미세·나노플라스틱, 자석처럼 끌어당겨 10분 만에 95% 제거

부산대 연구진, 자성 나노입자 ‘동적 감금’ 원리로 차세대 수처리 공정 개발

판상형 자성 나노입자를 이용한 미세·나노 플라스틱 제거 과정.

부산=이승륜 기자

부산대 연구진이 수중에 떠다니는 미세·나노플라스틱을 자기장으로 끌어당겨 단시간에 고효율로 제거하는 차세대 수처리 기술을 개발했다. 기존 하수처리 공정으로는 제거가 어려웠던 초미세 플라스틱 문제 해결의 실마리를 제시했다는 평가다.

부산대는 정성욱 응용화학공학부 교수 연구팀이 판상형 철산화물(Fe₃O₄) 자성 나노입자를 활용해 수중 미세·나노플라스틱을 10분 이내에 95% 이상 제거할 수 있는 공정을 개발했다고 12일 밝혔다.

미세플라스틱은 지름 5㎜ 미만의 플라스틱 입자를 말하며, 이 가운데 1마이크로미터(㎛) 이하의 나노플라스틱은 육안으로 확인조차 불가능하다. 이러한 초미세 입자는 기존 여과·침전 방식의 수처리 시설을 통과해 수생태계 전반으로 확산되고, 먹이사슬을 거쳐 인체에 축적될 가능성이 크다.

연구팀은 기존에 주로 사용되던 구형 자성 나노입자 대신, 판상형(얇은 판 모양) 자성 나노입자를 도입했다. 판상형 입자는 방향에 따라 물성이 달라지는 ‘비등방성’ 구조를 가져, 미세·나노플라스틱과의 접촉 면적이 넓고 상호작용이 훨씬 강하다.

특히 외부 자기장을 가하면 판상형 자성 나노입자들이 서로 응집하면서, 그 사이 공간에 미처 흡착되지 않은 미세·나노플라스틱까지 추가로 가두는 ‘동적 감금’ 현상이 발생한다는 점을 규명했다. 연구팀은 이 동적 감금 메커니즘이 고효율 제거의 핵심 원리라고 설명했다.

연구진은 또 자성 나노입자 표면을 화학적으로 개질해 플라스틱과의 결합력을 높이고, 사용 후에는 자기장을 이용해 입자를 회수·재사용할 수 있도록 설계해 저비용·친환경·지속 가능한 수처리 공정을 확립했다.

이번 연구는 비등방성 판상형 자성 나노입자의 설계부터 대량 합성, 실제 제거 메커니즘 규명까지 전 과정을 체계적으로 제시했다는 점에서 차별성이 크다. 향후 상수도·하수처리 시설은 물론 환경 정화, 산업용 폐수 처리 등 다양한 분야로의 확장 가능성도 기대된다.

정성욱 교수는 “수십에서 수백 나노미터 크기의 초미세 플라스틱은 인체 건강을 위협하는 새로운 환경 오염원으로 떠오르고 있지만, 기존 필터 기반 기술로는 제거에 한계가 있었다”며 “이번 기술은 초미세 오염물질을 짧은 시간 안에 고효율로 제거할 수 있는 대안으로, 차세대 수처리와 환경 정화 분야에 폭넓게 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구는 부산대 응용화학공학부 정유정 박사과정생과 장은혜 박사가 공동 제1저자로 참여했으며, 연구 결과는 국제 학술지 ‘Journal of Environmental Management(지난해 12월 24일자 온라인판)’에 게재됐다. 연구는 한국연구재단과 산업통상자원부 지원을 받아 수행됐다.

이승륜 기자