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최근 아내와 난 즐겨 먹는 어진향차 티백 제품에서 플라스틱 재질의 티백을 제거하고 별도의 금속 재질 필터를 구매해서 차를 음용하기 시작했다. 이유는 티백에서 나오는 미세플라스틱 때문이었다. 미세플라스틱은 5mm 이하의 플라스틱 조간이나 입자이다. 너무 작은 플라스틱이라서 아직까지 팩트 있게 인간의 건강에 미치는 영향에 대해서는 정확한 논문이나 근거는 없다. 하지만 공기 중에 떠도는 미세먼지만큼이나 물속에 있는 미세플라스틱은 분명히 인체에 큰 영향을 줄 것이라고 개인적으로 생각해 본다. 오늘의 주제는 이런 미세플라스틱을 친환경적-저비용-저에너지로 제거하고 정수할 수 있는 물질? '프러시안 블루'라는 청바지 염색에 쓰이는 염색제를 알아보려고 한다.
KIST 청바지 염색제 프러시안 블루 - 물속 나노 플라스틱 안전하게 제거
2023년 10월 12일 한국과학기술연구원(KIST)에서 연구 보도된 자료에 따르면 '청바지 염색하는 프러시안 블루로 물속 나노 플라스틱 안전하게 제거'라는 제목으로 태양광 조사 조건으로 작동하는 친환경 나노플라스틱 제거 소재 '프러시안 블루'가 기존 정수장에서 처리하기 어려운 수백 나노미터 수준의 미세플라스틱을 추가 설비 없이 응집제로 99% 제거 가능이라는 연구 결과를 논문에 기재하며 국내-해외에 특허 출원을 진행 중이라고 밝혔다.
자세한 보도 내용과 눈문 정보는 아래와 같다.
논문 정보
■ 논문
제목: Visible-light-induced Self-propelled Nanobots Against Nanoplastics
학술지: Water Research
게재일: 2023. 10. 01.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.watres.2023.120543
■ 논문 저자
정영균 박사 후 연구원 (제1저자/KIST 물자원순환연구단), 정경원 책임연구원 (교신저자/KIST 물자원순환연구단), 최재우 책임연구원 (교신저자/KIST 물자원순환연구단)
■ 논문 내용에 따른 기대효과
프러시안 블루 연구 소재를 활용하면 기존 일반적인 하천, 하폐수 처리 시설이나 정수장 같은 다양한 물속 미세플라스틱 제거를 위한 수처리 응집 시설에 그대로 적용할 수 있기 때문에 상용화 가능성이 높은 기술이다. 이 기술을 활용하면 수계에 존재하는 나노플라스틱뿐 아니라 물속 방사성 세슘까지 효과적으로 제거하여 안전한 물 공급 문제까지 해결할 것으로 기대된다. 이 소재를 활용한 나노플라스틱 응집 공정은 자연광을 에너지원으로 하므로 저에너지 공정 구현이 가능하며 사용된 소재는 인체 및 환경 유해성이 매우 낮아 친환경적인 기술로 활용이 기대된다.
플라스틱 폐기물은 시간이 지나면서 분해를 거듭해 미세플라스틱 매크로 플라스틱(>5 mm), 미세 플라스틱(5mm-5μm), 나노플라스틱(<0.1μm) 으로 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.
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. 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.
오늘 소개된 연구 논문에서 친환경 나노플라스틱 제거 기술은 아직 실용화 단계는 아니다. 이런 좋은 기술을 실용화하기 위해서는 수심과 탁도 등 물의 다양한 변수에서 가시광 세기를 조사할 수 있는 기술 개발이 선행되어야 된다. 이후 연속적으로 물이 유입되는 환경에 프러시안 블루 소재로 응집된 푸른색의 응집물질을 효율적으로 회수하기 위한 기술 및 공정 시스템 개발이 필요하다고 한다.
