공대상상(48호)

그렇다면, 공학자들이 어떤 분야를 연구하고, 현재 어떤 수준까지 기술이 발전하였는지 궁금하지 않으신가요? 그 궁금증을 조금이나마 해결해드리기 위해, 이번 기사에서는 미세 플라스틱이 무엇인지, 최신 연구 동향은 어떠한지 쉽게 풀어 설명해드리도록 하겠습니다. 그럼, 이제 한번 알아볼까요?

'미세 플라스틱'이란?

미세 플라스틱은 연구자에 따라 크기와 범주가 일정하지 않게 제시되고 있으며, 국제적으로도 합의된 기준은 아직 없는 상태입니다. 하지만 선행 연구와 입법 규제 국가에서 정의하는 미세 플라스틱은 '길이나 지름이 5㎜ 이하인 고체형 플라스틱 입자'를 말합니다. 유럽화학물질청(ECHA)에서 유럽연합 의회에 제출한 보고서에 따르면 미세 플라스틱은 첨가제 또는 기타 물질이 포함될 수 있는 고형 폴리머로 구성된 물질로 모든 차원에서 1㎚~5㎜인 입자인 경우를 의미하며, 제품 내 함량이 0.01% (질량비), 크기가 100㎚ 이상 5㎜ 이하이고, 길이와 직경의 비율이 3을 초과하는 경우를 미세 플라스틱으로 구분합니다.

미세 플라스틱이 함유된 가정용 제품은 치약, 벌레 퇴치제, 세탁 세제 등이 있으며 산업용 제품으로는 드릴링액¹⁾ 등이 있습니다. 이러한 제품들은 상당수가 사용 후 하수구로 버려져 해양 오염에 직접적인 영향을 줍니다. 또, 해양이나 지표면의 큰 플라스틱 쓰레기들은 태양빛이나 온도 같은 물리적/화학적/생물학적 과정을 통해 구조적 응집성이 감소하여 분해되기 시작하며, 그 결과 미세 플라스틱이 됩니다. 예를 들면, 큰 플라스틱 쓰레기에 태양 자외선이 비치게 되면 고분자 매트릭스²⁾가 산화반응을 일으켜 화학결합의 분열이 일어나며, 이로부터 광분해반응³⁾이 진행됩니다. 하지만 이러한 일련의 과정을 거치더라도, 미세 플라스틱은 그 작은 크기로 인해 분해되지 않고 환경에 지속적인 악영향을 끼치게 됩니다. 이것이 바로 미세 플라스틱이 문제인 진정한 이유이죠. 그럼, 이제 본격적으로 미세 플라스틱의 제거, 모니터링, 생분해 과정에 대해 알아보도록 할까요?

미세 플라스틱의 제거

미세 플라스틱을 제거하는 방법에는 어떤 것이 있을까요? 정말 다양한 방법이 연구, 개발되고 있지만, 오늘 기사에서는 가장 유망하다고 평가받는 분야에 대해 소개해보도록 하겠습니다! 미세 플라스틱을 제거하기 위한 대표적인 방법은 응집 공정, 용존 공기 부상 공정, 여과 공정이 있습니다.

응집 공정이란, 입자의 충돌 속도를 증가시켜, 전기적으로 불안정해진 콜로이드 입자를 침전성/여과성이 있는 입자로 뭉치게 하는 공정을 의미합니다. 간단하게 말하면, 본래 미세 플라스틱은 그 크기가 매우 작아 여과나 침전이 불가하나, 이를 응집제를 사용해 응집시켜 추후 공정이 가능하도록 하는 것입니다. 보통 응집 과정을 일으킨 후에, 입자를 침전시켜 제거하는 방식을 많이 사용하고 있습니다. 이 공정에서도 정말 다양한 요인이 작용하는데, 대표적으로는 미세 플라스틱의 크기, 표면 특성, 형태, 응집제가 있습니다.

일단, 플라스틱의 입자가 작을수록 응집이 더 효과적으로 이루어집니다. 특히 15-140μm 및 0.5-5mm 범위의 미세 플라스틱에서 이러한 현상이 공통적으로 나타납니다. 알루미늄이나 철을 이용해 미세 플라스틱을 제거하는 과정에서, 큰 입자(0.5-5mm)는 잘 제거되지 않았지만, 작은 입자(10-100μm)일수록 제거율이 높았습니다.

