해양오염 막기 위해 바닷물에 녹는 플라스틱을 만든다

최근 일본의 이화학연구소(RIKEN) 연구원들이 내구성이 뛰어나면서도 환경친화적인 새로운 유형의 플라스틱을 개발했다고 밝혔다. 기존의 플라스틱과 달리 이 생분해성 소재는 바닷물에서 분해돼 해양 오염을 방지한다.

이 새로운 플라스틱은 토양과 바다에 축적돼 결국 먹이사슬에 유입되는 유해한 미세 플라스틱 오염을 줄이는 데 도움이 될 것으로 기대된다.

생분해성 플라스틱(PLA) 및 기타 생분해성 폴리머는 물에 녹지 않기 때문에 분해되지 않고 바다로 흘러 들어가는 경우가 많다. 그 결과 5㎜보다 작은 플라스틱 입자인 미세 플라스틱은 수생 생물에 피해를 입히고 인체를 포함한 먹이사슬에 유입된다.

이 연구소에서는 이 문제를 해결하기 위해 가역적 상호 작용으로 구조가 결합된 초분자 플라스틱 폴리머를 사용하는 데 초점을 맞췄다. 두 개의 이온성 단량체(monomer)를 결합한 염교(鹽橋)를 만들어 새로운 폴리머에 강도와 유연성을 부여했다.

초기 테스트에서 단량체 중 하나는 일반적인 식품 성분인 헥사메타포스페이트 (hexametaphosphate) 나트륨이었고, 다른 하나는 구아니디늄(guanidinium) 이온을 기반으로 했다. 두 단량체 모두 박테리아에 의해 대사돼 플라스틱이 구성 성분으로 분해되면 소재의 생분해성을 보장한다.

초분자 플라스틱의 결합은 가역적인 특성으로 인해 약하고 불안정하다고 여겨져 왔지만, 새로운 소재는 정반대였다.


바닷물에서 플라스틱과 소금이 만나면 플라스틱의 구조와 강도가 세진다. 바닷물이나 토양에서의 염분화는 미세 플라스틱 형성을 방지하고 플라스틱이 생분해될 수 있도록 한다. (출처=RIKEN) ⓒ천지일보 2024.12.08.
연구진은 두 단량체를 물속에서 결합했을 때 기름과 물처럼 두 개의 뚜렷한 층을 관찰했다. 한 층은 액체이며 소금 이온을 포함하고 있었고, 다른 층은 두껍고 점성이 있으며 구조적으로 연결된 염교를 포함하고 있었다.

예컨대 헥사메타포스페이트 나트륨과 알킬 디구아니디늄 황산염(alkyl diguanidinium sulfate)을 사용하면 황산나트륨 염이 물층으로 방출됐다. 그런 다음 남은 두껍고 점성이 있는 액체층을 건조시켜 최종 플라스틱인 ‘알킬 SP₂’를 만들었다.

중요한 탈염 단계가 없으면 건조된 물질은 부서지기 쉬운 결정체가 되어 사용할 수 없게 된다. 소금물에 담가 다시 염분을 제거하자 플라스틱의 구조가 불안정해져 몇 시간 만에 재료가 분해되기 시작했다. 그런 다음 연구진은 특정 조건에서도 분해되지 않는 튼튼하고 내구성 있는 소재를 생산한 후 플라스틱의 품질을 평가했다.

기존 열가소성 플라스틱과 마찬가지로 이 새로운 플라스틱은 120℃ 이상의 온도에서 성형이 가능하며 무독성 및 불연성으로 이산화탄소를 배출하지 않는다.

연구진은 다양한 구아니디늄 황산염을 실험해 다양한 인장 강도와 경도를 가진 플라스틱을 생산했으며, 모두 기존 플라스틱과 비슷하거나 더 나은 성능을 보였다.

이는 새로운 플라스틱을 특정 용도에 맞게 조정해 인장 강도가 낮은 유연한 플라스틱, 고무와 같은 소재, 단단하고 스크래치에 강한 플라스틱, 강하고 무게를 견디는 폴리머를 만들 수 있음을 시사한다. 또한 연구팀은 구아니디늄 단량체와 염교를 형성하는 다당류를 사용해 해양 분해성 플라스틱을 만들었다. 이러한 재료는 의료 또는 건강 관련 응용 분야와 3D 프린팅에 사용될 수 있다.

이 새로운 생분해성 소재는 강하고 안정적이며 재활용이 가능하고 다양한 기능을 수행할 수 있으며, 중요한 것은 미세 플라스틱을 생성하지 않는 새로운 플라스틱 제품군을 만들 수 있다. 골치 아픈 플라스틱이 바닷물 위에 더 이상 산더미처럼 쌓이지 않기를 바란다.

해양오염 막기 위해 바닷물에 녹는 플라스틱을 만든다, 천지일보, 2024년 12월 08일 입력, 

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