미세플라스틱 문제점과 제거방법 - 프러시안블루 특징과 미세플라스틱 제거 기술
■ 미세플라스틱의 문제점
미세플라스틱이란 5mm 이하의 플라스틱 조각이나 입자를 말한다. 미세플라스틱은 플라스틱 제품이 자연 환경에서 분해되거나, 화장품, 세제, 의류 등에 첨가된 플라스틱 성분이 배출되어 생성된다. 물, 공기, 토양 등에 널리 분포하고 있으며, 인간의 식품 사슬에도 침투하고 있다.
미세플라스틱은 인체에 흡수되거나 축적될 수 있으며, 호르몬 분비 장애, 면역 기능 저하, 암 발생 등의 건강 문제를 유발할 수 있다.
미세플라스틱은 환경에도 심각한 영향을 미친다. 미세플라스틱은 해양 생물에게 삼키거나 감싸져서 손상을 입히거나, 영양소의 흡수를 방해하거나, 독성 물질을 전달하거나, 생물 다양성을 감소시키거나, 식물의 생장을 저해하거나, 기후 변화를 촉진하거나, 물의 품질을 저하시키는 등의 부정적인 효과를 가져온다.
■ 미세플라스틱 제거 방법
기존의 미세플라스틱 제거 방법은 여과, 응집, 부상, 산화, 생물학적 처리 등이 있다. 하지만 이들 방법은 미세플라스틱의 크기, 모양, 성질, 농도 등에 따라 제거 효율이 달라지며, 고비용, 고에너지, 고장비, 고유지 등의 문제점을 가지고 있다. 특히 기존의 응집제로 사용되는 철이나 알루미늄은 물에 남으면 독성을 유발하므로 별도의 처리 공정이 필요하다.
새로운 미세플라스틱 제거 방법은 기존의 방법보다 더 효과적이고, 친환경적이고, 저비용이고, 저에너지이고, 저장비이고, 저유지이어야 한다. 미세플라스틱 제거 방법은 미세플라스틱의 크기, 모양, 성질, 농도 등에 상관없이 높은 제거 효율을 보여야 한다. 물에 잔류하는 물질이 없거나, 있더라도 인체와 환경에 무해하거나, 쉽게 회수할 수 있어야 한다.
□ 프러시안 블루의 특징
프러시안 블루는 페로시안화 칼륨 용액에 염화철(III)을 더한 금속-유기물 골격체 기반 물질이다. 프러시안 블루는 최초의 합성안료로 청바지를 진한 파란색으로 물들이는 데 사용되며, 최근에는 일본 방류수에서 방사성 원소인 세슘을 흡착하는 용도로도 사용되고 있다.
프러시안 블루는 그 특유의 색상과 흡착력 때문에 다양한 분야에 응용되고 있다. 예를 들어 프러시안 블루는 청바지 염색제로 널리 사용되며, 미술에서는 청색 안료로, 인쇄에서는 청색 잉크로, 의학에서는 방사성 세슘 중독 치료제로, 화학에서는 전기화학적 센서나 배터리로, 환경에서는 방사성 원소나 중금속 흡착제로 사용된다.
□ 프러시안 블루를 활용한 미세플라스틱 제거 기술이란?
프러시안 블루는 물속에서 음이온과 양이온으로 분리되며, 음이온인 페로시안화 이온은 미세플라스틱의 표면에 부착된다. 페로시안화 이온은 미세플라스틱 간에 다리 역할을 하여, 미세플라스틱을 응집시킨다. 응집된 미세플라스틱은 부력을 잃어 침전하거나, 여과막에 걸러지거나, 자석에 붙어 회수될 수 있다.
프러시안 블루의 응집 효율은 실험실 조건에서 99% 이상이었으며, 실제 물에서도 90% 이상이었다. 프러시안 블루의 안전성은 독성 시험과 생분해 시험을 통해 확인되었다. 프러시안 블루는 물에 잘 분해되며, 물고기나 미생물에 독성을 나타내지 않았다.
글 내용 참조 기사 등 출처 정보 : 크랩KLAB, 한국과학기술연구원
https://youtu.be/v9mdRe9vVsM?si=H4u63lVuV-tEHakG
https://kist.re.kr/ko/news/latest-research-results.do?mode=view&articleNo=9464