또한, 미세 플라스틱의 표면 특성도 제거율에 큰 영향을 미칩니다. 자외선과 자연 유기물질에 노출된 미세 플라스틱은 표면에 새로운 기능기가 형성되고, 표면 산화로 거칠기가 증가하며 파편화됩니다. 이로 인해 자외선에 노출된 미세 플라스틱과 응집제의 결합력이 증가하여 제거율이 크게 향상되는 것이죠. 이에 대한 증거로, 자외선 노출 전에는 64%였던 제거율이 자외선 노출 후 98%로 증가한 사례가 있습니다.

미세 플라스틱의 형태도 제거율에 영향을 미칩니다. 연구에 따르면, 비대칭적인 fiber 형태가 대칭적인 fragment 형태보다 제거율이 약 30-40% 더 높습니다. 표면이 거칠수록 응집제가 잘 붙어 제거율이 증가하며, 제거율은 거친 긴 모양(ER) > 매끄러운 긴 모양(ES) > 거친 구형(SR) > 매끄러운 구형(SS) 순으로 나타납니다.

그럼, 이젠 용존 공기 부상 공정에 대해 알아봅시다! 환경에 노출된 대부분의 미세 플라스틱은 비중이 물과 비슷하거나 낮은 것으로 확인됨에 따라, 용존 공기 부상 공정이 미세 플라스틱을 제거하기 위한 효과적인 대안으로 제시되고 있습니다. 이 방법은 침전 제거 공정에 비해 높은 제거 효율을 보인다는 특징이 있습니다. 용존 공기 부상 공정을 사용한 PE, PET, nylon(PA) 제거율 조사 결과, 0.4MPa에서 PE와 PET의 제거율은 각각 48.7%, 38.9%였고, PA는 0.5MPa에서 32.7%의 제거율을 보였습니다. 이 결과는 미세 플라스틱의 비중과 친수성 또는 소수성과 관련이 있습니다. 특히, PET는 PA보다 비중이 높지만, 소수성이 커서 용존 공기와 결합이 잘 이루어져 제거율이 높습니다.

미세 플라스틱 제거율은 입자 크기와도 관련이 있습니다. 용존 공기 방울과 크기가 비슷한 20-40μm 크기의 입자들이 가장 높은 제거율을 보이며, 이는 이 크기의 입자가 용존 공기 방울과 충돌 및 결합할 가능성이 크기 때문입니다.

이 밖에도 응집 보조제인 cetyltrimethylammonium bromide(CTAB)를 첨가하면 용존 공기 부상 공정의 효율이 증가하는 것으로 나타났습니다. PE는 68.9%, PET는 58.8%, PA는 43.8%의 제거율을 보였습니다. CTAB는 용존 공기의 표면을 양으로 하전시켜 액체의 표면장력을 약화하고, 용존 공기 방울의 크기를 줄여주었습니다. 이로 인해 모든 크기의 미세 플라스틱 제거율이 증가했습니다.

마지막은 여과 공정입니다! 여과에는 크게 두 가지 종류가 있다고 볼 수 있습니다. 바로 '모래 여과'와 '바이오차'이죠. 모래 여과는 정수 처리에서 흔히 사용하는 방법입니다. 모래의 작은 구멍을 통해 오염물을 걸러내는 방식이죠. 반면에, 바이오차는 나무와 같은 바이오매스(Biomass)를 산소가 없는 제한된 조건에서 열분해해 숯 형태로 만든 신개념 친환경 물질입니다. 대부분의 연구에서 모래 여과는 mm 단위의 미세 플라스틱을 잘 제거한다고 합니다. 하지만 1-10μm 크기의 미세 플라스틱은 효과적으로 제거하기 어렵습니다.

그렇다면, 모래 여과와 바이오차 여과 중 더 미세 플라스틱을 잘 걸러내는 방법은 무엇일까요? Wang 연구팀의 실험에 따르면, 바이오차가 모래보다 미세 플라스틱을 더 잘 걸러낸다고 합니다. 10μm 크기의 PS 입자를 여과했을 때, 바이오차가 모래보다 약 2.6배 더 높은 효율을 보였죠. 바이오차는 미세 플라스틱을 거의 유출시키지 않았고, 다양한 크기의 미세 플라스틱을 효과적으로 제거했습니다.

