리튬 이온 배터리 재활용과 관련한 새로운 발전

리튬 이온 배터리에 대한 전 세계 수요가 급증하고 있으며 그 수요가 주요 배터리 부품과 원자재 공급을 초과하면서 중대한 변곡점이 예상되고 있습니다.

리튬 이온 배터리로 구동되는 전 세계 전기 자동차 시장은 2027년까지 8580억 달러 규모로 성장할 것으로 예상되고 있습니다. 그러나 전 세계의 리튬 이온 배터리 재활용 비율은 5%에 불과한 것으로 알려져 있습니다. 지금까지 리튬 이온 배터리 재활용은 불안정한 원재료 가격, 재활용 설비 부족, 규제 부재에 따른 영향을 받아 왔습니다. 그러나 재활용 방법의 발전, 높은 성장 잠재력, 한정적인 희소 금속 양에 따라 재활용 기술에 대한 관심이 커지고 있으며 시장 규모가 2030년까지 130억 달러 까지 증가할 것으로 예상되고 있습니다.

현재의 재활용 기법

오늘날 배터리 재활용 방법의 주요 유형은 세 가지가 있으며(그림 1) 가장 일반적인 재활용 방식은 습식 제련과 건식 제련의 조합입니다. 습식 제련과 건식 제련은 저렴한 비용과 낮은 복잡성으로 인해 관련 연구 및 특허 간행물 수가 기하급수적으로 증가했습니다(그림 2). 습식 제련은 용액(주로 수용성)을 사용하여 배터리 재료에서 금속을 추출 및 분리합니다. 건식 제련은 열을 사용하여 배터리 재료에 사용되는 금속 산화물을 금속 또는 금속 화합물로 변환합니다. 직접 재활용은 양극재를 제거한 후 재사용 또는 재생 과정을 거칩니다.

직접 재활용이 가장 좋은 이유

재활용 또는 재생 목적으로 양극재를 직접 제거하는 방식은 재활용 과정에서 결정 구조를 유지할 수 있으며 에너지, 시약 및 고정 시설 비용이 낮다는 점에서 이상적입니다. 그러나 우수한 배터리 재활용 조건을 확보하기 위해서는 더 많은 인건비와 더 높은 기준이 필요합니다. 배터리 설계의 통일성 부족과 배터리를 금속 공급 원료로 변환시키기 위한 습식 제련 및 건식 제련에 요구되는 막대한 노력이 최근까지 리튬 이온 재활용 분야에 부담을 준 주요 과제였습니다. 최근 한 논문에서는 현재 재활용 방식이 과거 제공되지 않은 활성 양극재를 제공하는 방법을 집중적으로 소개했습니다.

직접 재활용을 위한 새로운 접근 방식:

최근 Zheng Liang, Guangmin Zhou, Hui-Ming Cheng과 동료들이 Journal of the American Chemical Society에서 직접 재활용 기법 중 하나를 소개했습니다. 요오드화 리튬(LiI)과 수산화 리튬(LiOH)을 공융 조합하면 소금만 사용하는 것보다 낮은 온도인 200°C 미만에서 녹습니다. 결과적으로 이 조합은 접근이 보다 용이한 온도에서 액체가 됩니다.

복구된 소재에서 제조된 배터리의 용량은 완전히 복원되지 않았지만 200°C에서 3시간 동안 공융 혼합으로 연속 가열한 다음 850°C로 2시간 가열한 후에는 복원되었습니다. 그러나 Co₂O₃와 MnO₂을 공융 혼합물에 추가하자 2단계 프로세스로 NMC523이 복원되었습니다. 이 물질은 새로 생성된 물질과 유사한 결정 구조와 특성을 갖습니다.

이 접근 방식은 리튬 이온 배터리 양극을 완벽하게 복구하면서 새로 만드는 것보다 에너지와 자원을 적게 사용할 수 있습니다. 다 쓴 배터리 물질을 적은 비용으로 완전하게 되돌릴 수 있다면 비용이 많이 드는 다른 기법으로 만든 금속 또는 금속 산화물보다 훨씬 큰 마진으로 판매할 수 있습니다.

과제

그러나 Liang과 동료들이 개발한 접근법에도 해결해야 할 과제는 있습니다. 배터리를 분해한 후 재조립하는 과정이 필요하기 때문입니다. 배터리 설계와 양극 구성의 통일성 부족과 복잡성은 일반적으로 배터리 재활용의 장애물이 됩니다. 건식 제련으로 다양한 유형의 배터리를 처리할 수 있지만 직접 재활용과 습식 제련 방식은 서로 다른 배터리 유형 분류와 안전한 배터리 분해가 필수적입니다. 직접 재활용의 실용성을 확보하기 위해서는 배터리 구성과 설계를 규정하고 부호화해야 합니다. 공통 배터리 설계를 적용하면 분해가 더 간단해지지만 리튬 이온 배터리의 응용 범위를 고려하면 가능성이 크지 않습니다.

전망

잠재적으로 수요가 주요 금속의 공급을 초과하게 될 것이라는 점에서 리튬 이온 배터리에 대한 중대한 변곡점이 존재하므로 재활용이 이 격차를 해소하는 데 중요한 역할을 해야 합니다. 자원 보존, 환경 영향, 비용 효율성은 미래 혁신을 가속화하기 위한 주요 동인이 될 것입니다.

