How chemists are tackling the plastics problem

폐플라스틱 재활용 방법이 화학자들에 의해 새롭게 개발되었다

플라스틱 폐기물을 재활용하기 위한 화학 반응을 돕는 새로운 연구가 발표되었다.

우리는 모든 플라스틱을 하나의 범주로 묶는 경향이 있다. 하지만 재활용품을 분리 배출해보면 알 수 있듯이 생수병, 우유통, 계란판, 신용카드는 실제로 모두 다른 종류의 플라스틱으로 만들어진다.

재활용 시설로 보내진 폐기용 플라스틱은 우선 분류 과정을 거친다. 이 단계에 많은 시간과 비용이 들기 때문에 본질적으로 재활용할 수 있는 재료의 종류와 양이 제한된다고 할 수 있다.

다양한 플라스틱의 혼합물들을 프로판(propane)으로 바꾸는 화학적 공정이 새롭게 개발되었다. 프로판은 주로 연료로 쓰이는 단순한 구조의 석유 화합물로서, 새로운 플라스틱 제품이나 기타 화합물을 합성하기 위한 구성 요소로도 사용된다. 비록 플라스틱마다 구체적 화학 구조는 다르지만, 대부분의 플라스틱이 공통적으로 탄소와 수소로 이루어진 긴 사슬을 바탕으로 하기 때문에 이러한 사용 방식이 가능하다.

새로운 재활용 기술 개발은 환경보호 활동 및 관련 정책과 함께 플라스틱으로 인한 환경오염 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있다. 플라스틱은 전 세계적으로 4억 톤 이상이 해마다 생산된다. 이 중 재활용 분량은 10% 미만이고, 여러 차례 사용되는 플라스틱 제품은 약 30%뿐이다. 나머지는 주변에 버려지거나 쓰레기 매립지로 보내지고 일부는 소각된다. 

넘쳐나는 플라스틱 폐기물은 기후변화의 주요 요인이기도 하다. 플라스틱 생산량은 2019년에는 전 세계 온실가스 배출량의 3.4%를 차지했다. 그러므로 폐플라스틱을 재활용하여 새로운 플라스틱 제품을 만든다면, 매립지와 바다를 오염시키지 않고 탄소 배출까지 줄이는 해결책이 될 것이다.

이번 연구의 주요 저자로 참여한 줄리 로러(Julie Rorrer) MIT 화학공학과 박사후 연구원은 “이러한 폐플라스틱을 귀중한 공급원료로 활용할 수 있는 방법을 개발하는 것이 우리가 진정으로 연구하려는 일”이라고 말한다.

로러와 동료들이 개발한 새로운 접근법은 오늘날 가장 보편적으로 사용되는 두 가지 플라스틱, 즉 폴리에틸렌과 폴리프로필렌에 적용할 수 있다는 것이 주된 장점이다. 생수병 및 우유통을 가리지 않고 반응기에 투입하여 프로판을 합성해낼 수 있다. 이 기술을 이용하면 최종 생산물의 80%가 프로판일 정도로 효율성이 높다.

로러는 “플라스틱 재순환 사이클을 위한 첫걸음이기에 매우 기대된다”라고 했다.

이 공정은 플라스틱을 분해하는 데 필요한 에너지 장벽을 낮추기 위해 두 가지 촉매를 사용한다. 첫 번째는 코발트, 두 번째는 다공성 모래 모양의 물질인 제올라이트(Zeolite)다. 로러의 연구팀은 이런 촉매들이 정확히 어떻게 화학적으로 작용하는지 아직은 완전하게 파악하지 못했다. 다만 로러는 제올라이트의 공극들(pores)이 기다란 플라스틱 분자 사슬의 반응 부위를 결정하여 프로판이 합성될 확률을 높이는 한편, 코발트는 제올라이트의 촉매 효율을 높이는 역할을 하는 것으로 추정한다.

이 기술은 상용화되기까지 아직 갈 길이 멀다. 현재 시장에서의 반응은 소규모로 불연속적으로 진행되고 있다. 산업적인 경쟁력을 갖추기 위해서는 지속적인 반응을 이끌어낼 방법이 필요하다.