그렇다면, 왜 바이오차가 더 좋을까요? 정답은 바이오차의 구조에 숨겨져 있답니다. 바이오차는 다양한 구조를 가지고 있어 미세 플라스틱을 잘 잡아둡니다. 특히, 고온에서 만든 바이오차는 벌집 모양의 구조가 많아 미세 플라스틱을 갇히게 만듭니다. 반면, 모래는 단순히 미세 플라스틱을 표면에 붙잡아둘 뿐이죠.

미세 플라스틱의 모니터링

다음으로 살펴볼 분야는 미세 플라스틱 모니터링입니다! 아무리 미세 플라스틱을 제거할 방안을 많이 알고 있다 해도, 미세 플라스틱이 어디에 있는지 알지 못한다면, 무슨 소용이 있을까요? 제거 및 처리 활동의 '효율'에 핵심적인 역할을 하는 것이 바로 모니터링 분야랍니다!

하지만, 미세 플라스틱의 크기가 워낙 작고, 해양은 매우 넓으며 해류 또한 날마다 불규칙적이기에 모니터링 시스템을 구축하는 것은 쉬운 일이 아니랍니다. 이 때문에, 논문 또한 많이 존재하지 않으며, 대부분 국지적인 환경에서 실시한 것이 대부분이죠. 현재 유망한 분야로 레이저를 이용한 미세 플라스틱 위치 추적 및 검출 기술이 있습니다. 이 밖에도, 드론을 이용해 해양 폐기물을 추적할 수도 있고, 위성을 이용하는 방법도 존재합니다. 이렇게 작은 플라스틱을 실시간으로 추적하고, 빠르게 제거할 수 있는 시스템을 만드는 것은 오롯이 미래의 연구자들인 여러분의 몫이랍니다!

미세 플라스틱의 생분해

미세 플라스틱을 친환경적으로 분해하기 위해, 많은 연구자는 다양한 자연 물질이나 생물들을 이용해 왔습니다! 그중에서 가장 대표적인 것은 생체 물질이나 미생물을 이용한 방법입니다. 해파리 내의 점액 물질 JEI를 이용해 미세 플라스틱이나 중금속을 제거할 수 있음이 밝혀진 적 있다는 사실, 알고 계셨나요? 인공 폐수에 다양한 비율로 JEI를 혼합한 후 음이온 고분자를 대조군으로 사용하여, 60분 후 상층액의 미세 플라스틱 형광 세기를 측정하여 제거율을 평가했습니다. 결과적으로, 혼합 비율이 높아질수록 JEI와 음이온 고분자 모두 미세 플라스틱 제거율이 증가했으나, JEI는 음이온 고분자보다 최대 7배 더 효율적으로 미세 플라스틱을 제거했습니다. 이는 JEI의 당단백질 그물 구조가 필터 효과와 결합하는 메커니즘을 통해 미세 플라스틱을 더 효과적으로 제거하기 때문이었다고 합니다. 이처럼, 전혀 예상할 수 없는 물질들이 때로는 굉장히 중요한 역할을 하기도 한답니다! 혹시, 여러분 근처에 있는 물질이나 재료도 다르게 생각해보면 굉장히 중요하게 이용될 수 있는 곳이 있지 않을까요?

5. 마무리

오늘은 미세 플라스틱을 처리·모니터링하기 위해 노력하는 공학자들의 다양한 논문에 대해 읽어보았습니다. 미세 플라스틱에 관련된 문제가 사그라들기는커녕 날이 갈수록 불어나고만 있기에, 많은 공학자가 밤낮 가리지 않고 연구를 계속하고 있죠. 그리고 지금까지 많은 연구가 이어져 온 만큼, 미래에는 더욱 뛰어나고 실용적인 방안이 많이 등장하게 될 것입니다. 그리고, 앞으로의 길을 만들어가는 것은 바로 독자 여러분과 미래 연구자들의 몫이죠. 앞으로 어떤 재미나고 멋있는 아이디어들이 우리를 기다리고 있을지, 벌써 기다려지네요!