이 최근 연구는 리튬 이온 배터리 재생과 직접 재활용에 대한 상업적 접근 방식을 제시하지는 않지만 실제 구현이 기술적으로 가능함을 보여줍니다. 이 접근법은 열수 기법이 아닌 공융 시스템을 사용한다는 점에서 이전 직접 재활용 방법과 다릅니다. 상업적으로 유용한 직접 재활용 기법은 리튬 이온 배터리 부품 공급의 안전성을 높이고 에너지 저장을 위한 액체 연료 대안으로서 그 지속 가능성에 기여할 것이며 인간의 CO₂ 배출을 낮춰 기후 변화를 완화하는 데 크게 기여할 것입니다. 리튬 이온 배터리 재활용에 대한 새로운 트렌드를 최신 CAS 보고서에서 알아보십시오.

3D 프린팅은 적층 방식을 사용해 3D 물체를 생성하며 소비재 제작, 법의병리학, 생의학과 같은 여러 업계에서 사용하고 있습니다. 의약품, 인공 귀, 인공 장기도 제조 가능합니다. 최근 발간된 과학 학술지에서는 CAS Content Collection™을 분석하여 생의학 부문의 3D 프린팅에 대한 개요를 제공하고 조직 및 장기 제조, 삽입물, 인공 기관, 제약품 등과 관련 있는 3D 프린팅 기술, 소재, 혁신 관련 동향을 보여 줍니다.

조직 및 장기 3D 프린팅의 경우 여전히 공여부 이환율과 이식 실패와 같은 과제가 존재하긴 하지만, 바이오잉크의 발전, 배지의 사용, 줄기 세포의 활용이 이러한 제약을 극복하는 데 도움이 되고 있습니다. 최근의 과학 학술지에서 계속해서 확장 및 성장하고 있는 생의학 부문의 3D 프린팅에 대해 자세히 알아보십시오.

적층 가공이라고도 알려진 3D 프린팅이 디지털 파일을 기반으로 실제 물체를 만들어 내는 방식에 혁신을 불러오고 있습니다. 이제 이러한 기술을 대중적으로 이용할 수 있으며 생의학을 포함한 여러 분야에서 이러한 기술을 활용할 수 있습니다. 제약품, 인공 귀, 심지어 인공 장기까지 제조할 수 있는 역량을 갖춘 생의학에서의 3D 프린팅의 잠재력은 그야말로 무궁무진합니다. 이 심층 보고서에서는 생의학 분야의 3D 프린팅 기술과 소재에 대한 최신 트렌드와 혁신을 분석하는데, 여기에는 조직 및 장기 제조, 삽입물, 인공 기관 등이 포함됩니다.

생의학 3D 프린팅의 동향과 혁신

오늘날 우리는 3D 프린팅의 대격변을 목격하고 있습니다. 한때 주요 연구 대학과 Fortune 500대 기업만 사용할 수 있었던 3D 프린팅 기술은 점점 대세로 자리잡아 2021년에는 220만 대의 3D 프린터가 출하되었습니다. 2030년에는 2,150만 대의 프린터가 출하될 것으로 예측되므로 이 고속 프로토타이핑 기술은 앞으로 더욱 대중화될 것입니다.

오늘날에는 항공우주부터 건설에 이르는 모든 주요 업계에서 빠르고 비용 효율적인 제조를 위해 3D 프린팅 기술을 활용하고 있는 것으로 보입니다. 3D 프린팅을 활용하는 모든 업계 중에서도 의공학 부문이 해당 기술의 용도와 관련해 가장 큰 잠재력을 지니고 있습니다. 이 기사에서는 의료 및 의약 부문에서 떠오르고 있는 3D 프린팅에 대해 알아보겠습니다.

모든 것의 시작 — 3D 프린팅의 역사

1981년에 일본의 발명가인 Hideo Kodama가 "고속 프로토타이핑 기기"에 대해 최초로 특허를 출원하였으나, 그 다음해 Kodama 박사가 특허 관련 재정 처리를 포기하면서 이 개념은 사라지는 듯 했습니다. 하지만 이 아이디어는 이후 이루어질 혁신들을 위한 촉매제가 되었습니다. 1984년에 Charles Hall은 스테레오리소그래피 시스템(SLA)에 대한 특허를 출원했는데, 이것이 바로 지금까지 널리 사용되고 있는 3D 프린팅 기술입니다. 이어서 1988년에 상업적으로 이용 가능한 획기적인 SLA 기술 기반 3D 프린터가 최초로 출시되었습니다.

이후 다른 주요 3D 프린팅 기술이 그 뒤를 이었습니다. 1980년대 후반에는 두 가지 유형의 적층 가공 기기에 대한 특허가 추가로 출원되었는데, 그 두 기술이 바로 용융 적층 모델링(FDM)과 선택적 레이저 소결(SLS)입니다. FDM은 압출이라는 기법을 사용하는데, 노즐이 가열된 재료를 층층이 쌓아 올려 3D 제품을 만듭니다. SLS의 작업 방식은 약간 다른데, 분말 형태의 재료를 빌드 플랫폼에 도포한 후 3D 프린팅 제품의 각 층을 빠르게 굳힙니다(소결). 이후 얼마 지나지 않아 “분사식”(2D 잉크젯 프린팅 기술을 수정한 버전) 기술과 액조 광중합 기술이 개발되었습니다.

