KR20220122560A - 마이크로 플라스틱의 분리 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 용기에 존재하는 마이크로 플라스틱 및/또는 나노 플라스틱 물질 함유 친수성 액체에 콜라겐 물질 또는 이의 유도체를 첨가하여 상기 친수성 액체에 존재하는 마이크로 플라스틱 및/또는 나노 플라스틱 물질이 콜라겐 물질 또는 이의 유도체에 흡착 및/또는 물리적으로 결합하는 단계 및 상기 흡착 및/또는 물리적으로 결합된 마이크로 플라스틱 및/또는 나노 플라스틱 물질을 친수성 액체로부터 분리하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명은 마이크로 플라스틱 및/또는 나노 플라스틱을 포함하는 친수성 액체로부터 마이크로 플라스틱 및/또는 나노 플라스틱을 분리하는데 있어서 콜라겐 물질 또는 이의 유도체의 용도를 제공한다.
또한, 본 발명은 마이크로 플라스틱 및/또는 나노 플라스틱을 포함하는 친수성 액체로부터 마이크로 플라스틱 및/또는 나노 플라스틱을 분리하는데 있어서 콜라겐 물질 또는 이의 유도체의 용도를 제공한다.
Description
본 발명은 마이크로 플라스틱 분리 분야에 관한 것으로, 특히 마이크로 플라스틱 제거를 위한 수돗물, 폐수, 지하수, 지표수, 기수 또는 해수와 같은 친수성 액체의 처리 방법 및 친수성 액체로부터 마이크로 플라스틱을 분리를 위한 콜라겐의 용도에 관한 것이다.
마이크로 플라스틱은 일반적으로 직경 5mm 미만의 플라스틱 조각, 알갱이 및 섬유 필름으로 정의된다. 마이크로 플라스틱은 해수와 퇴적물에 풍부하며, 강, 호수, 강어귀 등의 생태계에도 많은 양의 마이크로 플라스틱이 존재한다. 마이크로 플라스틱은 전 세계에 널리 분포되어 있고, 양이 많으며, 독성이 강하고, 오염 물질을 운반하기 때문에, 먹이 사슬을 통해 인간에게 영향을 미칠 수 있어 과학계의 주목을 받고 연구자들의 화두에 올랐다.
현재 거친 고형물을 제거하는 방법 및/또는 화학적 분해 과정을 가속화하는 방법뿐만 아니라 폐수를 정화하기 위한 다양한 기술 장치들이 알려져 있다. 폐수 정화를 위한 처리 방법은 일반적으로 아래의 세가지 분리 단계들 각각 또는 그들의 순서를 적절히 조합한 것을 포함한다.
1. 기계적 처리 단계;
2. 생물학적 처리 단계; 및
3. 화학 처리 단계.
또한, 화학 첨가물, 살충제, 의약품 및 분해 산물 및/또는 마이크로 플라스틱 내부 및/또는 표면에 존재할 수 있는 변형 산물뿐만 아니라 마이크로 플라스틱은 다양한 유입 및 이동 경로를 통해 폐수 처리장의 폐수에 도달한다. 최근 연구를 통해 다양한 미세 오염 물질의 농도가 최근 몇 년 동안 꾸준히 증가했고 상술한 처리 방법을 통한 수질 정화에 한계가 있음을 확인했다.
예를 들면, DE 199 05 633 C1은 호기성 정화를 수행하기 위해 정화될 액체에 공기를 주입하는 방법을 개시하고 있다.
DE 3 884 956 T2는 응집제를 폐수에 균일하게 혼합하기 위한 교반기를 개시하고 있다.
EP 3 395 766 A1은 금속 수산화물 및 분말 활성탄의 혼합 슬러리로 만들어진 유동층을 사용하여 수성 유체를 분말 활성탄에 흡착 및 정화시켜 정제하는 것을 개시하고 있다.
상술한 기술에 기초하여, 본 발명의 목적은 친수성 액체, 특히 수돗물, 폐수, 지하수, 지표수, 기수 또는 해수로부터 마이크로 플라스틱 및/또는 나노 플라스틱을 제거하여 친수성 액체를 정화하기 위한 무독성 처리 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 친수성 액체로부터 마이크로 플라스틱 및/또는 나노 플라스틱을 높은 회수율로 제거하는 것이다.