또한 로러는 그녀의 연구팀이 계속해서 여러 물질들을 촉매로 사용할 수 있도록 시험하고 있다고 전했다. 현재 사용하고 있는 코발트는 다른 후보 물질이었던 루테늄, 백금 등보다 흔하고 저렴하지만, 그들은 여전히 다른 선택지를 찾고 있다. 로러는 촉매의 작용기전을 더 잘 이해하면 코발트보다 저렴하고 풍부한 촉매로 대체할 수 있을 것이라고 말한다.

로러는 완전히 혼재된 플라스틱을 재활용하는 시스템을 개발하는 것이 궁극적인 목표라고 말하면서 “이 계획은 생각보다 실현 가능성이 높다”고 했다.

그러나 이 목표를 이루려면 여러 개선 작업들이 필요할 것이다. 현재의 플라스틱 재활용 방법은 화학 성분별로 분류해야 하는데, 이 방법은 비용이 많이 든다. 폴리에틸렌과 폴리프로필렌은 탄소와 수소만으로 구성된 단순한 사슬인 반면, 다른 플라스틱들은 산소나 염소 같은 다른 원소가 포함되어 있다. 바로 이 점이 다양한 플라스틱 종류를 한번에 재활용할 수 있는 화학적 처리 방법의 개발을 매우 어렵게 만드는 부분이다. 

예를 들어 병과 파이프를 만드는 데 널리 사용되는 폴리염화비닐(PVC)을 이 시스템에 적용할 경우, 반응 부산물로 독성 가스가 발생함과 동시에 촉매의 반응성도 떨어지게 된다. 이러한 플라스틱에도 적용할 수 있는 방식은 아직 밝혀지지 않았다.

혼합 플라스틱을 재활용하기 위한 다른 방법도 있다. 지난 10월 사이언스지에 발표된 한 연구는 세 가지 주요 플라스틱의 혼합물 분해과정에서 유전자 조작 세균을 이용한 화학 공정을 활용했다.

연구팀은 첫 단계에서 화학적 산화를 일으켜, 플라스틱의 긴 사슬을 잘라 작은 분자로 쪼개 산소를 결합시켰다. 이 연구의 주저자 섀넌 스탈(Shannon Stahl) 위스콘신대 화학과 교수는 산화가 다양한 물질에 대해 ‘매우 무차별적’으로 일어나기 때문에 이 접근법이 효과적이라고 설명한다. 그다음에는 유전자 조작된 토양 세균을 활용해 산화된 플라스틱을 소화하도록 했다. 그 결과 나일론과 비슷한 새로운 형태의 플라스틱이 생산되었다.

이 논문의 공동 저자이자 미국 국립재생에너지연구소(National Renewable Energy Laboratory)의 생물학자인 알리 베르너(Alli Werner)는 이 연구가 아직 진행 중이라고 말한다. 특히 연구팀은 세균이 생산물을 만드는 과정에서 사용하는 대사경로를 잘 응용하여 공정 속도를 높이고 더 많은 분양의 유용한 물질을 생산할 수 있도록 노력하고 있다.

산화와 유전자 조작 세균을 활용하는 기술은 이미 업계에서 활용되고 있으며, 앞으로 더 폭넓게 사용될 전망이다. 석유화학 업계는 매년 산화 공정을 통해 수백만 톤의 화학 제품을 생산하고 있고 의약품 개발 및 식품 가공 업계도 제품 생산에 미생물을 활발하게 사용한다.

베르너와 같은 생물학자들과 로러와 같은 화학공학자들이 새로운 플라스틱 재활용법에 관심을 돌리면서, 방대한 양의 폐플라스틱을 처리하기 위한 기술들이 다시 새롭게 개발되고 있다.

로러는 “폐플라스틱 재활용 문제는 화학자들이 충분히 접근해 볼 만한 도전”이라고 말한다. 그녀는 상당히 많은 신규 연구자들이 플라스틱 연구에 뛰어드는 현상에 주목하면서 “수많은 사람들이 플라스틱 업사이클링 분야에 유입되고 있다”고 말했다.

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