석유계 생분해성 플라스틱의 분해 기전 및 가속화 소재 개발 연구 = Investigation of degradation mechanisms and development of degradation-accelerating materials for petroleum-based biodegradable plastics

국문 초록 (Abstract)

석유계 생분해성 플라스틱 분해 기전 및 가속화 소재 개발 연구 Polybutylene succinate(PBS)와 Polybutylene adipate terephthalate(PBAT)는 기존 석유계 플라스틱의 지속 가능한 대안으로 주목받는 생분해성 지방족 폴리에스터이다. 그러나 자연 환경에서의 느린 분해 속도는 실제 활용에 한계를 보인다. 특히 PBS의 경우, 생물학적 분해 가능성이 보고되어 있음에도 불구하고 곤충 기반 분해 연구는 거의 이루어지지 않아 장내 미생물의 역할과 분해 경로가 명확히 규명되지 않았다. PBAT는 생물학적 분해 연구가 다수 존재하나, 방향족 테레프탈산 단위체로 인해 미생물이나 효소의 접근이 제한적이며, 자연 조건에서 실질적인 분해 가속화 기술이 부족한 상황이다. 본 연구에서는 이러한 한계를 극복하고자 생물학적 및 비생물학적 분해 전략을 적용하였다. 먼저, 밀웜(Tenebrio molitor)를 이용한 PBS의 생분해 가능성을 평가한 결과, PBS:밀기울(2:8) 조건에서 가장 높은 생존율(79.39 ± 11.06%)과 안정적인 성장을 보였다. 배설물 내 잔류 PBS의 겔 투과 크로마토그래피(GPC) 분석에서 제한된 탈중합(LD) 양상이 관찰되었으며, 수평균 분자량과 중량평균 분자량이 각각 63.76%와 71.14% 증가하여 부분적 사슬 절단과 재결합이 나타났다. 또한 FT-IR과 NMR 분석을 통해 에스터 결합 절단과 하이드록실기 형성이 확인되었고, 장내 미생물 분석에서 Pseudomonas aeruginosa가 lipase 및 cutinase 활성을 통해 PBS 분해에 관여함을 밝혔다. 이어서, 폐달걀껍질에서 유래한 수산화칼슘(Ca(OH)2)을 활용하여 PBAT 필름의 광분해를 가속화하였다. UV-C 조사 시 광촉매 복합 필름은 표면 거칠기와 다공성이 증가하였으며, 두께 감소율 10.62%, 카르보닐 지수 5.94% 상승으로 분해 효율이 향상되었다. 이러한 결과는 폐기물로부터 얻은 Ca(OH)2가 PBAT 광분해를 촉진하고, 생물 폐기물의 순환 활용을 가능하게 함을 보여준다. 두 실험은 서로 다른 메커니즘을 통해 생분해성 폴리에스터의 분해 한계를 극복할 수 있음을 보여준다. 밀웜 기반의 생물학적 분해는 낮은 에너지와 낮은 환경 부담의 조건에서 고분자 사슬 절단이 가능함을 확인하였으며, 광촉매 기반의 비생물학적 분해는 폐자원을 활용하여 외부 자극 하에서 분해 반응을 가속화할 수 있음을 입증하였다. 향후 이러한 상호보완적 접근은 생분해성 플라스틱의 처리 효율을 높이고, 생물학적 및 비생물학적 방식을 결합한 통합적 분해 전략으로 확장될 수 있다. 나아가 폐기물 저감, 자원 순환, 환경 문제 완화를 동시에 실현할 수 있는 지속 가능한 기술적 대안으로서의 가능성을 제시한다.

주제어: 석유계 생분해성 플라스틱, 밀웜 기반 생물학적 플라스틱 분해, 광촉매 기반 비생물학적 플라스틱 분해, 장내 미생물, 폐달걀껍질 기반 Ca(OH)2 광촉매.