본 발명은 상술한 목적을 해결하기 위하여, 마이크로 플라스틱 및/또는 나노 플라스틱 물질 함유 친수성 액체가 존재하는 용기에 콜라겐 물질 또는 이의 유도체를 첨가하여 상기 친수성 액체에 존재하는 마이크로 플라스틱 및/또는 나노 플라스틱 물질을 콜라겐 물질 또는 이의 유도체와/로 흡착 및/또는 물리적으로 결합시키는 단계, 및 상기 흡착 및/또는 물리적으로 결합된 마이크로 플라스틱 및/또는 나노 플라스틱 물질을 친수성 액체로부터 분리하는 단계를 포함하는 처리 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 수돗물, 폐수, 지하수, 지표수, 기수 또는 해수와 같은 친수성 액체로부터 마이크로 플라스틱을 분리하는데 있어서 콜라겐 물질 또는 이의 유도체의 용도를 제공한다.
본 발명에 따른 무독성 처리 방법은 친수성 액체로부터 마이크로 플라스틱 및/또는 나노 플라스틱을 높은 회수율로 제거할 수 있다.
첫 번째 측면에 따르면, 본 발명은 용기에 존재하는 마이크로 플라스틱(microplastic) 및/또는 나노 플라스틱(nanoplastic) 물질 함유 친수성 액체에 콜라겐 물질 또는 이의 유도체를 첨가하여 상기 친수성 액체에 존재하는 상기 마이크로 플라스틱 및/또는 나노 플라스틱 물질을 상기 콜라겐 물질 또는 이의 유도체와/로 흡착 및/또는 물리적으로 결합시키는 단계, 및 상기 흡착 및/또는 물리적으로 결합된 마이크로 플라스틱 및/또는 나노 플라스틱 물질을 친수성 액체로부터 분리하는 단계를 포함하는 처리 방법을 제공한다.
정제가 필요한 마이크로 플라스틱 및/또는 나노 플라스틱을 포함하는 친수성 액체는 일반적으로 수돗물, 폐수, 지하수, 지표수, 기수 또는 해수로 이루어진 군에서 선택된다.
폐수, 지하수, 해수 또는 수돗물과 같은 친수성 액체를 정화할 때 일반적으로 아래의 단계들이 개별적으로 또는 적절한 순서로 조합되어 수행될 수 있다.
1. 기계적 처리 단계;
2. 생물학적 처리 단계; 및
3. 화학 처리 단계.
이에 따라, 예를 들면 폐수 처리에는 종종 1차 기계적 처리, 2차 생물학적 처리 및 3차 화학적 처리가 포함된다.
1차 처리 단계에서 일반적으로 큰 입자 물질과 모래는 스크리닝(screening)하거나 그릿(grit) 및/또는 1차 정화제를 사용하여 제거될 수 있다.
그러나, 경우에 따라 기계적 처리 단계에 의해 입자를 분리하는 1차 처리 단계는 마이크로 플라스틱의 분리도 포함할 수 있다. 이 경우 마이크로 플라스틱 입자는 특정 최대 입자 크기를 갖는 마이크로 플라스틱이 분리 매개에 고정되는 멤브레인(membrane), 체 또는 진공 시스템을 통해 폐수와 같은 친수성 액체로부터 분리될 수 있다. 사용되는 멤브레인의 기공 크기는 광범위하게 다양할 수 있지만 이 경우의 기공 크기는 일반적으로 10μm 내지 5mm 범위이다. 체를 사용하는 경우, 일반적으로 사용되는 메쉬(mesh)의 크기는 38μm 내지 4.75mm 범위이다. 체의 메쉬 크기가 5mm를 초과하는 경우, 수집되는 플라스틱 조각의 크기가 마이크로 플라스틱의 크기 범위를 벗어나게 된다.
생물학적 처리라고도 하는 2차 처리는 일반적으로 미생물을 사용하여 친수성 액체, 예를 들어 폐수에 존재하는 오염 물질을 분해한다.
이러한 2차 처리를 거쳐 얻은 처리수는 재사용 또는 재활용이 폐수 처리의 목적인 경우, 응고, 침전, 여과, 소독 등의 3차 처리를 더 거칠 수 있다. 재사용 목적 이외의 경우, 2차 처리의 폐수를 선택적으로 소독한 다음 자연으로 배출할 수 있다.
