학자들, 나노플라스틱 제거에 98% 성공률로 비밀을 풀다

최근 몇 년간, 미세플라스틱에 대한 인식이 급격히 증가하면서 과학자와 연구원들이 이를 제거할 방법을 조사하게 되었습니다.

미세플라스틱은 바다 깊은 곳을 포함한 모든 곳에 존재하며, 대부분 눈에 띄지 않게 축적됩니다. 해양, 극지, 그리고 담수 생태계를 오염시킬 뿐만 아니라, 나노플라스틱은 토양으로도 퍼져 오염을 일으키고 있습니다. 인간 식단의 필수 구성 요소인 식물과 수생 시스템 모두가 영향을 받고 있습니다.

‘신흥 오염물’로 분류되는 미세플라스틱은 1990년대에야 그 존재가 인식된 오염 물질입니다. 최근에야 우리는 1 mm ~ 1 µm 크기의 미세플라스틱과 1 µm보다 더 작은 나노플라스틱을 구분하기 시작했습니다.

나노입자는 너무 작아서 눈에 보이지 눈으로는 볼 수 없습니다; 실제로는 평균 인간 머리카락의 직경보다도 작습니다. 이러한 미세한 크기로 인해 생물학적 막을 침투하는 능력이 매우 높습니다.

이러한 나노플라스틱은 저가 충전재에 사용되거나 화장품, 치약, 스킨케어 제품에 포함되는 등 의도적으로 제조되는 경우도 있지만, 플라스틱 파편이 분해되어 작은 입자로 변하는 결과이기도 합니다. 환경 중 플라스틱 파편 양이 2050년까지 12 억 톤에 이를 것으로 예상되는 상황에서 이는 우려할 만한 사안입니다.

플라스틱의 분자 구조는 매우 지속성이 높아 다양한 제품에 매력적인 성분이 되지만, 이는 플라스틱 폐기물이 오랫동안 환경에 남는다는 의미이기도 합니다. 플라스틱은 분해되지 않고, 대신 파편화됩니다.

이 파편화는 파쇄, 세포 과정, 자외선, 물의 힘 등 여러 방식으로 발생합니다. 그 결과 플라스틱은 수십 년 동안 지속적으로 남아 더 작은 조각으로 부서져 왔습니다. 예를 들어, 작은 폴리에틸렌 조각은 시간이 지나면서 약 1,500개의 미세입자 또는 150,000개의 나노플라스틱 입자로 파편화될 수 있습니다.

입자가 작을수록 문제가 커집니다. 이는 나노입자가 우리 몸의 세포를 쉽게 침투할 수 있기 때문입니다. 추정에 따르면 우리는 매주 최대 5 그램의 미세플라스틱을 섭취합니다. 한편, 콜럼비아 대학교 화학 대학원생이 주도한 연구에서는 자극 라만 산란 현미경을 이용해 미국 인기 물 브랜드의 입자 중 90%가 나노플라스틱이며, 주로 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)와 폴리아미드로 구성되어 있음을 발견했습니다.

게다가 이러한 나노플라스틱 입자는 유연성 및 온도·부식에 대한 저항성과 같은 특성을 가지고 있어, 이전보다 환경에 더 위험합니다.

우리가 이전에 보고한 바와 같이, 그 작은 크기로 인해 야생동물에 의해 섭취되고 식품 사슬에 들어가기 쉬워집니다. 나노플라스틱이 식품 사슬을 통해 이동하면 살아있는 존재에게 상당한 독성을 초래합니다.

식물에서는 이러한 작은 입자가 세포벽을 관통해 조직 내부에 삽입될 수 있어 식품 안전 및 생태 기능에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.

인간에서는 나노플라스틱이 심혈관 및 호흡기 질환과 연관되어 있습니다. 한 연구에서는 150명의 환자에서 경동맥 플라크에 폴리에틸렌이 발견되었다고 보고했습니다. 또한, 미세플라스틱 및 나노플라스틱이 동맥경화 플라크에 존재하는 환자는 심근경색, 뇌졸중 또는 모든 원인에 의한 사망의 복합 위험이 더 높다는 것이 밝혀졌습니다.

나노플라스틱의 부정적인 영향은 염증, 면역독성, 성장 억제, 산화 손상 및 행동 능력 변화까지 포함합니다. 실제로 미세플라스틱은 인간 태반에서도 감지되었습니다. 이는 인공적인 오염이 얼마나 널리 퍼져 있는지, 그리고 우리 건강에 얼마나 해로운지를 보여줍니다.