이러한 기술은 원래 특허 사용자만 이용할 수 있었습니다. 그러나 해당 특허가 만료되고 RepRap 오픈소스 개념이 탄생하면서 이제 새로운 기업들도 이 분야에 진출할 수 있게 되었습니다. 가장 큰 혁신 중 다수는 생의학 부문에서 이루어졌는데, 이식 수술을 위한 최초의 3D 프린팅 장기 개발(방광)을 예로 들 수 있습니다.

오늘날에는 생의학 부문에서 3D 프린팅이 널리 사용되고 있습니다. 생의학 3D 프린팅의 세계 시장 규모는 2021년에 14억 5천만 달러에 달할 것으로 예상되었으며, 2030년에는 약 62억 1천만 달러까지 그 규모가 늘어날 것으로 예측됩니다. 생의학 3D 프린팅의 주요 동향을 알아보기 위해, 엄선된 최대 규모의 과학 자료 컬렉션 CAS Content Collection™의 데이터를 분석하였습니다.

3D 프린팅 기술 및 재료

3D 프린팅은 크게 네 가지 범주인 분말 소결, 분사, 압출, 광중합으로 나눌 수 있습니다. 각 기술의 활용 범위가 다르기 때문에 모두를 만족시킬 수 있는 단 하나의 3D 프린팅 기술은 존재하지 않습니다. 그러나 생의학 3D 프린팅 부문에서는 FDM 같은 압출 기반 기술을 가장 널리 사용하고 있습니다(그림 1).

플라스틱부터 금속, 천연 소재까지, 광범위한 재료를 생의학 3D 프린팅에 활용할 수 있습니다. 가장 일반적으로 사용되는 3D 프린팅 재료 중 하나는 바로 폴리카프로락톤과 폴리(젖산)와 같은 합성고분자였는데(그림 2), 미세 유체 공학과 의료용 삽입물에 활용됩니다. 가장 널리 사용되는 무기 물질은 치과 재료와 뼈 회복을 위한 충전재로 사용하는 수산인회석이었습니다. 또한 알지네이트와 히알루론산 같은 다양한 천연 고분자도 바이오프린팅 부문에서 인기를 얻고 있습니다.

생의학 3D 프린팅의 부상

생의학 3D 프린팅 부문 관련 학술지 및 특허 간행물의 연간 동향을 보면 이 분야에서 혁신이 활발하게 이루어지고 있다는 사실을 알 수 있는데, 특허 간행물(약 5,700개)보다 학술지의 수가 압도적으로 더 많았습니다(약 15,000개)(그림 3). 이러한 추세는 최근 몇 년간 해당 기술의 상업화 비율이 증가했음을 나타냅니다.

약 90개의 국가가 생의학 3D 프린팅 부문에 대한 논문을 발표하였는데, 이를 통해 많은 사람이 이 기술에 관심을 보이고 있다는 것을 알 수 있습니다. 그중에서도 미국과 중국이 가장 많은 학술지와 특허 간행물을 발간하며 이러한 흐름을 주도하였습니다(그림 4 및 5).

특허권자와 관련해 생의학 3D 프린팅 동향을 자세히 살펴보면, 가장 많은 특허를 보유한 회사는 바로 미국에 본사를 둔 3M이었습니다. 그 외에도 한국, 리히텐슈타인, 프랑스, 중국 등의 국가에서 활발하게 특허 간행물을 발간하고 있습니다(그림 6).

생의학 3D 프린팅의 혁신적인 용도

앞서 생의학 3D 프린팅의 주된 용도를 몇 가지 언급했지만, 아직도 그 가능성은 무궁무진합니다. 의료용 삽입물의 개발부터 의료 기기의 제조까지, 다양한 혁신이 빠르게 실현되고 있습니다. 조직 및 장기 공학은 3D 프린팅을 활용하는 주요 분야 중 하나로, 연골, 근육, 피부와 같은 복잡한 구조가 생성되는 과정을 분석합니다. CAS Content Collection의 분석에 따르면 “조직 공학”, “조직 인공지지대”, “바이오프린팅”과 같은 개념이 조직 및 장기 관련 생의학 3D 프린팅 간행물에 자주 언급되는데, 이 연구 분야의 중요성이 크다는 것을 나타냅니다(그림 7).

또한 제약 분야에서 3D 프린팅 기술을 활용하면 맞춤 의학이라는 까다로운 목표를 실현하는 데 도움이 됩니다. 생의학 3D 프린팅을 사용하면 제약품의 복용량, 형태, 크기, 흡수 특성을 수정 및 미세 조정하는 것이 가능할 수 있습니다.

그뿐만 아니라 생의학 3D 프린팅 기술은 인공 기관 및 삽입물의 생성과 관련해 새로운 역량을 창출해 내었으며, 환자의 몸, 피부색, 체형, 크기에 맞춰 인공 기관을 생성할 수 있는 잠재력을 갖습니다. 유연한 소재를 활용하므로 신체 부위와 기능 면에서 더 자유로워지고, 뼈 재건술에 티탄 합금과 같은 금속을 활용할 수 있습니다. CAS 컨텐츠 컬렉션의 분석에 따르면 “인공 기관 삽입물”, “인공 기관 소재”, “치아 임플란트”와 같은 개념이 정형외과 및 인공 기관 관련 3D 프린팅 간행물에 자주 언급되었습니다(그림 8). 비록 조직 및 장기보다 간행물 수가 훨씬 더 적지만 분명히 빠르게 성장 및 변화하고 있는 분야입니다.