바람직한 일 실시예에 있어서, 본 발명의 제1 실시예에 따른 처리 방법은 기계적 및/또는 생물학적 및/또는 화학적 처리 단계에 추가되어, 바람직하게는 이러한 기계적 및/또는 생물학적 및/또는 화학적 처리 단계를 거친 후에 수행된다.
본 발명의 목적상, 용어 "마이크로 플라스틱(microplastics)", "나노 플라스틱(nanoplastics)", "마이크로 플라스틱 입자(microplastic particles)" 또는 "나노 플라스틱 입자(nanoplastic particles)"는 (공)중합체 또는 이들의 조합, 특히 중합체 및/또는 공중합체의 혼합물(blend)을 포함하거나 구성하는 플라스틱 입자를 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에 따르면, 100nm 내지 5mm, 특히 1μm 내지 5mm, 바람직하게는 10μm 내지 1mm, 보다 바람직하게는 10μm 내지 400μm, 특히, 20μm 내지 100μm의 평균 직경(ESEM(Environmental Scanning Electron Microscope)에 의해 측정됨)을 갖는 모든 플라스틱 입자는 "마이크로 플라스틱" 또는 "마이크로 플라스틱 입자"로 간주된다. 평균 직경이 1nm 내지 100nm인 입자는 "나노 플라스틱" 또는 "나노 플라스틱 입자"(nanospheres, nanowires, nanotubes, 및 nanoplatelets)로 간주된다.
마이크로 플라스틱 및/또는 나노 플라스틱에 존재하는 (공)중합체는 초저밀도 폴리에틸렌(ULDPE), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE) 및/또는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 등의 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스티렌(PS), 폴리염화비닐(PVC), 폴리우레탄(PU), 폴리아미드(PA), 폴리카보네이트(PC), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리옥시메틸렌(PMO), 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체(ABS), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 상기 중합체들 중 2종 이상의 공중합체 및 상술한 중합체들, 더욱 바람직하게는 특히 저밀도 폴리에틸렌(LDPE) 및/또는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)와 같은 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스티렌(PS), 및/또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 중 2종 이상의 조합, 특히 혼합물(blends)로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 마이크로 플라스틱 입자는 1mm 이상 5mm 이하(소위 큰 마이크로 플라스틱 입자)의 평균 직경(ESEM(Environmental Scanning Electron Microscope)에 의해 결정됨) 및/또는 100nm 내지 1mm(소위 작은 마이크로 플라스틱 입자)의 평균 직경(ESEM(Environmental Scanning Electron Microscope)에 의해 결정됨)을 가질 수 있다. 특히 평균 직경이 20μm 미만인 마이크로 플라스틱 및 평균 직경이 1nm 내지 100nm인 나노 플라스틱은 일반적으로 상업용 폐수 처리장에서 제거될 수 없다.
본 발명에 따른 처리 방법의 바람직한 실시예들에 있어서, 사용되는 콜라겐 또는 그의 유도체는 콜라겐, 콜라겐 분획, 콜라겐 가수분해물, 젤라틴 또는 젤라틴 가수분해물로 이루어진 군으로부터 선택되고, 보다 바람직하게는 콜라겐 가수분해물 또는 젤라틴 가수분해물로 이루어진 군으로부터 선택되며, 더욱 더 바람직하게는 콜라겐 가수분해물이 콜라겐 또는 이의 유도체로서 사용된다.
해당 기술분야의 통상의 기술자에게 잘 알려진 바와 같이, 물에 녹지 않는 천연 콜라겐은 염기 또는 약산, 바람직하게는 물에서 pH 2 내지 4를 갖는 약 유기산 또는 약 무기산과 혼합하거나 가열하여 처리될 수 있다.
천연 콜라겐이 가열되거나 염기 또는 약산으로 처리되면, 콜라겐의 α사슬 사이의 결합이 절단되어 젤라틴이 된다. 젤라틴을 더 효소 분해하면 콜라겐 가수분해물이 생성된다.
