쩐 티 비엣 하 박사(32세) 연구팀이 개발한 루파 스펀지는 물에서 기름과 미세 플라스틱을 분리해내는 능력을 가지고 있어 환경 오염 문제 해결에 도움이 됩니다.
2021년, 베트남 일본 대학교(베트남 국립대학교 하노이 캠퍼스) 첨단기술공학부 강사인 쩐 티 비엣 하 박사와 그녀의 팀원들은 수세미 섬유로 초소수성 소재를 개발하여 물 속 기름과 미세 플라스틱 입자를 제거하는 아이디어를 생각해냈습니다. 1년 이상의 연구 끝에 연구팀은 베이스층과 코팅층, 두 가지 주요 구성 요소로 이루어진 초소수성 폼 제품을 개발했습니다.
베이스 레이어는 친수성 수산기 덕분에 천연 오래된 루파로 만들어져 자연스러운 흡수력을 제공합니다. 세척 후, 루파 표면에 왁스 층을 묻혀 분사하면 섬유의 거칠기가 생기고, 친수성에서 소수성으로 특성이 변화합니다.
코팅은 밀랍, 야자왁스, 콩왁스 등으로 만들어졌으며, 완전히 천연이고 환경 친화적입니다.
왁스로 코팅된 스펀지는 발수성이 뛰어나면서도 기름은 완벽하게 흡수합니다. 또한, 소재 표면과 플라스틱 입자 사이의 3차원 구조와 정전기적 상호작용으로 인한 모세관 현상을 통해 약 5μm 크기의 미세 플라스틱 입자도 쉽게 흡수합니다.
왁스로 코팅된 루파 섬유는 완벽한 방수 기능을 갖췄다. 사진: 연구팀
시험 결과, 루파의 소수성은 150도 이상의 물 접촉각으로 우수함을 보여줍니다. 이는 기름을 분리하고 물 혼합물에서 미세 플라스틱 입자를 포집하는 데 중요한 기반이 됩니다.
연구팀에 따르면, 표면은 물방울과 고체 표면 사이의 접촉각에 따라 소수성 또는 친수성으로 구분됩니다. 접촉각이 150도 이상이면 표면은 초소수성이 됩니다. 따라서 수세미 스펀지는 초소수성을 성공적으로 입증했습니다.
루파 스펀지는 약 72~88g/g의 속도로 기름을 흡수했으며, 기름/물 혼합물에 대해 99% 이상의 분리 효율을 나타냈습니다. 또한, 이 소재는 높은 미세 플라스틱 흡수 능력을 보였으며, 물 569g에서 폴리스티렌 미세 플라스틱 381mg을 분리하여 99%의 분리 효율을 달성했습니다.
하 박사와 동료들은 폴리우레탄 폼, 멜라민 폼, 화학 코팅재 등 산업용 폼에 대해 유사한 연구를 수행해 왔지만, 복잡한 공정을 거쳐 실험실 규모로만 제한적으로 적용 가능한 수준이었습니다. 한편, 수세미 소재와 천연 왁스 코팅법은 실제로 대규모 적용이 가능할 것으로 평가받고 있습니다. 하 박사는 "이 공정은 쉽게 구할 수 있는 장비를 사용하여 간단하고, 고도의 기술이 필요하지 않으며, 특히 제조 시간이 1시간 이내로 매우 빠릅니다."라고 말했습니다.
루파 스펀지는 기름과 물을 분리할 수 있다. 사진: 연구팀
2022년 7월 세계 은행 보고서에 따르면 베트남은 매년 약 310만 톤의 플라스틱 폐기물을 육지에서 배출하는 것으로 추산됩니다. 미세 플라스틱 외에도 기름은 직간접적인 배출을 통해 수원으로 유입될 수 있으며, 다양한 경로를 통해 환경으로 확산되어 인간과 동물에게 여러 가지 잠재적 건강 문제를 야기할 수 있습니다.
이 문제를 해결하기 위해 소각, 화학적 처리, 생물학적 처리 등 여러 가지 방법이 시도되었지만, 이러한 방법들은 2차 오염을 유발할 수 있습니다. 예를 들어, 소각은 물에서 기름을 제거하는 데 도움이 되지만, 공정 후 다량의 이산화탄소와 이산화황(SO₂)을 생성하여 대기 오염을 유발합니다.
하 박사는 이 그룹의 섬유 스펀지가 환경 오염을 처리하고 앞서 언급한 문제들을 극복하는 데 사용될 수 있다고 밝혔습니다. 이 연구는 2023년 6월 환경 기술 및 혁신(Environmental Technology & Innovation) 저널에 게재되었습니다.
베트남국립대학교 하노이 과학대학 화학부 응우옌 민 프엉 부교수는 석유와 미세 플라스틱이 베트남뿐만 아니라 전 세계적으로 심각한 환경 오염 물질이라고 평가했습니다. 표층수의 석유 오염은 심각한 문제이며, 이를 제거하기 위한 물질은 매우 가볍고 수면에 떠다닐 수 있어야 합니다. 반면, 미세 플라스틱은 대형 플라스틱보다 독성이 강하며 육안으로도 관찰할 수 있습니다. 하 박사 연구팀이 목표로 하는 두 가지 주제는 시사적이고 실질적인 중요성을 지닙니다.
푸옹 부교수에 따르면, 수생 환경에서 기름과 미세 플라스틱 처리 관련 연구는 국내외적으로 아직 매우 미흡한 수준입니다. 현재까지 수생 환경에서 기름과 미세 플라스틱을 동시에 처리할 수 있는 소재를 개발한 연구 그룹은 없습니다.
그녀는 수세미를 환경 오염 처리에 사용하는 것은 새롭고 독특한 아이디어라고 말했습니다. 수세미는 자연적이고 환경 친화적이며 생분해되는 소재이기 때문입니다. 수세미는 넓은 표면적과 큰 기공 크기, 그리고 매우 가볍고 물 표면에 쉽게 떠다니는 등의 뛰어난 특성 때문에 물 속 중금속과 같은 무기 오염물질을 처리하는 소재에 대한 일부 연구에서 사용되어 왔습니다.
초소수성 물질은 기름을 선택적으로 흡수하는 능력 때문에 전 세계 과학자들의 관심을 끌고 있습니다. 일반적으로 다공성 물질을 소수성 표면으로 변환하는 데는 화학적 방법이 사용됩니다.
PSG 푸옹에 따르면, 연구 그룹처럼 천연 왁스를 사용하여 재료 표면을 개질하는 것은 적용 가능성이 높은 흥미로운 아이디어입니다.
빅 타오
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