안동준 교수, 얼음으로 수중 나노플라스틱 분리 기술 개발
△ (왼쪽부터) 고려대 화공생명공학과 안동준 교수(교신저자), 고려대 원태경 박사(교신저자 및 제1저자), 명지대 화공신소재공학부 정우혁 교수(공동 제1저자)
고려대학교(총장 김동원) 화공생명공학과(KU-KIST융합대학원 겸임) 안동준 교수 연구팀과 명지대학교(총장 임연수) 화공신소재공학부 정우혁 교수 연구팀은 얼음 결정을 성장시켜 수중 나노플라스틱을 효과적으로 분리하는 새로운 기술을 개발했다. 본 연구 결과는 환경공학 분야의 국제적인 학술지인 ‘Chemical Engineering Journal’(IF: 12.5, JCR Engieering, Environmental 분야 상위 4%)에 2026년 10월 14일 온라인 게재됐다. *논문명: Freezing-driven separation process for nanoplastics by subzero-functional biosolvent materials coupled with growing ice crystals *DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.182917
수중에 존재하는 나노플라스틱은 매우 작은 입자 크기와 높은 분산 안정성으로 인해 자연 침강만으로 제거하기 어려운 환경오염 물질이다. 기존에는 응집제, 흡착제, 분리막 등을 활용한 다양한 제거 기술이 연구되어 왔으나, 나노플라스틱의 표면 특성에 따라 분리 효율이 달라지고 추가적인 화학물질이나 분리 소재가 필요하다는 한계가 있다. 이에 따라 나노플라스틱을 효과적으로 응집시키고 수중에서 쉽게 분리할 수 있는 새로운 기술 개발이 중요한 과제로 남아 있다.
연구팀은 기존의 화학적 응집이나 흡착 방식에서 벗어나, 얼음 결정의 성장 과정에서 발생하는 입자 농축 현상을 활용한 새로운 나노플라스틱 분리 방법론을 제시했다. 이를 위해 성장하는 얼음 결정들과 영하에서 기능하는 바이오 용매를 결합한 복합 분리 공정을 개발했다. 물이 얼어가는 과정에서 나노플라스틱 입자들과 바이오 용매는 성장하는 얼음 결정들 사이의 좁은 비동결 액체 영역으로 밀려나 국소적으로 농축된다. 이러한 공간적 구속 현상은 나노플라스틱과 바이오 용매의 접촉을 증가시키며 플라스틱 입자간 응집을 촉진하여 해동 이후에도 마이크로미터 크기의 거대 응집체를 형성하는 것으로 분자동력학 시뮬레이션 및 실험을 통해 메커니즘을 규명했다. 
△ 바이오 용매와 얼음 성장을 활용한 나노플라스틱 분리 방법을 제시함. 동결 과정에서 나노플라스틱과 바이오 용매가 얼음 결정 사이에 농축되어 입자 응집이 촉진됨. 해동 후 응집체가 바이오 용매와 함께 부상하는 현상을 이용하여 1회 동결-해동으로 손쉽게 90~95% 분리함.
특히 연구팀은 식물 유래 테르펜계 바이오 용매들을 비교 분석하여, d-리모넨(d-limonene)이 영하 환경에서 나노플라스틱의 응집을 촉진하는 효과적인 기능성 소재로 작용함을 확인했다. 표면 특성이 서로 다른 세 종류의 100 nm 폴리스티렌 나노플라스틱을 대상으로 실험한 결과, 단 1회의 동결-해동 과정만으로 수중에 잔류하는 나노입자 농도를 90~95% 감소시키는 데 성공했다. 또한, 형성된 응집체가 바이오 용매와 함께 밀도 차이에 의한 부력으로 수면에 부상하는 현상을 확인하여, 이를 수용액으로부터 수월하게 분리할 수 있음을 입증했다. 
△ d-limonene 존재 하에서 동결에 의해 유도되는 나노플라스틱 응집 실험 및 시뮬레이션 분석. (상) d-limonene 존재하에서 초기 상태와 –20°C 및 –70°C 동결·해동 후 나노플라스틱 입자의 크기 분포와 SEM 이미지. 동결 후 나노플라스틱 입자가 큰 응집체를 형성하는 것을 확인함. (중) d-limonene 투입에 따른 동결·해동 시뮬레이션 및 z축 방향 질량밀도 분포. 동결 과정에서 나노플라스틱과 d-limonene은 얼음 사이에 농축되어 두 성분 간 접촉과 나노플라스틱 응집이 촉진되며, 해동 후에도 응집 구조가 유지됨. (하) 반면, d-limonene이 없는 대조군에서는 동결·해동 후에도 나노플라스틱이 분산된 상태를 유지함. 
△ 서로 다른 표면 특성을 갖는 나노플라스틱 입자의 동결 유도 응집에 대한 공정 조건의 영향. Bare-PS, Carboxylate-PS 및 Amine-PS의 입자 크기 변화를 동결 시간, 해동 온도, 바이오 용매 농도 및 동결-해동 횟수에 따라 분석함. 다양한 표면 특성을 갖는 나노플라스틱의 효율적 분리를 위해 −70°C에서 2시간 동결, 20°C 해동, 20 v/v% d-limonene 첨가 및 1회의 동결·해동이 적합한 최적 공정 조건임을 확인함.
이번 연구는 기존에 입자의 불안정성을 유발하는 현상으로 여겨졌던 동결 중 입자 농축과 응집을 새롭게 분리공정의 핵심 원리로 활용했다는 점에서 의의가 있다. 특히 기존 화학 응집제나 고체 흡착제에 의존하지 않는 새로운 물-얼음 상변화 기반 나노플라스틱 분리 전략을 제시했다는 점에서 의미가 크다. 향후 실제 환경에서의 성능 검증과 바이오 용매 회수·재사용 및 냉각 에너지 최적화 등을 통해 다양한 수처리 분야로의 확장이 기대된다.
본 연구는 한국연구재단(NRF)의 지원을 받는 공학선도연구센터(ERC) 사업의 지원을 받아 수행됐다.
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