목차 (Table of Contents)

• 국문초록 i
• 목 차 iv
• 표 목 차 viii
• 그 림 목 차 ix
• 약 어 목 록 xii
• 제 1장 서론 １
• 1.1. 연구 배경 １
• 1.1.1. 난분해성 플라스틱으로 인한 환경 오염 문제 １
• 1.1.2. 생분해성 플라스틱 특징 ７
• 1.1.3. 생분해성 플라스틱 한계 １１
• 1.1.4. 생분해성 플라스틱 기존 연구 동향 １２
• 1.2. 연구 목표 １５
• 제 2장 밀웜에 의한 Polybutylene succinate 분해 메커니즘 연구 １７
• 2.1. 연구 배경 １７
• 2.2. 재료 및 방법 ２２
• 2.2.1. 실험 재료 ２２
• 2.2.2. 실험 기구 ２３
• 2.2.3. 실험 방법 ２５
• 2.2.3.1. 먹이 및 밀웜 준비 방법 ２５
• 2.2.3.2. PBS와 밀기울 혼합먹이를 섭식한 밀웜 생체 변화 ２９
• 2.2.3.3. 배설물 내 잔류 PBS 산화 특성 분석 ３０
• 2.2.3.4. PBS와 밀기울 혼합 먹이 섭식한 밀웜의 장내 미생물 군집 분석 ３４
• 2.2.3.5. PBS 분해 활성을 보이는 장내 미생물 분리 ３５
• 2.2.3.6. PBS 분해 균주의 효소활성 평가 ３６
• 2.3. 실험 결과 ３９
• 2.3.1. PBS와 밀기울 혼합 먹이를 섭식한 밀웜의 성장 분석 ３９
• 2.3.2. 배설물 내 분해 및 산화된 잔류 PBS 분석 ４６
• 2.3.3. PBS와 밀기울 혼합먹이 섭식에 의한 장내 미생물 군집 변화 ５５
• 2.3.4. PBS 분해하는 장내 미생물 동정 및 분해 기전의 특성 분석 ５９
• 2.4. 결론 및 고찰 ６３
•  
• 제 3장 폐달걀껍질로부터 제작된 Ca(OH)2 광촉매의 Polybutyleneadipate terephthalate 분해 가속화 연구 ６４
• 3.1. 연구 배경 ６４
• 3.2. 재료 및 방법 ６８
• 3.2.1. 실험 재료 ６８
• 3.2.2. 실험 기구 ６９
• 3.2.3. 실험 방법 ７２
• 3.2.3.1. 폐달걀껍질 유래 Ca(OH)2 광촉매 제작 ７２
• 3.2.3.2. Ca(OH)2 광촉매 염료분해 활성 평가 ７３
• 3.2.3.3. Ca(OH)2 광촉매 특성화 ７３
• 3.2.3.4. Ca(OH)2 광촉매 전기화학적 특성화 ７４
• 3.2.3.5. PDMS 몰드 및 PBAT-Ca(OH)2 복합 필름 제작 ７６
• 3.2.3.6. PBAT-Ca(OH)2 복합 필름 특성화 ７７
• 3.2.3.7. PBAT-Ca(OH)2 복합 필름 UV 조사 ７８
• 3.2.3.8. PBAT-Ca(OH)2 복합 필름 분해 특성 분석 ７８
• 3.3. 실험 결과 ８３
• 3.3.1. Ca(OH)2 광촉매 염료 분해 활성 평가 ８３
• 3.3.2. Ca(OH)2 광촉매 물리적 특성 ８５
• 3.3.3. Ca(OH)2 광촉매 전기화학적 특성 ９０
• 3.3.4. PBAT-광촉매 복합 필름 물리적 특성 분석 ９３
• 3.3.5. UV 조사 전 후 복합 필름의 분해 및 산화 특성 분석 ９７
• 3.4. 결론 및 고찰 １０３
• 제 4장 연구 종합 결론 및 논의 １０５
• 참고문헌 １０９
• Abstract １２０