단기 및 장기적인 영향 모두를 고려할 때, 나노플라스틱 입자는 큰 우려 대상이 되었습니다. 그러나 나노플라스틱의 미세한 크기로 인해 산화나 여과와 같은 일반적인 제거 방법은 적합하지 않습니다.

수중 나노플라스틱 제거를 위한 새로운 솔루션

최근, University of Missouri의 과학자들이 나노플라스틱을 물에서 98% 이상의 효율로 제거하는 데 성공했습니다.

이번 달 ACS Applied Engineering Materials에 발표된 연구는 이러한 미세 입자를 제거하기 위한 비용 효율적인 솔루션을 개발하는 것을 목표로 하며, 깨끗한 물을 확보하는 것이 여전히 과제임을 강조합니다. 이 결과를 달성하기 위해 Mizzou 대학 연구원들은 물에서 대부분의 미세 플라스틱 입자를 제거할 수 있는 액체 기반 솔루션을 만들었습니다. Mizzou에서 나노 및 재료 화학 박사 과정을 수행하면서 이 연구를 이끈 Piyuni Ishtaweera 박사에 따르면:

“나노플라스틱은 수생 생태계를 교란하고 식품 사슬에 진입하여 야생동물과 인간 모두에게 위험을 초래할 수 있습니다.”

그녀는 현재 세인트루이스에 있는 미국 식품의약국(FDA)에서 근무하고 있습니다. 그녀는 덧붙였습니다:

“쉽게 말해, 우리는 나노플라스틱과 같은 오염 물질을 물에서 제거하는 더 나은 방법을 개발하고 있습니다.”

이 새로운 방법은 물을 밀어내는 용매를 사용하는데, 이 용매는 천연이며 안전하고 무독성 성분으로 만들어집니다. 또한 물을 밀어내는 특성 덕분에 수원 오염을 방지하는 데 도움이 되어 ‘고도로 지속 가능한 솔루션’이 됩니다.

이 방법은 용매가 물 표면에 기름처럼 머무르게 함으로써 작동합니다. 그러나 용매가 물과 혼합되어 다시 분리될 때, 용매는 다시 표면으로 떠올라 그 분자 구조 안에 포함된 나노플라스틱을 함께 운반합니다.

연구팀은 폴리스티렌을 기반으로 한 다섯 가지 다른 농도의 나노플라스틱을 대상으로 혁신적인 방법을 테스트했으며, 폴리스티렌은 스티로폼 컵 등 다양한 소비재에 사용되는 고분자이며, 이는 매립 폐기물의 25-35%를 차지합니다. 전 세계는 매년 1,400만 톤 이상의 스티로폼을 생산하며, 미국만 해도 매년 약 250억 개의 스티로폼 컵을 버립니다.

Mizzou 연구 결과는 이전 연구보다 우수했으며, 이전 연구들은 주로 단일 크기의 플라스틱 입자에 초점을 맞추었습니다.

현재, 나노플라스틱이 함유된 용매를 제거하기 위해 연구원들은 실험실에서 피펫을 사용했으며, 그 결과 플라스틱이 없는 깨끗한 물이 남았습니다. 이는 소규모에서 수행되었지만, 향후에는 전체 과정을 확대하여 호수에서 시작해 궁극적으로 바다까지 대규모 수역에 적용하는 것이 목표입니다. 새로운 방법은 담수뿐만 아니라 염수에서도 효과적입니다.

연구의 교신 저자인 Mizzou 화학과 부교수 Gary Baker에 따르면:

“우리 전략은 소량의 맞춤형 용매를 사용해 대량의 물에서 플라스틱 입자를 흡수합니다.”

하지만 용매의 용량은 아직 충분히 파악되지 않았다고 Baker는 언급했으며, 향후 연구에서는 용매의 최대 용량을 정확히 규명하는 것을 목표로 할 것이라고 덧붙였습니다. 또한, 필요에 따라 “여러 번” 재사용할 수 있도록 용매를 재활용하는 방법도 탐구할 예정입니다.

전반적으로, 이 혁신적인 솔루션은 중요한 문제에 대한 실용적인 해결책을 제공함과 동시에 첨단 물 정화 기술 분야의 추가 연구 및 개발을 위한 길을 열어줍니다.

“과학적 관점에서 효과적인 제거 방법을 만드는 것은 여과 기술의 혁신을 촉진하고, 나노물질의 거동에 대한 통찰을 제공하며, 정보에 기반한 환경 정책 개발을 지원합니다.”

