CJK 2025년 3월호 [특집] 물속에서 폴리머 형태 특성화하는 고급 분석 기법

# 물속에서 폴리머 형태를 특성화하는 고급 분석 기법

마이크로 플라스틱과 나노 플라스틱에 대한 정의는 전 세계적으로 다양하지만 입자와 용액 사이의 단단하거나 잘 구분된 계면을 명시적으로 또는 암묵적으로 언급하는 경우가 많다. 이것은 용액에 용해된 단일 분자와 구별된다. 그러나 나노 규모에서 이러한 차이를 감지하기는 어렵다.

이 연구에서는 분석 산란 기법을 사용해 폴리비닐알코올(PVA), 폴리에틸렌글라이콜과 같은 수용성 폴리머의 거동을 나노 크기의 폴리스타이렌 비드와 비교했다. 동적 광 산란(DLS, Dynamic Light Scattering)과 소각 X선 산란(SAXS, Small Angle X-Ray Scattering)을 통해 수용성 폴리머와 분산된 나노 플라스틱의 형태와 크기를 측정했다.

수용성 폴리머와 불용성 폴리스타이렌의 나노 스케일에서 서로 다른 산란 프로파일을 볼 수 있었다. PVA 18-88(용해성 필름형 세제에 사용)과 PEG 8000은 단일 분자로 용해되어 임의의 코일 형태를 나타냈다. 그들은 시간이 지나도 응집되지 않았다. 나노 폴리스타이렌 비드는 딱딱한 입자 특성을 보였다. 원자력 현미경(AFM, Atomic Force Microscopy)으로 용액 속의 유연한 PVA 분자와 딱딱한 폴리스타이렌 비드를 시각적으로 구분해 이러한 결과를확인했다.

그림4 다양한 물의 경도와 용해 온도에서의 1% PVA 용액의 SAXS 패턴

이 연구는 수용성 폴리머와 마이크로 또는 나노 플라스틱을 구별하는 데 있어 산란 기법의 효과를 강조한다. 이 기법은 단일 용해된 분자와 입자의 거동을 구별하고 나노 크기의 입자에 관해 입자의 특징인 단단한 계면을 감지한다. 따라서 마이크로 또는 나노 플라스틱에 대한 더 나은 과학 기반의 정의를 제공할 수 있다. 이는 용액 속의 단일 분자를 환경 안전성에 대해 인정된 방법을 사용해 연구할 수 있고 그 특징이 환경 분해에 대한 더 많은 경로를 열어줄 수 있기 때문에 중요하다.

마지막으로 필름형 세제에 사용되는 PVA는 단일 분자로 용해되며 마이크로 플라스틱이나 나노 플라스틱을 형성하지 않는다는 결과가 나왔다. 마이크로 플라스틱은 생태계의 여러 영역에서 점점 더 많이 보고되고 있다.

최근 연구[1]에 따르면, 환경으로 방출되는 미세 플라스틱의 양이 연간 1,000만~4,000만 톤에 달한다고 한다. EU와 ECHA(European Chemicals Agency)는 미세 플라스틱을 5mm 미만의 크기와 2g/L 미만의 용해도를 가진 것으로 정의하고 특히 단일 분자는 미세 플라스틱이 아니라고 명시하고 있다[2,3].

그러나 미세 플라스틱 또는 입자의 정의, 특히 크기에 대한 정의는 여전히 불일치하다. 미국의 일부 입법부[4,5]에서는 미세 플라스틱을 주위의 물에 대해 단단하거나 고체 계면을 가지고 있거나 단일 분자 이상을 암시하거나 명시적으로 언급하면서 최소 3면이 1nm보다 큰 합성입자로 정의하고 있다.

필자

K. Goodall, V. Agostiniano