플라스틱 재활용은 오랫동안 전 세계적인 지속가능성을 실현하는 핵심 요소였습니다. 그러나 일부 플라스틱은 기존의 기계적 방법으로는 재활용이 어려워, 새로운 화학적 플라스틱 재활용 기술이 등장하게 되었습니다.
이러한 방식은 열, 화학 반응 또는 두 가지 모두를 사용하여 플라스틱을 폴리머, 모노머 또는 기본 화학 원료와 같은 물질로 되돌립니다. 이렇게 얻은 원료는 새로운 플라스틱, 연료 및 기타 화학 제품을 만드는 데 사용될 수 있습니다. 하지만 급변하는 이 산업에서 화학적 플라스틱 재활용을 혁신할 기회는 무엇일까요?
정제: 불완전한 방법의 개선
기계적 재활용 방식과 가장 유사하며 종종 물리적 정제 방법과 결합되는 화학적 정제는 용매를 사용하여 플라스틱에서 가소제와 같은 첨가제나 오염 물질을 제거하고 폴리머만 남기는 과정을 포함합니다. 이상적인 방법에서는 정제 과정에서 폴리머가 손상되지 않아 새로운 플라스틱 제품으로 재성형할 수 있지만, 이를 위해서는 정제 용매의 신중한 설계와 선택이 필요합니다.
용매 기반 정제는 현재 영구적인 방법으로 간주되지 않습니다 . 재활용을 거칠 때마다 잔류 오염 물질이 남을 위험이 있고 용매로 인해 폴리머의 특성이 손실될 수 있기 때문입니다. 즉, 제품의 품질이 유지되는 한도 내에서 동일한 플라스틱을 재활용할 수 있는 횟수에는 제한이 있습니다. 또한 정제 과정 후 용매를 제거하는 데 필요한 높은 에너지 소비에 대한 우려도 있어, 규모를 확장하는 데 시간과 비용의 장벽이 존재합니다.
이러한 어려움에도 불구하고 정제 기술의 대규모 상용화가 진행되고 있으며, 수요를 충족하기 위해 더욱 효율적이고 비용 효율적인 방법에 대한 기회가 열리고 있습니다. 유니레버(Unilever)의 CreaSolv® 및 P&G의 PureCycle을 포함한 기업들이 이러한 형태의 화학적 플라스틱 재활용에 투자해 왔습니다. 목표는 폴리에틸렌(PE) 및 폴리프로필렌(PP) 사용의 순환성을 구축하기 위한 지속가능성 조치의 일환으로 이를 물리적 정제 방법과 결합하여 사용하는 것입니다.
해중합: 폴리머 분해 촉매 작용
화학적 플라스틱 재활용 기술인 해중합은 정제보다 한 단계 더 나아가 폴리머를 구성 요소로 분해합니다. 결과물인 모노머나 올리고머라고 불리는 짧은 폴리머는 새로운 폴리머와 구별할 수 없는 고품질의 재활용 폴리머를 만드는 데 사용될 수 있습니다.
화학적 분해(chemolysis)라고도 불리는 해중합의 주요 장벽은 현재 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)와 같은 축합 폴리머에만 가능하며 첨가 폴리머에는 아직 실질적으로 적용할 수 없다는 점입니다. 이는 PP, PE, 폴리염화비닐(PVC)을 포함하여 플라스틱 폐기물의 큰 비중을 차지하는 플라스틱들을 제외하게 만듭니다.
그러나 PET 및 기타 축합 폴리머와 같은 플라스틱의 화학적 재활용을 위해 해중합 촉매는 집중적인 연구 분야입니다. 폴리머 분해에는 고온이나 고압과 같은 많은 에너지가 필요하기 때문에, 해중합 반응을 위한 강력한 촉매를 설계하면 재활용 공정의 비용 효율성을 크게 높일 수 있으며, 이는 업계에 매우 매력적인 전망입니다.
열분해 및 가스화: 전환 반응의 정교화
PP와 PE를 포함한 일반적인 폐플라스틱을 재활용하는 한 가지 방법은 플라스틱 열분해입니다. 이 과정에서 플라스틱은 산소가 없는 상태에서 고온으로 가열되어 탄화수소로 분해됩니다. 공정을 미세 조정하여 더 가볍거나 무거운 탄화수소 생산을 유도할 수 있으며, 생성물은 새로운 폴리머를 만드는 데 사용하거나 연료원으로 활용할 수 있습니다. 그러나 이 공정은 지속가능성에 대해 많은 비판을 받아왔습니다.
열분해보다 포괄적인 가스화는 모든 종류의 플라스틱에 사용할 수 있어 혼합 플라스틱 재활용을 더욱 용이하게 합니다. 이 공정은 열분해와 유사하게 작동하지만 소량의 산소를 추가하여 주로 수소와 일산화탄소로 구성된 합성 가스를 생성합니다.
열분해와 가스화는 모두 혼합 플라스틱 재활용에 확립된 기술이지만, 여전히 새로운 기술을 위한 기회가 남아 있습니다. 온도와 가열 속도 같은 매개변수를 정밀하게 조정하거나 새로운 촉매를 도입함으로써 폐기물 전환 반응의 균형을 변화시킬 수 있습니다.
열수 처리: 연구를 현실로 구현하기
가장 최신 화학적 재활용 기술 중 하나는 열수 처리(HTT)입니다. 이 공정은 초임계 조건에서 물을 사용하여 혼합 플라스틱을 가열하고 용해합니다. 플라스틱을 직접 연소하지 않기 때문에 HTT는 열분해와 같은 유독한 연소 생성물을 배출하지 않으며, 열분해나 가스화보다 더 높은 제품 수율을 제공합니다.
더 실행 가능한 화학적 재활용 솔루션으로 간주되지만, 새로운 기술인 만큼 HTT는 상용화되기 전에 열분해나 가스화보다 더 많은 매개변수 조정이 필요합니다. 순환 플라스틱 경제를 구축하기 위해 과학자들은 성공적인 플라스틱 HTT 화학적 재활용을 위한 이상적인 온도, 반응 시간 및 비율을 정의해야 합니다. 또한 HTT는 연구자들에게 반응을 가속화하고 공정의 에너지 부담을 줄일 수 있는 새로운 촉매를 개발할 기회를 제공합니다.
플라스틱의 화학적 재활용이 미래인가?
화학적 플라스틱 재활용은 기존의 기계적 재활용 방식으로는 불가능했던 순환성을 실현할 기회를 제공하며, 이는 플라스틱 산업 내에서 더욱 실용적이고 경제적으로 실행 가능한 지속 가능성을 달성하는 열쇠가 될 수 있습니다. 그러나 이러한 기술은 이제 막 도입되는 단계이며, 광범위한 플라스틱 재활용 규제를 준수하기 위해 규모를 확장하는 데 어려움이 있을 수 있습니다.
이는 플라스틱 및 플라스틱 재활용 산업의 연구자들에게 흥미로운 환경을 조성하며, 미래 화학적 재활용 인프라의 핵심에 자신과 혁신 기술을 위치시킬 기회를 제공합니다.