생의학 3D 프린팅의 과제

비록 생의학 3D 프린팅은 지금까지 많은 발전을 이루어 냈지만, 이 기술은 많은 부분에서 여전히 초기 단계에 있습니다. 예를 들어 연구원들이 혈관생성 심장 패치를 바이오프린팅하는 데 성공한 것은 맞지만, 실제 크기의 장기는 고사하고 견고한 심장 판막을 만드는 기술조차 아직 개발되지 않은 상황입니다. 현재 3D 프린터는 실제 조직의 생체 역학 구조와 기능을 똑같이 갖춘 조직을 만들어 낼 수 없습니다. 바이오잉크의 발전과 배지 및 줄기 세포의 활용이 미래에 이러한 방법을 최적화하는 데 도움이 될 것입니다.

생의학 3D 프린팅의 미래

오늘날의 연구 동향들로 미루어 보았을 때, 생의학 3D 프린팅에 대한 상당한 투자와 혁신이 계속해서 이어질 것이라고 예상해 볼 수 있습니다. 이러한 기술이 앞으로 더 보편화될 것이라고 예측해 볼 수 있는데, 약국에서 3D 프린터를 사용할 날이 머지 않았습니다. 생의학 3D 프린팅을 위해서는 병원에서 많은 비용을 투자해야 하지만, 제대로 된 계획을 활용한다면 이 기술은 투자한 비용보다 훨씬 더 많은 가치를 제공해 드릴 수 있습니다. 기술이 성장함에 따라 용어를 표준화해야 하며, 미국식품의약국이 생의학 3D 프린팅 제품의 안전과 효율성을 보장하는 새로운 규제 프레임워크를 정의해야 합니다.

자세한 내용을 알아보려면 통찰력 보고서를 다운로드하십시오.

CO² 방출이 환경에 미치는 영향으로 인해, 과학자들은 보다 지속 가능한 비료 제작 방식을 찾고 있습니다. 이 과학 학술지 보고서에서는 CAS Content Collection^TM을 통해 2001년부터 2021년 사이 지속 가능한 비료에 대한 과학 및 특허 관련 동향을 분석합니다. 과학자들은 이 계량서지학적 연구 및 문헌 평가 내용을 통해 더 뛰어난 새로운 비료와 양분원을 식별하고 사용하면서 폐기물 관리 및 암모니아 생산 효율성과 지속 가능성을 개선할 수 있습니다.

전세계 인구가 계속해서 증가하면서 식량에 대한 요구도 증가하고 있습니다. 이럴 때 합성 비료를 유용하게 사용할 수 있지만, 합성 비료를 생산하고 사용할 때 환경에 악영향을 미칠 수 있습니다.

반면 지속 가능한 비료는 보다 친환경적인 대안을 제시합니다. 간행물 동향, 새로운 기회, 관련 과제에 대한 고유한 통찰력을 활용하여 성장하고 있는 이 분야의 새로운 전망에 대해 알아보십시오.

지속 농업이 전 세계 식량 생산 부문에 미치는 영향

전세계의 총 식량 수요는 2010년부터 2050년까지 35~56% 증가할 것이라고 예측되며, 전세계 인구가 꾸준히 늘어나면서 상황은 더욱 악화될 것으로 전망됩니다. 최근에는 COVID-19 팬데믹, 러시아와 우크라이나의 전쟁, 기후변화, 지역 분쟁으로 인해 식량 생산 및 유통 비용이 증가하고 있습니다. 국제통화기금은 국가, 그중에서도 빈곤 국가의 식량 불안정성을 줄이고 비료 접근성을 개선하기 위해서는 정책의 변화가 필수적임을 강조했습니다.

합성 비료와 유기 비료는 지속적인 농업을 위한 핵심적인 요소입니다. 합성 비료는 인광석에서 얻은 인, 칼륨 광석에서 얻은 칼륨, 공중 질소 고정을 통해 얻은 질소를 사용하는데, 이러한 자원의 추출 공정은 많은 에너지를 필요로 하며, 채광 작업을 수행하고 생산 과정에서 화석 연료 에너지원을 사용하기 때문에 장기적으로 보았을 때 환경에 악영향을 미치게 됩니다. 유기 비료에는 여러 동물로부터 얻은 거름, 알팔파 가루, 혈분, 어분, 재거름, 하수 폐기물이 포함됩니다. 유기 비료를 형성하는 거름과 기타 폐기물은 부피가 크고 밭에 뿌리거나 처리할 때 운반 비용이 비싸지만, 이러한 유형의 폐기물을 생산 현장이나 그 부근에서 가공한다면 비싼 운반 비용을 지출할 필요 없이 양분을 얻어 활용할 수 있습니다.

