최근 플라스틱 오염이 전 지구적인 환경 이슈로 부각되고 있으며, 이에 따라 플라스틱에서 배출되는 휘발성 유기화합물(Volatile Organic Compounds, VOCs)의 인체위해성과 환경 및 기후 변화에 미치는 잠재적인 영향에 대한 연구의 필요성이 증대되고 있다. 플라스틱 기인 VOCs의 환경 내 거동과 영향을 평가하기 위해선 배출특성을 파악하는 것이 우선적이다. 최근 플라스틱 기원 휘발성유기화합물 분석에 실시간 측정장비를 적용하는 사례가 증가하고 있으나, 기존 연구에 비해 분석 방법이 구체적으로 정립되지 않은 실정이다. 본 연구에서는 선택적 다중이온 질량분석기(Selected Ion Flow Tube Mass Spectrometry, SIFT-MS)를 활용한 플라스틱 기인 VOCs분석기법을 정립하고, 플라스틱 유형별 VOCs 배출 특성 및 풍화에 따른 배출 특성 변화를 연구하였다.

전세계적으로 사용량이 가장 많은 저밀도 폴리에틸렌(Low Density Polyethylene, LDPE), 고밀도 폴리에틸렌(High Density Polyethylene, HDPE), 폴리프로필렌(Polypropylene, PP), 발포폴리스티렌(Expanded Polystyrene, EPS), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene Terephthalate, PET) 펠릿을 대상으로 연구를 진행하였다. 안정적인 온도조절이 가능한 챔버 내에서 20℃ 에서 80℃까지 10℃ 간격으로 가열하였으며, 각 온도구간에서 1시간동안 SIFT-MS 스캔 모드로 VOCs 농도변화를 모니터링했다. 총 VOCs 농도는 LDPE에서 가장 높게 나타났으며, HDPE, PP, EPS 그리고 PET 순이었다. VOCs 조성 분석 결과, LDPE, HDPE, PP의 경우 알칸, EPS는 방향족과 알칸, 그리고 PET의 경우 알코올과 방향족이 80% 이상으로 플라스틱별로 특징적인 조성을 나타냈으며, 대부분 제조과정 내 반응 잔여물과 부산물, 첨가제 혹은 불순물 등으로 확인되었다. 정성 및 정량이 가능한 화합물의 수는 HDPE가 34종으로 가장 많았으며, LDPE(27종), EPS(21종), PP(19종), PET(17종) 순으로 다른 연구에 비해 다양한 그룹의 많은 수의 화합물을 확인할 수 있었다. VOCs 농도 및 검출 화합물의 수는 가열 온도에 따라 지속적으로 증가하여 80℃에서 최대값을 보였으며, 가열시간은 30분 경과 시 안정화되어 상대표준편차가 가장 낮았다. 고온 노출에 따른 폴리머의 변성 및 이에 따른 VOCs 배출 특성 변화 확인 결과 유의한 차이가 없는 것으로 확인되었다. 본 연구를 통해 향후 플라스틱 내 VOCs 연구에 SIFT-MS가 적극 활용할 수 있는 기반이 조성되었으며, 다양한 플라스틱 제품의 VOCs 배출특성, 플라스틱 풍화에 따른 VOCs 배출특성 변화, 실환경 내 플라스틱 기인 VOCs 배출기여도 산정 등 다양한 연구에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

플라스틱은 보관, 사용, 폐기과정에서 환경에 노출되어 열분해, 가수분해, 광분해 등 다양한 풍화작용을 받는다. 이로 인해 플라스틱에서 배출되는 VOCs의 배출 특성도 변화되는 것으로 알려져 있으나, 관련 연구결과가 많지 않다. 본 연구에서는 태양광에 노출된 시료와 노출 기간에 따른 플라스틱 기인 VOCs 배출 특성 변화를 SIFT-MS를 활용하여 평가하였다. 태양광에 노출시킨 그리고 알루미늄 호일을 감싸 태양광을 차단한 5종의 플라스틱 펠릿을 야외에 15일, 30일, 3개월 동안 노출시켰다. 각각의 시료는 기확립된 분석방법을 활용하여 VOCs 농도 및 조성변화를 모니터링하였다. 먼저 Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR)과 Field Emission Scanning Electron Microscope (FE-SEM)을 통해 플라스틱 표면의 화학적 구조와 물리적인 변화를 각각 확인했다. 광산화도를 평가할 수 있는 Carbonyl Index (PET의 경우 Carboxyl Index)의 노출시간에 따른 변화도는 PP가 가장 높았고, 뒤를 이어 LDPE, EPS 순이었으며, HDPE와 PET의 광산화지수의 변화는 상대적으로 낮거나 변화가 없어 광분해에 대한 안정성을 지시했다. 변색과 물리적인 표면 변화는 EPS에서만 관찰되어 EPS가 광분해에 특히 취약함을 나타냈다. SIFT-MS 스캔 스펙트럼 비교 결과 노출 조건에 따른 플라스틱 기인 VOCs 피크의 세기, 숫자, 노출 시간에 따른 변화는 폴리머의 종류에 따라 다르게 나타났다. PE계열의 경우 피크 세기만 감소하였으며, PP와 EPS의 경우 시간에 따라 태양광 노출구에서 피크 세기와 숫자 모두 급격히 증가하는 경향을 보였다. 정성 및 정량 결과 태양광 노출에 따른 조성변화가 확연히 드러났다. PE와 PP의 경우 노출 3개월 후 알칸류가 급격히 감소하고, OVOCs(oxygen containing VOCs)를 포함한 광산화물질들의 비중이 44%까지 증가하였다. EPS의 경우 알칸과 방향족 화합물의 비중이 급격히 감소하고 에스테르 및 에테르, 케톤의 비중이 크게 증가하였다. PET의 경우 광노출에 따른 농도 및 조성변화가 크게 없었다. 시간에 따른 주요 VOCs의 농도변화를 통해 저감율과 광산화화합물 생성율을 확인할 수 있었다. PE, PP, EPS내 주요 VOCs 화합물들은 광노출구와 대조구에서 감소율은 다르지만 지수감소적 경향을 나타냈으며, 광산화화합물의 경우 선형적인 농도 증가 특성을 보였다. 본 연구에서는 비교적 단기간인 3개월간 태양광 노출실험이 진행되었으나, 대부분의 폴리머들에서 광산화에 따른 VOCs의 조성변화와 OVOCs의 생성을 확인할 수 있었다. 차후 연구를 통해 1년 이상 장기 노출 시 단기 노출에 비해 장기간 광산화에 따른 OVOCs 생성 특성을 파악하는 데 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