예를 들면, 작은 조각으로 자른 돼지 껍질은 젤라틴을 생성하기 위해 물에서 pH 2 내지 4를 갖는 무기산 또는 염산이나 초산과 같은 유기산으로 처리될 수 있다. 상기 젤라틴은 콜라겐 가수분해물을 생성하기 위해 예를 들어, 30 내지 40℃의 온도에서 0.5 내지 10시간 동안 젤라틴 중량 대비 0.5 내지 2.5중량%의 펩신, 트립신 또는 키모트립신과 같은 단백질 분해효소로 더 처리될 수 있다. 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예에 있어서, 콜라겐 가수 분해물은 분자량이 500 내지 5000Da, 바람직하게는 1000 내지 3000Da(예를 들어, MALDI-TOF 분석을 통해 측정되는 경우)인 것이 사용된다.
또한, 바람직한 실시예들에 있어서, 상기 콜라겐 또는 이의 유도체는 처리 대상이 되는 친수성 액체 100중량%에 대하여 일반적으로 0.01 내지 8.0중량%, 바람직하게는 0.05 내지 5.0중량%, 더욱 바람직하게는 0.1 내지 2.0중량%, 특히 0.5 내지 1중량%의 농도로 수용액 또는 분산액 상태로 처리 대상이 되는 친수성 액체에 첨가된다.
본 발명에 따르면, 콜라겐 물질 또는 이의 유도체는 마이크로 플라스틱 및/또는 나노 플라스틱, 특히 소수성 표면을 갖는 마이크로 플라스틱 및/또는 나노 플라스틱, 특히 저밀도 폴리에틸렌(LDPE) 및/또는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)와 같은 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스티렌(PS) 및 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)에 대해 높은 흡착 용량 및/또는 결합력을 갖는 것으로 밝혀졌다.
따라서, 본 발명에 따른 처리 방법에 있어서, 마이크로 플라스틱 및/또는 나노 플라스틱 물질은 콜라겐 물질 또는 이의 유도체와/로 흡착 및/또는 물리적으로 결합된다. 이후 흡착 및/또는 물리적으로 결합된 마이크로 플라스틱 및/또는 나노 플라스틱 입자는 열역학적 이유로 친수성 액체와 기포의 경계, 바람직하게는 친수성 액체의 표면에 축적되고, 기포에 부력이 작용함에 따라 친수성 액체의 최상층 내부/위에 포말 또는 거품 층이 형성된다. 바람직한 일 실시예에 있어서, 친수성 액체로부터 포말 또는 거품의 분리는 부유 선광(flotation) 공정을 통해 개선될 수 있는데, 그 이유는 본 발명에 따른 콜라겐 물질 또는 그의 유도체가 마이크로 플라스틱 및/또는 나노 플라스틱, 특히 소수성 표면을 갖는 마이크로 플라스틱 및/또는 나노 플라스틱에 대해 우수한 부유 선광 회수율을 나타내기 때문이다.
상기 포말 또는 거품은 정화 대상인 친수성 액체로부터 효율적으로 배출되어 폐수와 같은 친수성 액체의 품질을 크게 향상시킬 수 있다.
바람직한 방법에 따르면, 콜라겐 또는 이의 유도체는 마이크로 플라스틱 및/또는 나노 플라스틱 입자가 콜라겐 또는 이의 유도체와/로 흡착 및/또는 물리적으로 결합되도록 충분한 시간 동안 처리 대상인 친수성 액체에 혼합 수단을 통해 혼합, 바람직하게는 교반된다.
흡착 및/또는 물리적으로 결합된 마이크로 플라스틱 및/또는 나노 플라스틱 입자는 일반적으로 처리 대상인 친수성 액체의 상부 상에 있는 용기 내의 거품 형태로 부유한다.
더욱 바람직한 일 실시예에 있어서, 콜라겐 물질 또는 이의 유도체의 첨가는 제1 단계에서 수행되고, 이어서 성분들이 일정 시간(= 체류 시간) 동안 혼합되도록 한다. 콜라겐 물질 또는 이의 유도체는 친수성 액체에 존재하는 마이크로 플라스틱 및/또는 나노 플라스틱 입자와 흡착 및/또는 물리적으로 결합하여 친수성 액체의 최상층 내부/위에 포말 또는 거품 층을 형성하게 된다. 현탁액에서의 바람직한 체류 시간은 10초 내지 10분, 특히 바람직하게는 20초 내지 5분이다.