지속 농업 시스템은 현세대와 미래 세대가 번창할 수 있도록 물, 에너지, 양분을 제공하는 자원을 효율적으로 사용하여 환경에 미치는 영향을 줄이고 경제력을 유지하고 공급량이 적은 유한한 자원에 대한 의존성을 최소화합니다. 하수에서 양분을 회수하여 이를 비료로 재사용, 재활용하는 방식을 그림 1에서 확인할 수 있습니다.

이처럼 유한한 자원 중 하나가 바로 비료의 대량영양소입니다. 예를 들어의 인광석 매장량의 경우 50~100년 내로 완전히 고갈될 수 있습니다. 또한 폐기물을 활용한 농산물도 환경에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있는데, 작물이 약물, 병원균, 금속 폐기물에 오염되거나 지표수의 부영양화가 발생할 수 있습니다. 그러나 이러한 폐기물에는 많은 양분이 함유되어 있어 큰 잠재력을 가집니다.

지속 농업을 향한 여정: 혁신 활용 기회

순환형 바이오경제라는 용어는 생물학적 자원의 관리를 통해 토지, 식량, 보건 및 산업 시스템을 변화시키고 관리하여 자연과 더불어 지속 가능한 방식으로 행복한 삶을 영위하는 방법을 나타냅니다. 지속 농업 부문의 혁신적인 기술을 활용하면 폐기물에 포함되어 있는 양분을 이용해 식량 생산량을 늘리고 환경에 미치는 영향을 최소화할 수 있습니다. 일반적으로 사용하는 생물학, 화학, 물리 측면의 양분 회수 방법이 표 1에 요약되어 있습니다. 다음은 최근 몇 년간 주목을 받은 지속 가능성이 있는 방법들입니다.

• 스마트 나노 비료: 질소 나노 비료의 경우 식물에 질소가 더 잘 흡수되게 만들고 배출되는 질소의 양을 줄여 질소 이용 효율을 높여줄 것으로 예상됩니다. 이러한 작업은 다양한 방식으로 진행할 수 있는데, 비료의 크기를 나노입자 수준으로 줄이거나 비료에 나노 물질을 추가하거나 캡슐화를 통해 나노 복합물 구조를 구성하거나 나노포어를 활용해 영양분 용출을 제어합니다.

• 바이오리파이너리: 기본 원료로 작물을 활용한 1세대 바이오리파이너리와는 다르게 다르게 2세대 바이오리파이너리는 잔여 및 폐기 스트림을 활용합니다. 바이오매스가 다양한 전환 플랫폼을 사용하는 효소 및 미생물로 인해 액체 연료와 화합물로 전환됩니다.

• 바이오차 (숯): 탄소 격리와 관련해 바이오차를 사용한다는 것은 상대적으로 새로운 개념이지만 이 숯과 유사한 물질의 이력은 2000년 전으로 거슬러 올라가는데, 그 당시 아마존 분지에서는 숯이 된 바이오매스를 토양과 섞으면 토양의 질과 생산력이 높아질 수 있다고 생각했습니다. 죽은 식물이나 낙엽과 같은 유기물의 혐기성 열분해를 통해 깨끗하고 에너지 효율적인 방식으로 안정된 형태의 탄소를 만들어낼 수 있습니다.

• 그린 암모니아: 재생 가능한 에너지, 질소, 물을 사용하여 100% 재생 가능하고 탄소가 없는 암모니아를 만듭니다. 물의 전기분해를 사용하여 H2를 공급하는 그린 암모니아 합성 프로젝트는 최근 몇 년간 Air Products, Siemens, OCP, thyssenkrupp, Grupo Fertiberia를 비롯한 주요 기업들을 통해 상업화되었습니다.

• 스트루바이트: Guanite 또는 인산암모늄마그네슘(MAP)이라고도 알려진 스트루바이트는 하나의 결정체로, Mg²⁺, (NH₄)⁺, PO₄³가 분자비 또는 화학량론적 비율인 1:1:1로 결합되어 있습니다. 스트루바이트는 단독으로 사용하거나 다른 폐기물 기반 산물들, 미생물 접종원, 또는 일반적인 무기 비료와 함께 화성 비료 제형에 활용할 수 있습니다. 많은 양분이 함유되어 있는 구성으로 완효성을 띠고 있어 상업적 비료 생산에 유용합니다

표 1. 일반적으로 사용하는 폐기물 양분 회수 공정 개요

지속 농업의 비료 연구 및 양분 회수 관련 추세

CAS Content Collection™은 전문가가 엄선한 리소스로, 이 리소스를 사용하여 양분 회수 방법과 혁신을 주도하여 순환형 바이오경제를 유지시켜 주는 개념을 평가했습니다. 광범위한 비료 검색 결과, 2001년부터 2021년까지 121,213개 특허와 125,228개의 학술지를 찾았습니다(그림 2). 학술지 관련 주제의 경우 비료가 농작물의 성장에 미치는 영향, 생물학적 반응에 초점을 맞추었고 토양 비옥도를 연구했으며, 일부는 비료의 양분 회수 공정과 공급 받는 물의 부영양화를 초래하는 오염 물질로써의 양분, 또는 오염 물질을 포함하는 농업 폐기물 및 토양에 초점을 맞추었습니다. 특허 관련 주제의 경우 비료 양분 회수와 관련한 공정과 유기물, 비료 제형, 그리고 거름, 재, 발효 같은 바이오폐기물에 초점을 맞추었습니다.