In recent years, plastic pollution has emerged as a global environmental issue, highlighting the need for research on the potential impacts of volatile organic compounds (VOCs) emitted from plastics on human health, the environment, and climate change. Understanding the emission characteristics is essential to assess the environmental behavior and impacts of plastic-derived VOCs. While there has been an increasing use of real-time measurement instruments for analyzing plastic VOCs, the analytical methods have not been well-established compared to previous studies. In this study, we established an analytical technique for plastic-derived VOCs using Selected Ion Flow Tube Mass Spectrometry (SIFT-MS) and investigated the emission characteristics of VOCs from different types of plastics and their variations with weathering.

We conducted this study focusing on the most widely used plastics worldwide, including Low Density Polyethylene (LDPE), High Density Polyethylene (HDPE), Polypropylene (PP), Expanded Polystyrene (EPS), and Polyethylene Terephthalate (PET) pellets. The samples were heated in a temperature-controlled chamber from 20°C to 80°C at 10°C intervals, and the changes in VOC concentrations were monitored using the SIFT-MS scan mode for one hour at each temperature interval. The total VOC concentration was highest in LDPE, followed by HDPE, PP, EPS, and PET. VOC composition analysis revealed distinctive compositions for each plastic: alkanes for LDPE, HDPE, and PP; aromatic compounds and alkanes for EPS; and alcohols and aromatic compounds for PET, with each constituting over 80% of the composition. These compounds were mostly identified as residues, byproducts, additives, or impurities from the manufacturing process. HDPE showed the highest number of quantitatively identifiable compounds with 34 species, followed by LDPE (27 species), EPS (21 species), PP (19 species), and PET (17 species), indicating a wide range of compound groups compared to previous studies. VOC concentrations and the number of detected compounds continued to increase with increasing heating temperature, reaching the maximum at 80°C. After 30 minutes of heating, the values stabilized, with the lowest relative standard deviation. The investigation of polymer degradation and related changes in VOC emissions due to high-temperature exposure did not show significant differences. This study establishes a foundation for utilizing SIFT-MS in future research on VOCs in plastics, and it is expected to apply to various studies, including the emission characteristics of VOCs from various plastic products, changes in VOC emissions due to plastic weathering, and the contribution of plastic-derived VOCs in real environmental settings.

Plastics undergo various weathering processes, such as thermal degradation, hydrolysis, and photodegradation during storage, use, and disposal of those products. These processes are known to affect the emission characteristics of VOCs from plastics, but there is limited research on this topic. In this study, the changes in VOC emissions from plastics exposed to sunlight and their control (blocked sunlight), as well as the exposure duration, were evaluated using SIFT-MS. Five types of plastic pellets were exposed outdoors under these weathering conditions for 15 days, 30 days, and 3 months. The VOC concentrations and composition changes were monitored using established analytical methods for each sample. Firstly, the chemical structure and physical changes of the plastic surfaces were examined using Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR) and Field Emission Scanning Electron Microscope (FE-SEM), respectively. The changes in the Carbonyl Index (or Carboxyl Index for PET), which can evaluate the degree of photooxidation, varied depending on the exposure duration and the polymer type. PP showed the highest increase in the Carbonyl Index, followed by LDPE and EPS, indicating their susceptibility to photodegradation. On the other hand, HDPE and PET exhibited relatively low or no change in the photooxidation index, indicating their stability against photodegradation. Discoloration and physical surface changes were observed only in EPS, indicating its vulnerability to photodegradation. The comparison of SIFT-MS scan spectra revealed different trends in peak intensities and numbers of VOCs derived from plastics according to the exposure conditions and polymer types. For the PE series, only the peak intensities decreased, while for PP and EPS, both the peak intensities and numbers increased significantly under sunlight exposure conditions. The qualitative and quantitative results clearly demonstrated compositional changes induced by sunlight exposure. For PE and PP, alkanes decreased sharply after 3 months of exposure, while the proportion of photooxidation products, including oxygen-containing VOCs (OVOCs), increased by up to 44%. In the case of EPS, the proportion of alkanes and aromatic compounds decreased significantly, while the proportion of esters, ethers, and ketones increased significantly. For PET, there were minimal changes in concentration and composition due to photodegradation. The changes in concentrations of major VOCs over time allowed for determining the depletion rates and formation rates of photooxidation compounds. While the major VOC compounds in PE, PP, and EPS showed different depletion rates under sunlight exposure condition and dark controlled condition, they all exhibited exponential decrease trends, whereas the photooxidation compounds showed a linear increase in concentration. Although the sunlight exposure experiments conducted in this study lasted for a relatively short period of 3 months, compositional changes in VOCs and the formation of OVOCs were observed in most polymers. It is anticipated that long-term exposure experiments exceeding one year would contribute to understanding the characteristics of OVOCs generated by prolonged photodegradation and their implications for human health and air quality.