다중벽 탄소나노튜브와 은 나노입자의 매립지 차수층을 통한 물질이동에 관한 연구

Abstract

한 차원의 길이가 1 nm에서 100 nm 사이인 나노물질이 개발되면서, 나노기술을 이용한 제품들이 등장하기 시작하였다. 나노물질은 그 특성으로 인하여 2000년대 이후 전 세계적으로 나노기술 붐을 일으키고 있으며, 최근까지도 그 활용도가 무궁무진하여 수많은 제품들이 생산되고 있다. 이처럼 나노기술을 이용한 제품의 수가 급증하면서 나노물질의 생산량도 함께 늘어나고 있지만, 나노물질이 자연계에 미치게 될 영향에 대한 연구는 미미한 실정이다. 나노물질의 경우 기존에는 찾아보기 힘든 특성들로 환경에 악영향을 미칠 수 있기에, 나노물질에 대한 유해성 평가가 시급하다. 이를 위해서는 나노물질이 환경 내에서 어떻게 거동하는지에 대한 기초 자료가 필수적으로 요구된다. 나노물질의 이동성에 대한 자료는 나노물질의 유해성 평가와 환경보호를 위한 나노물질 규제 자료로서도 활용될 수 있다. 이에 본 연구에서는 금속계와 탄소계 나노물질인 중 대표적인 나노물질인 은 나노입자와 탄소나노튜브를 선정하여 각각에 대한 물질이동 연구를 수행하였다. 나노물질이 이용된 제품의 경우 90% 이상이 매립지와 토양계에 남게 될 것으로 예상되고 있어, 나노물질의 환경 유출 가능성 파악을 위해서는 매립지로부터의 나노물질 유출 가능성을 파악하는 것이 필수적이다. 이에 물질이동 연구를 위한 대상 매체로는 매립지 차수층을 선정하였다. 실제 국내 매립지 차수층 구성에 사용되는 토양을 채취하여 실험실 규모의 주상실험을 진행하였다. 또한, 매립지 차수재로 사용되는 인공 합성수지인 고밀도폴리에틸렌(HDPE)을 이용하여 나노물질이 합성수지를 통과할 수 있는지의 여부를 실험실 규모의 칸막이 실험으로 확인하였다. 추가로 나노물질의 물질이동을 파악하기 위한 회분식 실험들을 진행하였다. 은 나노물질을 바탕이 매립지 차수층 토양으로 흡착되는 경향을 파악하기 위하여 회분식 흡착실험을 진행하였으며, 실제로 은 나노물질을 포함하고 있는 칫솔 제품들을 선정하여 실생활 제품으로부터 은이 용출되는 경향을 파악하였다. 본 연구를 통하여 은 나노물질과 탄소나노튜브 수중 분산액을 제조할 수 있었으며, 수중 분산액의 농도가 120일 이상 안정적으로 지속되는 것을 확인하였다. 회분식 실험에서, 칫솔모에서 용출되는 은 나노물질의 경우 약 100일 동안 칫솔모에 포함된 총 은의 양 중 약 1-2 wt%가 용출되는 것으로 나타났다. 실험기간 동안 용출양이 계속 증가하는 것으로 보아 시간이 경과할수록 은의 용출은 계속될 것으로 판단된다. 용출된 은을 필터링하여 은 나노입자와 이온을 구분하였을 때, 은 나노입자와 이온이 혼재되어 존재하는 것을 확인하였다. 은 나노물질 분산액을 이용한 흡착실험 결과는 Langmuir 흡착곡선과 일치하는 것으로 나타났으며, 벤토나이트로의 흡착이 차수층 토양보다 많이 발생하는 것으로 나타났다. 흡착계수는 벤토나이트에 대해 0.0542, 차수층 토양에 대해 0.4251 L/mg이었다. 탄소나노튜브와 은 나노물질 분산액을 이용한 주상실험에서는 나노물질이 차수층을 통과하여 유출되지는 않았다. 탄소나노튜브에 대해 10 Pore volume, 은 나노물질에 대해 20 Pore volume의 기간 동안 주상실험을 진행하였으나, 모든 경우에서 나노물질의 유출은 관찰할 수 없었다. 실험이 종료된 컬럼의 내부를 이용하여 SEM, 은 농도 측정을 진행한 결과, 나노물질이 상단부에만 존재하는 것으로 예상된다. 이를 여과 이론을 이용하여 해석했을 때, 나노 입자와 토양 입자의 크기로 인해 이동이 저해된 것은 아닌 것으로 나타났다. 입자 크기에 의한 제거효과가 미미하였으며, 물리화학적 흡착에 의해 나노물질의 이동이 저해되었을 것으로 판단된다. 나노물질이 토양층에 단층으로 흡착되는 것이 예상되기 때문에, 많은 양의 나노물질이 계속적으로 투입된다면 결국 통과할 가능성이 존재할 것으로 보인다. 칸막이 실험의 경우 약 6개월 동안 진행된 실험에서, 나노물질이 이동하는 것을 관찰할 수 없었다. 고밀도폴리에틸렌(HDPE)을 통한 나노물질의 이동은 미미한 것으로 판단된다. 본 연구의 결과를 통해 탄소나노튜브와 은 나노물질이 매립지 차수층을 통과할 가능성은 낮은 것으로 판단된다. 하지만 매립된 상황의 경우 상당히 많은 양의 나노물질이 존재할 수 있고, 내부 조건이 복합적으로 작용하므로 다양한 추가 연구가 필요할 것이다.