미세 플라스틱, 합성 스펀지로 제거한다

수천 년 동안 인간은 말린 천연 스펀지(sponge)를 가지고 청소하며, 페인트 칠하고, 물이나 꿀과 같은 액체를 담는 그릇으로 사용해 왔다. 수세미 오이나 해면동물로 만든 것이 대표적인 천연 스펀지이다. 심지어 스펀지를 피임 기구로 사용하기도 한다. 그만큼 스펀지의 쓰임새는 다양하다. 합성 스펀지든 천연 스펀지든 모두 수많은 모공(毛孔·pore) 속으로 작은 입자를 가두는 데 탁월하다.

그리고 최근 전 세계 과학자들이 스펀지 모공으로 우리 시대의 가장 큰 재앙 중 하나인 골치 아픈 미세 플라스틱(microplastic) 오염에 대한 해결책을 보여주기 시작했다.

먼저 지난 8월 중국해양대학교의 연구팀이 미세한 플라스틱 쓰레기를 단시간에 처리하는 합성 스펀지를 개발했다는 논문이 발표됐다. 테스트 과정에서 연구팀은 특별히 준비된 플라스틱으로 채워진 용액을 스펀지 한쪽으로 주입하면 스펀지가 액체 상태에서 미세 플라스틱은 물론 더 작은 나노 플라스틱까지 모두 제거할 수 있다는 사실을 밝혀냈다.

이러한 플라스틱 입자들은 스펀지의 수많은 모공에 갇히게 된다. 스펀지 효과는 플라스틱의 농도와 액체의 산도 및 염도에 따라 다양한 결과가 나왔으며, 연구팀은 최적의 조건을 만들어 미세 플라스틱의 90%를 제거할 수 있었다. 연구팀은 또한 수돗물과 바닷물은 물론, 근처에 있는 테이크아웃 가게의 수프에 이르기까지 할 수 있는 모든 것을 대상으로 실험했다.

플라스틱을 빨아드리는 스펀지는 대부분 전분과 젤라틴으로 만든다. 연구원들은 씹을수록 쫄깃쫄깃한 커다란 흰색 마시멜로(marshmallow)처럼 보이는 생분해성(biodegradable) 스펀지는 너무 가벼워 "예컨대 꽃 위에 올려놓고 균형을 잡으려면 꽃잎이 똑바로 세워지고 단단해져야 한다"면서 "이와 같은 합성 프라스틱은 또한 저렴하고 운반도 용이해야 한다"고 지적했다. 스펀지의 내부 구조는 작은 기포 같은 구멍이 많을 것으로 생각되지만 오히려 울퉁불퉁한 표면처럼 보인다.

이 대학의 재료화학자이자 이번 논문의 공동 저자인 구오칭 왕(Guoqing Wang) 교수에 따르면 스펀지 만드는 공식은 간단하고 조절이 가능하다고 한다. 즉, 두 화합물이 혼합될 때 온도를 조절하기만 하면 스펀지를 다공성으로 만들 수 있다는 것이다. 다공성은 수집된 입자 크기에 영향을 미치는데, 다공성이 높은 스펀지는 아주 작은 모공을 많이 갖고 있어 매우 작은 입자를 붙잡는 데 좋다.

왕 교수는 "스펀지가 산업적인 규모로 생산이 된다면 폐수처리장 물에서 미세 플라스틱을 걸러내거나, 식품 생산시설에서 오염된 물을 정화하는 데 사용할 수 있다"고 설명했다.

한편, 미세 플라스틱을 수집하기 위한 스펀지 필터 제작을 실험하고 있는 스위스 취리히응용과학대학(Zurich University of Applied Sciences)의 화학과 교수인 크리스티안 아들하르트(Christian Adlhart)는 세탁기에서도 이와 같은 미세 플라스틱 포집용 스펀지를 사용하는 일이 가능할 것이라고 말하고 있다. 그는 "일부 미세 플라스틱은 세척 중 소용돌이칠 때 합성 섬유에서 빠져나와 배수구로 들어가게 되는데 드럼통 속에 그런 스펀지를 넣을 수 있다"면서 "스펀지가 섬유질의 상당 부분을 흡수할 것"이라고 언급했다.