질소, 인, 칼륨을 양분원으로 활용하는 것에 대한 지속 농업 관련 추세와 해당 회수 공정을 식별하기 위해 검색을 수행했습니다.

학술지와 특허 모두에서 "유기/무기 저분자", "원소", "염류/화합물"과 같은 물질 분류가 가장 두드러졌으며 특허에서는 "혼합물"도 널리 사용되었습니다.

양분 회수의 경우 생물학적 공정을 가장 많이 사용하였는데, 학술지/특허 간행물의 66%가 이 공정을 활용하였고 물리적 방법(22%)과 화학적 방법(12%)이 그 뒤를 이었습니다.

또한 하수 처리 슬러지, 바이오차, 재 양분 회수 관련 주제에 많은 관심을 보였습니다. 그중에서도 바이오차 생산, 스트루바이트 침전, 그린 암모니아 합성에 대한 추세가 눈에 띄었습니다.

특허와 학술지 부문에서 숯/바이오차에 대한 인기가 높아지고 있는 것을 확인할 수 있었는데, 학술지의 경우 2019년에 약간 주춤하였으나 계속해서 성장세를 이어 나가고 있습니다. 지속 농업 관련 특허 간행물의 경우 2013년 이후로 대폭 증가하였으나 매년 변동이 큰 편입니다(그림 3). 개념 분석은 “혐기성 생물학적 소화”를 통해 “하수 처리 슬러지”와 “거름” 간의 관계를 밝혀냈습니다.

연구 기간 동안 스트루바이트에 대한 간행물이 대폭 증가했습니다. [(NH₄)Mg(PO₄).6H₂O] 형태의 스트루바이트가 가장 두드러졌으며 칼륨 스트루바이트[MgK(PO₄).6H₂O](그림 4) 관련 간행물은 매우 적었지만, 일부 연구에서는 회수가 가능하며 인산마그네슘 비료 역할을 할 가능성이 있다고 명시했습니다. 스트루바이트 생산과 관련된 주요 개념에는 "화학적 침전", "결정화", "하수 처리 침전물", "흡착성 하수 처리" 등이 포함되었습니다.

학술지에는 주로 그린 암모니아에 대한 논의가 게재되었으며 2020년에는 총 간행물 중 20%가 특허 문서였습니다. 또한 2017년부터 2021년까지 그린 암모니아 합성 촉매와 관련해 물질의 수가 극적으로 증가하였는데, 2017년에는 고유 물질이 100개 미만이었지만 2021년에는 약 500개의 고유 물질이 존재하게 됩니다. 여기서 이목을 끄는 물질은 그린 암모니아 합성에 사용되는 새로운 촉매제를 구성하는 물질들이었으며, 여기에는 무기 재료, 유기/무기 저분자, 원소, 배위화합물이 포함됩니다(그림 5). 또한 광촉매 또는 전기촉매 질소의 감소와 관련된 학술지의 비율을 보면 2001년에는 1%였지만 2021년에는 25%로 증가하여 이 방법이 빠르게 발전하고 있다는 사실을 알 수 있습니다.

기후 탄력적 농업의 전망

전 세계의 인구가 급증하면서 농식품 업계는 엄청난 압박을 받고 있습니다. 비료의 생산과 쌓여 가는 농업 폐기물은 환경의 파괴에 기여하고 있으며, 이러한 피해는 돌이킬 수 없습니다. 지속 가능성과 순환형 바이오경제라는 개념은 이제 책임감 있는 농업의 핵심 원칙이 되었습니다. 지속 농업 원칙의 영향을 받아 폐기물 처리, 양분 회수, 에너지 효율성과 관련이 있는 통합형 시스템을 개발하기 위한 연구가 시작되었습니다.

그린 암모니아 합성과 폐기물 및 미생물 제형의 비료 양분 회수와 같이 "보다 친환경적"이며 대안적인 비료 생산 공정은 식량의 생산 방식을 바꿀 수 있는 잠재력을 가지고 있으며 폐기물을 소중한 부산물로 변환시킬 수 있습니다.

양분 회수 공정은 효율성을 높이고 비용을 절감하고 환경에 미치는 영향을 최소화할 목적으로 상업화되고 있습니다. 아래에서 몇 가지 주목할 만한 지속 농업 관련 기술을 소개합니다.

• Pearl® 및 WASSTRIP®(Waste Activated Sludge Stripping to Remove Internal Phosphorus) 기술(Ostara Nutrient Recovery Technologies Inc., 캐나다)은 지속 가능한 방식으로 회수되며 인, 질소, 마그네슘을 포함한 완효성 비료인 Crystal Green®을 생산하는 데 사용된 핵심 탈인 공정입니다. Root-Activated™ 비료는 흡수율을 최적화하고 현지 수자원을 보호하면서 생산량을 높여 줍니다.

• AirPrex®(CNP CYCLES GmbH, 독일)는 특허 받은 슬러지 최적화 공정으로 생물학적 인산염 제거 방식의 효율을 높여줍니다. 소화된 슬러지는 AirPrex® 반응기에서 처리되며 궁극적으로 비료로 사용이 가능한 MAP 또는 스트루바이트의 침전으로 이어집니다.

