Effects of Polystyrene on the Crystallization and Polymorph Formation of CaCO3 in Aqueous Solution

Abstract

해양 환경에서 미세플라스틱으로 인한 오염은 인위적 퇴적 기록물의 역할을 할 수 있는 새로운 플라스틱 락의 출현을 초래하였다. 이러한 미세플라스틱 중 100~200 μm 크기의 플라스틱은 해양 입자 크기 분포에서 지배적인 양상을 보이며, 무기물 침전을 위한 반응 표면을 제공한다. 또한, 여러 종류의 미세플라스틱이 방출되며, 이 중에서 폴리스타이렌（PS, polystyrene）은 대표적인 미세플라스틱으로 꼽히고 있다. 이에 본 연구는 제어된 합성 조건에서 형성된 PS 미세구체와 탄산칼슘 사이의 계면 상호작용을 조사하였고, 특히 다형체 형성, 표면 형태, 반응 후 변형 과정에 중점을 두었다. 수용액 침전법（빠른 결정 형성）과 기체 확산법（느리지만 자연 모사 방식）이라는 두 가지 결정화 경로를 비교하였고, 해양의 물리적 환경을 모사하기 위해 합성 이후 동적 혼합 조건에서 상호작용 실험을 수행했다. X선 회절（XRD）, 전계방사 주사현미경（FE-SEM）, 라만 분광법, X선 광전자 분광법（XPS）, 푸리에 변환 적외선 분광법（FTIR）을 이용하여 광물상 및 계면 특성을 체계적으로 분석하였다. 분석 결과, PS 존재 시 탄산칼슘의 다형체 분포는 바테라이트가 증가하는 경향을 보였다. 또한, 라만 및 XRD 분석은 여러 CaCO3 다형체의 공존을 확인시켜 주었고, XPS 및 FTIR 스펙트럼은 광물 생성 후 표면기능기 및 계면 화학 상태의 변화를 나타냈다. 동적 혼합 조건에서 전단 응력은 크기 선택적 부착을 유도하였고, 용해-재침전 과정을 통해 바테라이트에서 방해석으로 상전이를 가속화하였다. 이러한 결과는 PS 미세플라스틱이 탄산칼슘 핵생성 및 성장에 영향을 미치는 요인으로 작용할 수 있음을 보여주었다. 본 연구는 플라스틱 락 형성 과정을 해석하는 토대를 제공하며, 해양 생태계 내 탄산염 광물화 경로를 좌우하는 미세플라스틱의 잠재적 역할을 규명하였다.