회전 드럼(Rotating drums), 플로우 믹서(flow mixers) 또는 교반 믹서(agitating mixers)는 용기 내 성분을 균일하게 혼합하기 위한 바람직한 혼합 수단으로서 사용된다.
교반 믹서를 사용하는 경우 흡착 및/또는 물리적으로 결합된 마이크로 플라스틱 및/또는 나노 플라스틱 입자가 상부 상으로 쉽게 제거될 수 있어 좋은 결과를 나타냈다.
바람직하게는, 콜라겐 또는 이의 유도체를 처리 대상인 친수성 액체에 혼합할 때, 바람직하게는 교반할 때, 공기, 질소, 산소 또는 이산화탄소와 같은 캐리어 가스가 친수성 액체에 불어넣어지거나(폭기) 기포를 형성한다.
본 발명에 따른 처리 방법에서 교반 및 폭기가 조합되어 수행되는 경우, 분리될 마이크로 플라스틱 및/또는 나노 플라스틱 입자는 일반적으로 더 빠르게 부유하고 콜라겐 물질에 보다 확실하게 흡착 및/또는 물리적으로 결합한다.
바람직한 일 실시예에 있어서, 캐리어 가스가 친수성 액체에 유입될 때의 가스 속도는 용기 내의 친수성 액체의 표면 1m2당 1 내지 100Nm3/h의 범위이고, 바람직하게는 10 내지 80Nm3/h의 범위이며, 더욱 바람직하게는 20 내지 50Nm3/h이다.
일부 실시예들에 있어서, 캐리어 가스는 0 내지 10 l/min, 바람직하게는 4 내지 8 l/min의 공급량으로 유입된다. 바람직한 실시예들에 있어서, 처리 대상인 친수성 액체에 캐리어 가스가 유입되어 0.1 내지 10 mm 또는 심지어 최대 5 cm의 직경을 갖는 기포가 생성될 수 있다. 따라서, 예를 들면 처리 대상인 친수성 액체에 캐리어 가스가 유입되어 0.1 내지 20 mm, 바람직하게는 0.5 내지 10 mm, 보다 바람직하게는 0.8 내지 4 mm 또는 심지어 5 cm까지의 직경을 갖는 기포가 생성될 수 있다. 다른 바람직한 실시예들에 있어서, 처리 대상인 친수성 액체에 캐리어 가스가 유입되어 20 내지 100㎛, 바람직하게는 40 내지 70㎛의 직경을 갖는 마이크로 버블이 생성될 수 있으며, 그 이유는 위와 같은 크기의 직경을 갖는 마이크로 버블이 콜라겐 또는 이의 유도체에 의한 마이크로 플라스틱 및/또는 나노 플라스틱 입자의 흡착 및/또는 물리적 결합을 개선하는 것으로 나타났기 때문이다.
일 실시예에 있어서, 본 발명에 따른 처리 방법은 세광(Elutriation) 공정 또는 포말 부유 선광(Froth flotation) 공정이다.
세광(Elutriation)은 침전 방향과 반대 방향으로 흐르는 기체 또는 액체의 흐름을 사용하여 입자의 크기, 모양 및 밀도에 따라 입자를 분리하는 공정이다. 침전물로부터 마이크로 플라스틱 및/또는 나노 플라스틱을 분리하기 위해, 물의 상부 흐름이 친수성 액체와 콜라겐 물질 또는 이의 유도체를 포함하는 컬럼으로 통과되고, 이에 의해 침전물의 유동화가 유도되고 마이크로 플라스틱 및/또는 나노 플라스틱 입자가 친수성 액체의 상부 상으로 이동된다.
포말 부유 선광(Froth flotation)은 발수성(소수성) 또는 물에 대한 친화력(친수성) 여부에 따라 물질을 선택적으로 분리하는 공정이다. 본 발명에 따르면, 포말 부유 선광 공정은 분리될 물질의 밀도뿐만 아니라 상기 물질의 소수성 특성에도 의존한다.
