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명현아(Hyeonah Myeong),김주혁(Juhyeok Kim),권기덕(Kideok D. Kwon) 대한지질학회 2021 대한지질학회 학술대회 Vol.2021 No.10
플라스틱은 일회용품, 생활용품 등으로 다양하게 사용되고 있으며 전세계 생산량이 연간 3억 7천만톤에 달한다. 하지만 이 중 6~26%만이 재활용되고, 그 외 많은 양의 플라스틱은 자연에 노출되어 기계적 풍화, 광분해 등에 의해 5 mm 이하의 미세플라스틱이나 100 nm 이하의 나노플라스틱으로 분해된다. 그중 자연환경에서 나노플라스틱 거동에 관한 연구는 현저히 부족하며, 특히 나노플라스틱의 거동을 결정지을 수 있는 광물 표면의 영향에 대한 지식은 전무하다. 나노플라스틱의 이동은 운동역학(kinetics) 기작과 정전기적 상호작용(electrostatic interaction)에 의해 결정될 수 있다. 운동역학 기작은 이류(advection), 확산(diffusion) 및 침전(sedimentation)으로 구성되며, 흡착 초기단계에 큰 영향을 미친다. 나노플라스틱과 광물표면간의 거리가 나노미터 수준으로 가까워질 때 정전기적 인력에 의해 흡착이 발생하며, 이는 전기이중층(electrical double layer)과 반데르발스(van der Waals) 힘으로 구성된 DLVO 이론으로 설명할 수 있다. 이번 연구는 수 ng/cm² 정도의 정밀도를 가지는 수정진동자미세저울(quartz crystal microbalance, QCM)을 사용하여 아민 작용기를 가지는 폴리스티렌 나노플라스틱(amine polystyrene nanoplastic, APS)의 흡착 반응도를 분석하였다. 일반적인 흡착 실험뿐만 아니라 중력에 반대되는 방향으로도 실험을 수행하여 침전에 의한 효과를 구분하였다. 느린 유속에서는 중력의 영향 때문에 두 조건에서의 APS 흡착량이 크게 차이났지만, 유속이 빨라짐에 따라 침전에 대한 효과가 감소하여 거의 동일한 흡착량이 얻어졌다. 또한 SiO₂와 Al₂O₃ 표면을 사용하여 표면특성에 따른 흡착 반응을 관찰하였으며, SiO₂ 표면에 더 많은 양의 APS가 흡착되었다. 이 결과는 PSNP 거동 예측에 활용될 수 있을 것으로 기대한다.
토양-지하수내 미세플라스틱 거동 연구를 위한 수정진동자미세저울 기술 소개
김주혁 ( Juhyeok Kim ),명현아 ( Hyeonah Myeong ),손상보 ( Sangbo Son ),권기덕 ( Kideok D. Kwon ) 한국암석학회·(사)한국광물학회 2020 광물과 암석 (J.Miner.Soc.Korea) Vol.33 No.4
최근 토양과 지하수에서도 미세플라스틱이 발견되어 미세플라스틱 환경오염 관련 연구의 중요성이 크게 대두되고 있다. 주로 μm - nm의 작은 입자로 존재하는 점토광물과 금속산화광물은 표면적이 넓어 미세플라스틱에 대한 흡착력 등 화학 반응도가 매우 높기 때문에, 광물표면 상호작용은 토양과 지하수 환경 내 미세플라스틱의 거동을 결정하는 중요한 역할을 할 수 있다. 따라서, 광물과 미세플라스틱 간의 상호작용에 대한 환경광물학 연구는 미세플라스틱 거동 예측 기술개발 및 오염대책 마련에 핵심이 되는 연구분야라 할 수 있다. 광물표면과 미세플라스틱(특히, 나노플라스틱) 연구에는 분자-나노수준의 분석기술이 요구된다. 이번 기술보고에서는 나노그람(=10<sup>-9</sup> g) 수준의 질량 변화를 실시간으로 측정할 수 있는 초정밀 분석기기로, 광물 표면에 흡·탈착되는 미세플라스틱 및 나노플라스틱의 미세한 질량 변화를 측정할 수 있는, 수정진동자미세저울(quartz crystal microbalance, QCM)을 소개한다. QCM 작동원리를 소개하고, 대표적인 QCM 연구결과와 기존 컬럼 실험과의 장단점을 비교하여 미세플라스틱 연구에 QCM 활용 가능성을 논의한다. Presence of microplastics in soil and groundwater has recently been reported and environmental concerns are raised as to the plastic pollution. In the subsurface environment, clay minerals and metal oxide minerals are commonly found as finely dispersed states. Because the minerals have high sorption capacities for diverse pollutants, interactions with mineral surface play an important role in the transport of microplastics in groundwater. Accordingly, environmental mineralogy investigating the interactions between microplastics and mineral surfaces is the essential research area to understand the fate and transport of microplastics in the subsurface environment. The microplastic-mineral surface research requires molecular- to nano-scale analyses to be able to probe the relatively weak interactions between them. The current report introduces a nano-scale analysis tool called quartz crystal microbalance (QCM) that can measure the sorbed/desorbed mass of nanoplastics on mineral surfaces at the level of a few nanograms (~10<sup>-9</sup> g). This report briefly reviews the main principles in the QCM measurement and discusses applications of QCM to the environmental mineralogy research.