• AshDec® 열화학 인 회수 시스템(Metso Outotec, 핀란드)은 식물 가용성을 개선하여 하수 슬러지 재에서 인을 회수하여 중금속 함량을 낮춰줍니다. 이 경우 인 산물이 구용성을 띠고 있어 친환경적입니다. 또한 인의 용출이 제어되어 작물의 뿌리 분비물이 존재할 때에만 용출됩니다.

• RecoPhos 프로젝트(RecoPhos 컨소시엄)는 학계, 업계, 그리고 기업의 여러 전문가들이 함께 진행하는 프로젝트입니다. 이 프로젝트의 목표는 혁신적인 반응기를 사용하여 하수, 슬러지, 재에서 인(백린 또는 인산 형태)을 회수하는 것입니다. 이러한 작업은 완벽하게 작동하는 벤치 스케일 반응기와 파일럿 스케일 플랜트의 설계를 구현하기 위한 토대를 제공합니다. RecoPhos 공정의 경제적, 환경적, 사회적 영향력도 평가됩니다.

• Aqua2™N 공정(Easymining Services, 스웨덴)은슬러지 액체에서 질소를 회수합니다. 질소는 흡수되어 결정체로 채취된 후 비료 생산에 즉시 활용 가능한 형태로 회수됩니다. 흡수제는 간단히 재사용할 수 있습니다.

이러한 이니셔티브들은 과학, 기술, 업계 부문을 초월하는 협업을 통해 식량 생산 관련 과제를 극복하고 폐기물의 회수 절차를 간소화할 수 있다는 사실을 보여 줍니다. 지속 농업은 우리 사회가 미래에 대비할 수 있는 확실한 방법을 알려줍니다.

통찰력 보고서에서 양분 회수 공정과 관련이 있는 지속 농업의 추세에 대해 자세히 알아보십시오.

지난 수년 간, 미세플라스틱의 존재와 이 미세플라스틱이 환경에 미치는 영향에 대해 충격적인 사실이 알려졌습니다. 미세플라스틱은 식품, 바다, 공기 등 거의 어디서나 발견되며 분해되는 데 수백 년이 걸립니다.

지난 게재 동향, 가능한 조치, CAS의 최신 과학 문헌에서 견인력을 얻기 시작하는 새로운 접근법과 대안에 대해 자세히 알아보십시오.

미세플라스틱은 크기가 5mm 미만의 작은 플라스틱 입자를 의미합니다. 미세플라스틱은 더 큰 플라스틱 물체 파쇄, 합성 섬유 쉐딩, 개인 위생 용품에서의 미세플라스틱 조각 사용 등 다양한 원인에서 비롯됩니다.

미세플라스틱은 크기는 작지만 환경에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 일례로 해양 생물이 섭취하면 부상, 심지어 죽음에까지 이를 수 있습니다. 독소가 쌓이면 인간의 먹이 사슬에도 영향을 미칠 수 있습니다. 또한 미세플라스틱은 분해되는 데 수백 년이 걸리므로 환경에 오랜 시간 동안 남아 있게 됩니다.

CAS의 최신 Insight Report를 통해 미세플라스틱 오염의 새로운 동향과 주목받고 있는 새로운 접근법과 기회, 대체 물질에 대해 자세히 알아보십시오.

샤워실에서 바다로: 미세플라스틱의 위험성 자각

플라스틱 오염은 전세계의 심각한 문제가 되었으며 돌이킬 수 없는 환경 피해를 일으키고 있습니다. 1μm~5mm 크기의 플라스틱 조각인 미세플라스틱 입자(또는 미세플라스틱)는 새롭게 주목을 받고 있는 오염 물질로, 심각한 환경적 우려를 일으키고 있습니다. 미세플라스틱 노출에 관한 2022년 세계보건기구(WHO) 보고서는 바다, 공기, 토양, 음식과 음료에 축적된 미세플라스틱의 흔한 특성을 강조합니다.

미세플라스틱은 1차 또는 2차 원천에서 생성될 수 있습니다. 1차 미세플라스틱은 크기가 5mm 미만이며 화장품 및 세제의 미세플라스틱 조각과 합성 섬유의 마이크로 섬유 등에서 발생합니다. 2차 미세플라스틱은 더 큰 플라스틱 입자가 분해되어 형성되며 크기와 구성이 보다 불균일합니다. 2차 미세플라스틱의 예로는 차량용 타이어의 잔해와 페인트, 도로 표시, 해양 코팅 및 마이크로 섬유에서 방출되는 입자가 있습니다.

미세플라스틱의 출처와 생성 및 운명을 가늠하는 것은 미세플라스틱이 환경에서 왜 그렇게 흔한지를 이해하기 위해 중요합니다(그림 1). 플라스틱에 대한 수명 주기 접근 방식을 고려하면 각 단계에서 플라스틱 제품이 다음에 미치는 잠재적인 영향을 고려하고 생산과 소비 체계의 모든 부분에서 주요한 분쟁 지점을 파악할 수 있습니다.

• 기후
• 생태계
• 건강
• 경제

미세플라스틱은 섭취, 흡입 또는 피부 노출을 통해 유기체에 흡수될 수 있습니다. 미세플라스틱 및 이와 관련된 화학 물질과 첨가제는 만성 염증성 질환과 암과 같은 영역에서 수많은 건강상의 부정적 영향을 미치는 것으로 여겨지고 있습니다. 미세플라스틱이 해양 생물에 미치는 영향에 대한 증거는 먹이와 광합성 감소에서 번식 감소에 이르기까지 다양합니다. 미세플라스틱은 독성 화합물과 금속을 운반해 추가적인 피해를 유발할 수 있습니다.