분리는 일반적으로 물과 마이크로 플라스틱 및/또는 나노 플라스틱 입자가 함께 있는 용기(부유 선광 셀)에서 이루어지며 운반 가스가 지속적으로 주입되어 기포가 형성된다. 또한, 발포제와 같은 특정 화학 시약이 용기 내의 조성물에 첨가되어 마이크로 플라스틱 및/또는 나노 플라스틱 입자, 콜라겐 물질 또는 이의 유도체 및 기포 사이의 응집체의 선택적 형성을 촉진할 수 있다. 충돌 후, 마이크로 플라스틱 및/또는 나노 플라스틱 입자와 콜라겐 물질 또는 이의 유도체의 응집체는 기포에 부착되고, 상기 부유 선광 셀의 상부로 이동하여 부유된 포말 생성물(floated froth product)로 회수된다. 친수성 입자는 일반적으로 혼합물에 침전되어 부유되지 않은 생성물(non-floated product)이 된다.
포말 부유 선광 공정을 효과적으로 수행하기 위해서는 마이크로 플라스틱 및/또는 나노 플라스틱의 표면 자유 에너지, 부유선광조(flotation bath)에서 액체의 표면 장력, 및 액체가 고체 마이크로 플라스틱 및/또는 나노 플라스틱을 완전히 적시는 경우의 표면 장력으로 정의되는 임계 표면 장력과 같은 여러 매개변수를 고려하는 것이 중요하다. 소수성 마이크로 플라스틱 및/또는 나노 플라스틱을 친수성 액체로부터 선택적으로 분리하기 위해서는, 마이크로 플라스틱 및/또는 나노 플라스틱 입자가 부유선광조의 액체에 의해 부분적으로만 적셔져야 하고, 이에 따라 콜라겐 물질 또는 이의 유도체가 마이크로 플라스틱 및/또는 나노 플라스틱 입자의 표면에 부착되고 수집 대상인 액상의 표면으로 마이크로 플라스틱 및/또는 나노 플라스틱을 가져온다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 마이크로 플라스틱 및/또는 나노 플라스틱이 포말 부유 선광 공정을 통해 제거되는 경우, 마이크로 플라스틱 및/또는 나노 플라스틱의 부유 선광 회수율 향상을 위해 발포제가 콜라겐 물질 또는 이의 유도체와 함께 친수성 액체에 첨가될 수 있다. 특히 파인 오일, 자일레놀, 폴리에틸렌 글리콜 및/또는 메틸 이소부틸 카르비놀을 발포제로서 사용하는 경우, 보다 바람직하게는 파인 오일 및/또는 메틸 이소부틸 카르비놀을 발포제로서 사용하는 경우, PVC와 같은 마이크로 플라스틱 및/또는 나노 플라스틱의 부유 선광 회수율이 향상될 수 있고, 메틸 이소부틸 카르비놀이 첨가되는 경우 PET와 같은 마이크로 플라스틱의 부유 선광 회수율이 향상될 수 있다.
바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 포말 부유 선광 공정은 친수성 액체, 콜라겐 또는 이의 유도체, 바람직하게는 캐리어 가스의 흐름이 용기 내로 연속적으로 유입되는 연속 방식으로 수행될 수 있다. 또한, 상기 용기는 혼합 수단을 이용하여 연속적으로 혼합하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 연속 포말 부유 선광 방법의 일부 실시예들에 있어서, 처리 대상인 친수성 액체로부터 마이크로 플라스틱 및/또는 나노 플라스틱의 제거 정도를 개선하기 위해 연속적으로 배열된 2 이상의 용기에서 수행된다.
연속 포말 부유 선광 방법을 수행하는 경우, 상기 방법은 일반적으로 아래와 같은 단계들을 포함한다.
(i) 마이크로 플라스틱 및/또는 나노 플라스틱 입자를 포함하는 친수성 액체를 용기에 넣는 단계;
(ii) 부유제(flotation agent)로서 콜라겐 물질 또는 이의 유도체를 첨가하는 단계;
(iii) 친수성 액체에 캐리어 가스를 선택적으로 유입하며, 용기 내의 성분들을 혼합하는 단계; 및
(iv) 용기의 상부 상에 포집된 포말을 배출하는 단계.
두 번째 측면에 따르면, 본 발명은 콜라겐 물질 또는 이의 유도체의 수돗물, 폐수, 지하수, 지표수, 기수 또는 해수와 같은 친수성 액체로부터 마이크로 플라스틱 및/또는 나노 플라스틱을 분리를 위한 용도를 제공한다.
두 번째 측면의 바람직한 일 실시예에 있어서, 100 내지 1500㎛의 입자 크기를 갖는 콜라겐 물질 또는 그의 유도체는 친수성 액체로부터 마이크로 플라스틱 및/또는 나노 플라스틱을 분리하는데 사용된다.