– Ishtaweera

나노플라스틱 오염에 대한 기타 혁신적 접근법

나노플라스틱은 지난 몇 년간 많은 관심을 받아왔으며 그 이유도 충분합니다. 위에서 자세히 설명했듯이, 이들의 환경 전반에 걸친 확산 경향과 모든 생물에 대한 위협은 우선순위가 되어야 합니다. 특히 이 나노입자는 기존의 대형·미세 플라스틱 입자를 제거하는 절차를 회피해 물 속에서 계속 증가하고 사회에 영향을 미치고 있기 때문에 더욱 중요합니다.

수년에 걸쳐 여러 방법이 실험되어 특정 나노입자를 효과적으로 제거하려는 시도가 이루어졌습니다. 여기에는 광촉매, 반응기를 이용한 막 분리, 미생물 기반 분해가 포함되며, 전통적인 중력 침전, 응집, 원심분리와 같은 절차도 함께 사용됩니다.

응고와 함께하는 여과는 실제로 식수에서 나노플라스틱을 제거하는 데 99% 이상의 효율을 발견되었습니다. 그러나 물론, 솔루션의 확장성, 잔류물 관리 및 다양한 종류의 나노플라스틱에 대한 제한된 효능 측면에서 한계가 남아 있습니다.

그렇다면 수년간 소개된 몇 가지 접근법을 살펴보겠습니다 인간 생명을 위협하는 인간 생명.

이러한 방법 중 하나는 크롬 기반 금속-유기 프레임워크를 사용해 폴리스티렌 나노플라스틱(PSNPs)을 제거하는 것이었습니다. 이를 위해 Cr-MOF는 크롬 질산염과 테레프탈산을 사용한 수열법으로 합성되었으며, 연구자들에게 96% 제거 효율을 제공했습니다.

몇 년 전, FAU 연구진은 자석을 이용해 다양한 크기와 종류의 플라스틱 입자를 제거했습니다. 시연에서는 연구원들이 플라스틱 표면에 결합하도록 설계된 무독성 나노입자 SPION을 사용해 응집체를 형성했습니다. 이들은 철산화물 코팅 덕분에 자석으로 수집될 수 있었습니다. SPION은 직경 약 30 nm로 접착제 역할을 했으며, 표면 기능을 조정해 특정 플라스틱에 맞출 수 있었습니다.

한편, 한국과학기술연구원(KIST) 연구진은 ‘프러시안 블루’를 사용해 이 작업을 수행했습니다. 흥미롭게도 이 물질은 청바지를 짙은 파란색으로 염색하는 데에도 사용됩니다. 따라서 고체 응집제를 개발함으로써, 연구는 가시광선 조사 하에서 나노플라스틱을 효과적으로 수집할 수 있었습니다. 이 방법은 추가 장비 없이도 플록큘런트만으로 미세플라스틱의 99%를 제거하고 방사성 세슘을 정화할 수 있었습니다.

몇 달 전, 워털루 대학 연구진은 새로운 방식을 소개했습니다. 그들은 에폭시를 사용해 유해 나노플라스틱을 94% 효율로 제거했습니다. 재처리할 수 없고 물 시스템 네트워크에 쉽게 들어가는 이 폐기 폴리머를 팀이 활성탄으로 전환한 뒤 오염된 물을 정화하는 데 사용했습니다.

워털루 화학공학 교수이자 연구 책임자인 Tizazu Mekonnen은 다음과 같이 말했습니다:

“플라스틱 폐기물 위기를 종식하고 플라스틱 생산이 환경에 미치는 영향을 줄이기 위해서는 플라스틱 여정의 모든 단계를 고려하는 순환 경제 접근법을 구현해야 합니다.”

그녀는 또한 이 절차를 다른 종류의 플라스틱 및 오염 물질에 적용하고, 시립 폐수 처리 시설에서 규모를 확대할 계획이라고 밝혔습니다.

산업을 변화시키는 인공지능(AI)조차도 연구원들이 나노입자 문제를 해결하기 위해 활용되고 있습니다. 워털루 대학 팀은 딥러닝과 분광학을 이용해 이러한 입자의 고유한 “지문”을 식별하는 PlasticNet이라는 AI 도구를 만들었습니다.

PlasticNet은 지역 폐수 처리 시설에서 성공적인 도구로 입증되었으며, 미세플라스틱 탐지 및 제거를 향상시켰습니다.

이러한 나노입자는 독성이 높기 때문에 정확한 종류 식별이 필수적입니다. 모든 플라스틱이 동일한 것은 아니며, 폴리에틸렌, 테플론, 폴리스티렌, 폴리염화비닐 등 다양한 종류가 존재합니다.

