초록 ▼

연구개요
나노물질 등에 대한 환경거동 및 노출평가 연구는 금속입자의 용해(dissolution), 동종응집(homoaggregation) 및 침전(sedimentation) 등에 집중되어 왔다. 수계 나노물질의 노출평가는 정량적 결과(농도) 뿐만 아니라 크기, 응집/집괴성, 표면특성 등의 정성적 특성 또한 매우 중요하다. 나노물질의 유해성은 위의 정성적 특성에 대한 의존성이 매우 높기 때문이다. 본 연구에서의 변환거동은 나노물질의 용해, 응집/집괴 등의 물리적 거동과 표면의 산화/환원 등 화학적 변환을 모두 포괄한다.
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연구개요
나노물질 등에 대한 환경거동 및 노출평가 연구는 금속입자의 용해(dissolution), 동종응집(homoaggregation) 및 침전(sedimentation) 등에 집중되어 왔다. 수계 나노물질의 노출평가는 정량적 결과(농도) 뿐만 아니라 크기, 응집/집괴성, 표면특성 등의 정성적 특성 또한 매우 중요하다. 나노물질의 유해성은 위의 정성적 특성에 대한 의존성이 매우 높기 때문이다. 본 연구에서의 변환거동은 나노물질의 용해, 응집/집괴 등의 물리적 거동과 표면의 산화/환원 등 화학적 변환을 모두 포괄한다.
자연상에서 발생할 수 있는 나노물질의 변환반응 모델을 정립하고, 변환에 의한 특성 평가 및 이에 따른 물리적 변환과의 상호 영향 등을 연구하였다. 실제 환경 내 나노물질 농도수준인 ppt 범위에서 나노물질의 동종응집 평가를 위한 실험적 기법을 개발하였으며, 이를 이용하여 금속나노물질의 지질상 콜로이드 물질 및 NOM과의 상호작용을 해석하였다.

연구 목표대비 연구결과
금속입자상물질의 황화반응으로 인한 입자상 물질의 물리화학적 특성변환을 확인하였다. 다양한 환경조건에서 표면의 황화반응에 따른 입자의 특성변화가 가장 두드러지게 나타났으며, 이는 산화아연의 용해도를 저감시키는 효과를 수반하였다. 따라서, 이러한 표면반응은 금속나노 입자의 환경 내 거동을 지배한다.
응집체의 구조를 입자의 수(number)로 나타내기 위해 spICP-MS 분석기술을 이용하여 응집체의 질량을 측정 후 다음의 식을 이용하여 하나의 응집체를 구성하는 개별입자의 수를 산출하였다. 측정된 응집체의 질량은 DLS에서 측정된 크기를 이용하여 mass fractal dimension(MFD, Df)을 계산하였다.
약 7ppt 수준의 농도에서 24시간동안 동종입자간의 응집이 발생하지 않았다. 실제 환경에서는 지질상 콜로이드, 유기물 콜로이드 등 다양한 형태의 입자상물질이 ppm 수준 이상으로 존재한다. 이러한 점을 종합하면, 환경에 유출된 금속나노입자는 자연상 콜로이드와의 상호작용(이 연구에서는 주로 이종응집을 다룸)이 매우 중요하다는 것을 알 수 있었다.
지질환경에서 금속나노입자의 이동 시 관찰된 입자의 상호작용 반응을 크게 세 가지로 구분하였다. 첫 번째는 금속나노입자의 자연상 콜로이드(토양)에 부착(attachment) 반응이다. 두번째는 pore에서 발생하는 물리적인 size exclusion으로서, 이 현상은 시간에 따라 점차 그 영향이 증가하는 경향이 있다. 마지막 세 번째는 금속나노입자의 용해이다. pH가 낮은 조건에서 금속의 용해가 발생하며, 용해가 진행되면 이동은 입자상과 용존상 이동현상으로 구분된다. 초기에는 입자상 이동이 dominant 하며, 시간의 경과에 따라 용존상 이동의 영향이 증가한다.
PVP-AgNP와는 전기적인 반발력이 발생하며, kaolinite의 동종입자간 응집은 발생하지 않는다.
이 조건에서 발생하는 PVP-AgNP의 부착은 PVP 코팅의 비대칭성 때문이다.
Cit-AgNP의 동종입자간 응집이 유리한 조건에서는 나노입자의 응집속도가 kaolinite와의 반응속도보다 빠르므로 동종입자간 응집에 의한 지연이동이 지배적이다. 그러나, 동종입자의 응집이 억제되는 조건(NOM 영향 포함)에서는 PVP-AgNP의 경우와 마찬가지로 kaolinite와의 상호작용이 지배적인 지연이동 현상이다.

연구개발결과의 중요성
연구의 출발점인 가설 설정 단계에서 나노물질의 환경 내 거동특성을 물리적 변환과 화학적 변환으로 구분하였다. 거동특성의 분류는 입자의 환경 내 transport&fate를 평가하기 위한 현상의 분류 범주를 제공했다는 측면에서 매우 중요하다. 이러한 분류는 입자를 다루는 후속 연구에서도 참고할 만한 사항이다.
spICP-MS 분석기술을 이용하여 ppt 수준에서의 물리적 변환을 평가할 수 있는 실험적 기법을 제시하였으며, 이에 대한 적용성을 검증하였다. 자연상 콜로이드와의 상호작용에 대한 해석에 본 기법을 적용하여, 동종입자간의 반응과 이종입자간의 반응, 그리고 금속나노입자의 용해에 대한 결과를 제시할 수 있었다.
대표적인 자연상 콜로이드인 지질매체(sand, kaolinite)와 NOM의 거동영향을 실험적으로 관찰하였으며, 토양 칼럼실험을 통해 지연이동에 관여하는 반응을 세 가지(attachment, strain, dissolution)로 분류하였다.
kaolinite의 특성을 금속나노입자의 지연이동현상을 해석하는데 활용하였다. 입자의 이동은 입자간의 상호작용이 중요한 역할을 하며 지질화학의 조건과 입자의 특성에 따라 그 지배반응이 구분된다는 결과를 제시하였다.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 5
• 가. 1단계 : 나노변환 및 거동 연구를 위한 실험적 기법 개발 ... 5
• 나. 2단계 : spICP-MS 기술을 적용한 나노물질 응집거동 해석 (개발된 실험기법의 적용성 평가) ... 8
• 다. 3단계 : 칼럼실험을 이용한 지질기원 자연상 콜로이드와의 상호작용 평가 (실험기법 활용) ... 9
• 라. 4단계 : 지질기원 자연상 콜로이드와의 상호작용 모델 정립 ... 15
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 17
• 4. 참고문헌 ... 18
• 5. 연구성과 ... 19
• 대표적 연구실적 ... 21
• 끝페이지 ... 24