본 발명은 실시예들의 몇 가지 예시를 통해 추가로 설명될 것이나, 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
실시예 1
A. pH 5.2(정제수 기준)의 묽은 완충 수용액 200ml에 분자량 1000 내지 3000Da 범위의 콜라겐 가수분해물 20g을 실온에서 3시간동안 300rpm으로 연속적으로 교반하면서 용해시켰다.
B. 정제수 200ml에 크기 분포가 0.1 내지 100㎛(upper size cut-off: 300㎛)인 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)로 만들어진 플라스틱 미립자 20g을 실험실용 진탕기를 이용하여 240rpm으로 밤새 분산시켰다.
C. A 단계에서 얻은 용액과 B 단계에서 제조한 분산액을 부유 선광 실험 시작 전에 혼합하고 생성된 혼합물을 실험 내내 마그네틱 스터러로 계속 교반하였다.
기공 크기 분포가 10 내지 16㎛인 다공성 유리판이 바닥에 구비된 높이 600mm, 내경 30mm의 유리 컬럼에 C 단계에서 제조된 혼합물 85ml를 채웠다. 컬럼은 컬럼 외측에 밀리미터 단위의 눈금을 구비하고 있다. 혼합물을 컬럼에 부은 후, 다공성 유리판에 1260cm3/min의 체적 유량 및 310mbar의 압력을 갖는 질소 가스의 흐름을 통과시켰다. 다공성 판을 통한 가스 흐름에 의해 유리판 중 컬럼에 존재하는 액체 혼합물과 마주하는 면에 기포가 형성되었다. 부력의 증가로 인해 성장 및 이탈하는 상기 기포는 컬럼 내 액상의 표면으로 부유하여 성장하는 거품 층을 형성했다. 액상의 벌크 대부분을 통과하는 동안 기포는 액상에 분산된 PET 미립자를 수집하고 이를 거품 층으로 가져왔으며, 이에 따라 PET 미립자는 액상과 분리되었다.
거품 층의 높이가 유리 컬럼의 높이에 가까운 높이에 도달했을 때, 예를 들면 거품 층이 약 570~580mm의 높이로 성장했을 때, 진공 펌프에 의해 펌프 및 수집 모세관 사이에 위치한 수집관으로 PET 미립자가 수집되었다. 이 PET 미립자의 거품 부유 선광 절차는 수회 반복되었으며, 각 사이클에 필요한 시간은 컬럼 내 최종 거품 높이 및 모세관으로 도달할 수 있는 컬럼 내부의 높이에 따라 다르지만, 일반적으로 몇 십 초를 넘지 않았다. 상기 부유 선광 실험은 5분 30초 후에 중단되었다.
상술한 거품 부유 선광에 의해 수집된 PET 미립자들은 여과지를 통해 여과되었고, 이들에 붙어있는 콜라겐은 수회 세척을 통해 제거되었다. 분리된 PET 미립자의 양은 분석 저울을 사용한 중량 측정에 의해 결정되었다. 진공 펌프에 의해 포집된 거품의 총량을 기준으로 거품 부유 선광 실험에서 수집된 PET 미립자의 최종 농도를 결정하였다. 얻어진 최종 농도는 3.4중량%였다. 이 농도를 C 단계에서 제조된 혼합물 내 PET 미립자의 초기 농도와 비교할 때, 콜라겐 가수분해물을 부유제로 사용한 거품 부유 선광에 의해 초기 액체 혼합물로부터 제거된 PET 미립자의 양은 75% 이상이었다.
실시예 2
실시예 1에 기재된 것과 동일한 방식으로 실시예 1A의 액체 혼합물 용액을 준비하였고, 제조된 분산액이 PET 미세입자를 함유하지 않고 0.1 내지 100㎛의 크기 분포를 갖는 폴리(스티렌-코-디비닐벤젠)(PS)으로 만들어진 미립자를 함유하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방식으로 실시예 1B의 분산액을 준비하였다.
포말 부유 선광 실험이 5분 20초 후에 중단된 것을 제외하고는 거품 부유 선광 실험의 조건은 실시예 1과 동일하게 진행되었다. 그 결과, 거품 부유 선광 실험에서 포집된 PS 미립자의 최종 농도는 3.0중량%(회수율: 66% 초과)였다.