국제 표준은 식별을 위해 전자 현미경(EM)을 권고합니다. EM은 나노입자 이미지를 생성해 크기 기반 식별을 가능하게 하지만, 입자가 응집체 형태이거나 복잡한 형태일 경우 자동 이미지 분석이 어려워집니다.

따라서, 나노물질 산업 및 환경·보건 보호 기관을 돕기 위해 개선된 방법이 만들어졌습니다. AI 머신러닝 기능을 통합함으로써 POLLEN Metrology의 소프트웨어 도구는 이제 “자동적이고 주관적이지 않은 방식으로 몇 초 만에 수천 개의 NP 이미지를 정확히 식별”할 수 있게 되었습니다. Smart3 소프트웨어 제품군은 잠재적으로 유해한 나노입자 식별 속도를 높이는 데 도움이 될 것으로 기대됩니다.

모든 연구 외에도, 조직들 역시 나노플라스틱 문제를 해결하기 위한 방법을 찾고 기술을 개발하고 있습니다.

예를 들어, Polymateria는 처음부터 미세플라스틱과 나노플라스틱이 발생하지 않도록 혁신적인 생분해성 플라스틱을 만들고 있습니다.

PureCycle Technologies (PCT ) 는 나노플라스틱 오염을 간접적으로 감소시키는 유사한 접근법을 취하고 있습니다. 2024년 2분기를 1,090만 달러의 무제한 현금으로 마감한 이 회사는 고순도 재활용 폴리프로필렌을 생산해 플라스틱 재활용에 집중하고 있습니다.

그 혁신적인 폴리프로필렌 재활용 기술은 용융·여과(Polymer Extruder 및 Polymer Filter), 추출(Polymer/Solvent Mixer 및 Extraction Column), 혼합·침전(Polymer Mixer 및 Large Particle Settler), 여과(Candle Filters), 정제(Columns), 분리(Polypropylene/Solvent 및 Product Decanter), 그리고 압출·펠릿화(Polymer Extruder 및 Polymer Pelletizer) 등 일곱 단계로 구성됩니다.

Ocean CleanUp과 같은 노력도 해양에서 플라스틱을 제거하고 대규모 수역에서 작은 플라스틱 입자를 포획하는 방법을 조사하고 있습니다. 한편, Anfiro는 미세플라스틱과 나노플라스틱을 포함한 다양한 오염 물질을 제거하기 위한 고급 여과 막을 개발하고 있습니다.

Wasser3.0은 와류와 특수 설계된 하이브리드 실리카 겔을 이용해 나노입자를 제거하는 프로젝트 기반 기업입니다. 이 화합물인 Wasser 3.0 PE‑X는 미세플라스틱을 뭉쳐서 표면으로 떠오르게 하는 응집제로 작용하며, 체로 걸러 제거됩니다.

이 외에도 규모화에 중점을 두고 나노입자를 완전히 제거하고 생태계에서 근절하기 위한 보다 비용 효율적이고 진보된 솔루션을 만들기 위해 노력하는 기업과 프로젝트가 많이 있습니다.

결론

매립지와 해변에 플라스틱이 넘쳐나는 상황에서, 0.001 mm보다 작은 나노플라스틱은 어디에나 존재하게 되었고, 그 결과 식물, 조류, 해양 생물 및 인간에게 위험이 되고 있습니다. 나노입자에 노출되면 살아있는 존재에 부정적인 영향을 미치는 것으로 밝혀졌으며, 이는 환경에 대한 우려를 불러일으키고 인간 건강의 새로운 적을 해결해야 할 긴급한 필요성을 만들고 있습니다.

그 결과, 연구자와 조직은 지속성을 가진 이 작은 입자를 제거하기 위한 다양한 비전통적 방법을 탐구해 왔습니다. 그러나 현재까지 이러한 실험은 모두 실험실 수준에 머물고 있으며, 아직 규모화 가능한 해결책은 찾지 못했습니다.

그럼에도 불구하고, 이러한 새로운 방법들은 나노플라스틱 오염이라는 광범위한 문제를 해결하는 올바른 방향으로의 중요한 단계입니다. 또한, 이 문제가 주목받고 우리가 목격하고 있는 진전들을 고려할 때, 가까운 미래에 규모에 맞게 적용되고 효과적으로 깨끗한 물과 더 건강한 생태계를 제공할 수 있는 해결책을 기대할 수 있습니다.