아들하르트 교수는 "이와 같은 스펀지는 두 가지 메커니즘 덕분에 작동한다"고 덧붙이며 "예를 들어 물이 압착되고 방출될 때 물을 통해 능동적으로 구동되면 미세 플라스틱 입자가 양동이에 구슬을 모으는 것처럼 스펀지 모공 안에 갇히게 되지만, 스펀지가 단순히 잔잔한 물에 떠 있더라도 정전기의 상호 작용으로 인해 일부 플라스틱 입자가 스펀지에 달라붙게 된다"고 설명한다.

하지만 스펀지의 잠재적 채택에는 몇 가지 문제가 있다. 아들하르트 교수는 "전분과 젤라틴이 식품산업에 중요하기 때문에 향후 핵심 성분에 대한 경쟁이 있을 수 있다"면서 "그러나 다른 재료로 유사한 스펀지를 만들 수 있다"고 대안을 제시했다. 그래서 이들 연구팀은 갑각류 껍질에서 추출한 당(糖) 성분인 '키토산(chitosan)'을 사용하여 구조를 형성했다. 그는 "키토산은 상업적으로 널리 사용되는게 아니기 때문에 경쟁도 심하지 않을 것"이라고 말했다.

이 연구팀이 수행한 키토산 나노 섬유의 구성물을 함께 회전시키는 스펀지 설계는 바닷물에서 굴이 행하는 여과 작용에서 영감을 얻었는데, 굴은 바닷물이 넘실대고 있을 때 아가미에 입자를 가두는 기술이 있기 때문이다.

키토산, 전분 및 젤라틴은 모두 생분해성 물질이다. 그러나 왕 교수팀이 스펀지를 만들기 위해 개발한 공정에는 독성이 강한 포름알데히드(formaldehyde) 화합물이 사용되기 때문에 스펀지에 스며들게 된다. 그래서 이 연구팀은 완전한 친환경 스펀지를 만들기 위한 대안을 마련하기 위해 노력하고 있다.

이번 연구에 직접 참여하지는 않았지만 독일 헬름홀츠환경연구센터의 화학자인 아네트 게오르기(Anett Georgi)는 "바다 속 미세 플라스틱 오염을 정화하는 데 있어 핵심은 흐름을 막는 것"이라며 "플라스틱을 제거하기 위해 모래나 활성탄으로 만든 필터 같은 이미 존재하는 기술을 아직까지 도입하지 않은 폐수처리장부터 적용을 시작해야 한다"고 말했다.

게오르기는 "빨리 실현할 수 있는 것부터 시작해야 한다"며 "우리가 쓸데 없는 자료에 연연할 필요가 없다"고 강조하면서, "가정용 상수도에서 미세 플라스틱을 제거하는 것과 같은 소규모 응용 분야의 경우에는 더욱 새로운 스펀지 필터가 유용할 수 있다"고 사용을 권유한다.

영국 국립해양센터(National Oceanography Center)의 앨리스 호튼(Alice Horton) 같은 이는 "이러한 새로운 스펀지 기반 기술이 대규모로 물에 떠다니는 미세 플라스틱을 제거하는 비용 측면에서 효율적이라 성공할 수 있다"고 말한다. 그러나 그가 확신하는 한 가지는 미세 플라스틱이 이미 바다에 도달한 후 제거하려는 노력은 실패할 게 뻔하다는 것이다.

"나는 우리가 어떤 영향을 미칠 만큼 충분히 큰 규모로 할 수 있는 일이 없다고 생각한다"면서 그녀는 말했다. "애초에 거기까지 가는 걸 막아야 해요."