본 연구에서는 UV 조사하에 미세 크기 TiO₂ 광촉매와 산화제인 과산화수소 (H₂O₂), 과요오드산염 (Periodate), 과산화황산칼륨 (Oxone)의 시너지 효과를 유발하여 폴리프로필렌 (PP), 폴리에틸렌 (PE), 폴리스티렌 (PS)의 표면 개질 및 분해실험을 진행하였다. Sol-gel 방법으로 TiO₂ 를 직접 제조했으며, 제조된 TiO₂ 는 PSA, SEM 분석을 통해 입자크기 분포를 확인하였다. 또한, 제조된 TiO₂ 의 광촉매 분해 성능을 시험하기 위해 설파다이어졸 (Sulfathiazole, STZ) 분해 실험을 진행하였다. 제조된 TiO₂ 는 우수한 STZ 분해를 보였으며, 대부분의 반응이 30 분 이내에 94% 정도 분해되었다.
이후 미세플라스틱 분해 실험을 진행하였으며, 실험 전후 변화를 관찰하기 위하여 SEM, FTIR, XPS 를 사용하여 특성화 하였다. 실험 결과, 구형의 PP (직경 4 mm)와 PS (직경 1 mm)는 큰 입자 크기와 높은 강성으로 인해 중량 감소에 많은 영향을 받지 않았다. 반면, PE 는 작은 입자 크기 (20~100 μm)와 높은 비표면적으로 인해 처리 시스템에 따라 향상된 중량 감소가 나타났으며, 감소율은 다음과 같다: UV(0%), UV/TiO₂ (5.7%), UV/TiO₂/H₂O₂ (17%), UV/TiO₂/Periodate (16%), 및 UV/TiO₂/Oxone (13.4%).
SEM 이미지에서 PP, PE 및 PS 표면에 분해 흔적이 나타났으며, PS 의 경우, 부족한 Washing 으로 인해 플라스틱 표면에 TiO₂ 가 흡착되어 형태 변화의 직접적인 흔적을 찾기 어려웠다. FTIR 분석 결과, PP 와 PE 의 카보닐 그룹에서 변화를 나타냈으며, 케톤 (1720 cm-1), 산 (1718 cm-1), 에스터 (1735 cm-1) 및 비닐 그룹 (1650 cm-1)이 전반적으로 증가한 것으로 관찰되었다. PS 의 FTIR 스펙트럼은 입자 크기와 모양이 모호하여 얻지 못했다. 한편, XPS 분석은 PP 및 PS 샘플의 O/C 비율 및 표면 작용기의 변화를 보여주었으며, PE 는 실험 후 회수과정에서 TiO₂ 와의 완전한 분리가 어려워 XPS 스펙트럼을 얻을 수 없었다. 저해상도 스펙트럼에서 O/C 비율은 PP 와 PS 샘플 모두에서 다음과 같이 증가했다: UV (4%PP, 1%PS), UV/TiO₂ (7%PP, 3%PS), UV/TiO₂/Oxone (10%PP, 4%PS), UV/TiO₂/Periodate (11%PP, 10%PS), UV/TiO₂/H₂O₂ (11%PP, 11%PS). 고해상도 C1s 및 O1s 스펙트럼은 UV/TiO₂/Periodate 및 UV/TiO₂/H₂O₂ 그래프에서 C-O 결합이 가장 두드러진 변화를 보여주었으며, UV/TiO₂ 에 비해 UV/TiO₂/Oxone 또한 개선된 변화를 보였다. UV/TiO₂ 시스템은 산화제를 사용한 시스템에 비해 큰 변화를 보이지 않았으며, UV 만 조사한 시스템에서는 거의 변화가 나타나지 않았다.
전반적으로 UV/TiO₂/산화제의 미세플라스틱 분해 실험 결과는 H₂O₂ 가 TiO₂ 와 협력적으로 반응하여 TiO₂ 에서 생성되는 전자-정공 재결합을 효과적으로 억제하는 가장 우수한 산화제임을 나타냈다. 또한, 하이드록실 라디칼은 하이드로퍼옥사이드 분해와 Norrish 반응을 통해 진행되는 플라스틱의 광분해에서 중요한 반응 중간체 중 하나이다. H₂O₂ 는 가장 많은 전자-정공을 생성하여, TiO₂ 의 활성화를 돕고, 이로부터 하이드록실 라디칼이 가장 많이 생성된 것으로 예상된다. Periodate 또한 TiO₂ 와 뛰어난 시너지 효과를 나타내며 우수한 분해 효율을 보여주었기 때문에 추가 연구를 통해 더욱 향상될 수 있는 잠재력을 가졌다. Oxone 은 H₂O₂ 와 Periodate 에 비해 미세플라스틱 분해 정도가 약했지만, 친환경성과 TiO₂ 와의 유망한 시너지 효과는 실험 조건을 조정하여 향상될 여지가 있다고 생각한다. 이를 기반으로, 폐수 혹은 환경에 존재하는 미세 플라스틱을 효과적으로 처리하는 기술의 개발에 대한 추가 연구를 진행하고 있으며, 이는 우리가 당면한 환경 문제에 대한 실현 가능한 해결책이 될 수 있을 것으로 기대된다.