경종은 이미 울리고 있습니다. 이제 우리는 미세플라스틱과 관련된 위협을 자각해야 합니다. 대처할 수 없을 것처럼 보이는 이 문제를 해결하기 위해 우리는 충분히 노력하고 있을까요?

미세플라스틱 관련 게재 동향

미세플라스틱, 마이크로 섬유 및 관련 주제와 연관된 CAS Content Collection™의 데이터를 분석한 결과 약 9,500건의 기사로 구성된 최종 풀이 생성되었습니다. 간행물 동향을 보면, 2011년(n=81)부터 2021년(n=2,811)까지 10년 동안 미세플라스틱 간행물이 30배 넘게 증가한 반면 특허 수는 같은 기간 동안 안정적으로 유지되었음을 알 수 있습니다(그림 2).

CAS 데이터에 따르면 미세플라스틱과 관련된 문헌을 주도적으로 발표하는 국가는 중국이며 미국, 독일, 한국, 이탈리아가 그 뒤를 잇고 있습니다(그림 3).

미세플라스틱 연구에 등록된 상위 ​​5개 물질은 에텐 호모폴리머(폴리에틸렌), 폴리스티렌, 1-프로펜 호모폴리머(폴리프로필렌), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 및 폴리염화비닐(PVC, 그림 4)인 것으로 나타났습니다. 셀룰로스는 역설적이게도 (전자, 생의학 및 미세플라스틱 제거와 같은 응용 분야에서) 폴리머 대체물로 사용되고 미세플라스틱 형태로 셀로판 및 레이온 섬유에 존재하기 때문에 재생 셀룰로소 형태로 연구 결과에서 등장한 또 다른 중요한 물질이었습니다.

미세플라스틱 과제 극복

이제 남은 질문은 자연 환경에서 미세플라스틱과 맞서 싸우기 위해 무엇을 할 수 있을까라는 것입니다. 해양 환경에서 미세플라스틱을 제거하기 위해 특별히 제안된 방법에는 선박 시스템, 폐기물 수집 시스템을 개발하고 심지어 미세플라스틱 때문에 홍합의 배설물을 해수면에 띄우는 방법도 포함됩니다. 그러나 물을 모으는 방법은 어려울 수 있으며 이러한 방식으로 기존의 미세플라스틱을 직접 제거하려는 노력은 제한적이었습니다.

미세플라스틱이 환경에 유입되는 것을 막을 수 있는 실행 가능한 접근 방식에는 폐수 처리장, 마이크로 섬유를 수집하는 세탁기의 세탁 부속품을 이용하고, 마찰을 최소화하거나 의류의 기계적 무결성을 개선하기 위해 의류 제조 공정을 변경하는 것이 포함됩니다.

CAS 간행물 분석의 미세플라스틱 제거와 관련된 인기 키워드로는 '여과', '폐수 식물(WWTP)' 및 '막생물 반응기(MBR)'가 있습니다(그림 5). 2010년 중반 이후 대부분의 키워드를 포함하는 간행물의 양이 크게 증가하여 문제에 대한 즉각적인 반응을 확인할 수 있었고, 미세플라스틱 제거와 관련한 연구 노력은 일반적인 미세플라스틱 연구와 비슷한 속도로 증가하는 것으로 나타났습니다.

아마도 가장 중요한 것은 우리가 일상 생활에서 플라스틱 사용을 줄이는 것일 겁니다. 제로 웨이스트 매장 및 윤리적 패션 브랜드와 함께 샴푸 바 및 대나무 스폰지와 같은 생분해성 또는 지속 가능한 대안이 모두 인기를 얻고 있습니다.

미세플라스틱 오염과 맞서 싸우려면 과학자, 연구원, 기업가, 정부 및 대중의 장기적인 헌신과 공동의 노력이 필요합니다. WHO에 따르면 미세플라스틱을 제거하는 노력을 방해하는 요소에는 증거의 질이 탄탄하지 않은 것으로 간주되는 기존 데이터의 단점 등이 있습니다.

법적 구속력이 있는 활동과 함께 신체 조직에서 미세플라스틱을 제거하는 것을 포함하여 미세플라스틱이 건강에 미치는 진정한 영향을 파악하기 위해 더 많은 현장 및 실험실 연구를 수행해야 합니다. 또 다른 최우선 과제는 더 작은 입자(나노플라스틱)를 감지할 수 있는 분석 도구를 개선하는 것입니다.

전문가들은 미세플라스틱 문제를 해결하기 위한 수많은 방법을 인식하고 있지만 미세플라스틱 제거를 위한 자금 조달과 관련된 수익성 부족이 주요한 과제로 남아 있습니다. 재정 지원과 플라스틱 사용에 대한 규제 법안을 강화함으로써 보다 지속 가능한 플라스틱 경제와 더 깨끗하고 건강한 미래를 향한 진전을 앞당길 수 있습니다. CAS의 미세플라스틱 통찰력 보고서에서 더 자세한 내용을 읽어보십시오.