Adsorption of Polystyrene Nanoparticles onto Mineral Surfaces: Effects of Water Chemistry and Surface Properties

Abstract

나노플라스틱은 작은 입자 크기와 큰 비표면적으로 인해 수계 환경에서 장거리 이동이 가능하며, 광물 입자 및 자연 유기물（NOM, natural organic matter）과의 상호작용에 따라 안정성, 응집성 및 침강 거동이 크게 변화한다. 특히 하천, 호수, 지하수 등에 풍부하게 존재하는 광물은 나노플라스틱의 이동 경로와 환경 내 잔류성을 조절하는 핵심 계면으로 작용한다. 그러나 광물 종류, 수화학 조건, 그리고 표면 노화가 복합적으로 미치는 영향은 아직 충분히 규명되지 않았다. 이에 본 연구에서는 수계 환경에서 폴리스타이렌 나노플라스틱（PS-NPs, polystyrene nanoplastics）의 이동성과 안정성을 결정하는 광물 표면과의 계면 상호작용을 규명하고자 하였다. 표면 기능기가 없는 PS-NPs를 직접 합성하고, 서로 다른 유체역학적 직경（63, 111, 153, 193 nm）을 갖는 입자군을 대상으로 quartz, feldspar, amphibole, olivine, tourmaline, mica, corundum, hematite, dolomite 등 9종의 대표 광물과의 흡착 거동을 평가하였다. 실험 결과, PS-NPs의 흡착 효율은 입자 크기보다 광물 종류와 pH에 더 크게 의존하는 것으로 나타났다. Quartz, feldspar, amphibole, mica에서는 낮은 흡착률이 관찰된 반면, corundum, hematite, dolomite에서는 pH 5 및 7 조건에서 높은 흡착률과 함께 뚜렷한 이종응집이 확인되었다. 전해질 조건에서는 Ca2+가 Na+보다 전기 이중층 압축 및 양이온 가교 효과를 통해 PS-NPs와 광물 간 상호작용과 응집체 형성을 더욱 효과적으로 촉진하였다. 반면, 휴믹산（HA, humic acid）은 고흡착 광물 표면의 활성 흡착 부위를 차단하고 정전기적 반발을 증가시켜 흡착률과 응집체 성장을 크게 저해하였다. 또한 UV-C 조사에 의한 노화는 PS-NPs의 표면 특성을 변화시켜 광물별 흡착률 및 동역학 모델 적합성에 차이를 유발하였다. 따라서 본 연구는 PS-NPs-광물 복합체의 형성 과정에 작용하는 다양한 인자들이 수계 환경에서 PS-NPs의 이동성, 응집성 및 최종 거동에 중요한 영향을 미침을 보여준다.