Claims (14)
- 마이크로 플라스틱 또는 나노 플라스틱 물질을 포함하는 친수성 액체가 존재하는 용기에 콜라겐 물질 또는 이의 유도체를 투입하여, 상기 친수성 액체에 존재하는 상기 마이크로 플라스틱 또는 나노 플라스틱 물질을 흡착 또는 물리적 결합시키는 단계; 및
상기 흡착 또는 물리적 결합된 마이크로 플라스틱 또는 나노 플라스틱 물질을 상기 친수성 액체로부터 분리하는 단계를 포함하는, 마이크로 플라스틱 또는 나노 플라스틱 함유 친수성 액체 처리 방법. - 청구항 1에 있어서, 상기 친수성 액체는 수돗물, 폐수, 지하수, 지표수, 기수 또는 해수로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나인, 마이크로 플라스틱 또는 나노 플라스틱 함유 친수성 액체 처리 방법.
- 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 마이크로 플라스틱 또는 나노 플라스틱 함유 친수성 액체는 기계적, 생물학적 및 화학적 중 적어도 하나의 처리 단계를 거친, 마이크로 플라스틱 또는 나노 플라스틱 함유 친수성 액체 처리 방법.
- 청구항 1에 있어서, 상기 콜라겐 또는 이의 유도체는 콜라겐, 콜라겐 분획, 콜라겐 가수분해물, 젤라틴 또는 젤라틴 가수분해물로 이루어진 그룹에서 선택된, 마이크로 플라스틱 또는 나노 플라스틱 함유 친수성 액체 처리 방법.
- 청구항 4에 있어서, 상기 콜라겐 또는 이의 유도체는 500 내지 5,000Da의 분자량을 갖는 콜라겐 가수분해물인, 마이크로 플라스틱 또는 나노 플라스틱 함유 친수성 액체 처리 방법.
- 청구항 5에 있어서, 상기 콜라겐 또는 이의 유도체는 1,000 내지 3,000Da의 분자량을 갖는 콜라겐 가수분해물인, 마이크로 플라스틱 또는 나노 플라스틱 함유 친수성 액체 처리 방법.
- 청구항 1에 있어서, 상기 친수성 액체에 캐리어 가스로 공기, 질소, 산소 또는 이산화탄소가 불어넣어지거나 기포를 형성하는, 마이크로 플라스틱 또는 나노 플라스틱 함유 친수성 액체 처리 방법.
- 청구항 7에 있어서, 상기 캐리어 가스는 상기 용기 내 상기 친수성 액체로 상기 친수성 액체의 표면 1m2당 1 내지 100Nm3/h 범위의 가스 속도로 유입되는, 마이크로 플라스틱 또는 나노 플라스틱 함유 친수성 액체 처리 방법.
- 청구항 8에 있어서, 상기 캐리어 가스는 상기 용기 내 상기 친수성 액체로 상기 친수성 액체의 표면 1m2당 20 내지 50Nm3/h 범위의 가스 속도로 유입되는, 마이크로 플라스틱 또는 나노 플라스틱 함유 친수성 액체 처리 방법.
- 마이크로 플라스틱 함유 친수성 액체로부터 마이크로 플라스틱 또는 나노 플라스틱 분리용 콜라겐 물질 또는 이의 유도체.
- 청구항 10에 있어서, 상기 친수성 액체가 수돗물, 폐수, 지하수, 지표수, 기수 또는 해수로 이루어진 군으로부터 선택된, 콜라겐 물질 또는 이의 유도체.
- 청구항 10 또는 청구항 11에 있어서, 상기 콜라겐 물질 또는 이의 유도체는 100 내지 1500㎛ 범위의 입자 크기를 갖는, 콜라겐 물질 또는 이의 유도체.
- 청구항 10에 있어서, 상기 콜라겐 또는 이의 유도체는 500 내지 5,000Da의 분자량을 갖는 콜라겐 가수분해물인, 콜라겐 물질 또는 이의 유도체.
- 청구항 13에 있어서, 상기 콜라겐 또는 이의 유도체는 1,000 내지 3,000Da의 분자량을 갖는 콜라겐 가수분해물인, 콜라겐 물질 또는 이의 유도체.
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