신기술 2 // 폐플라스틱 재활용해 고부가 플라스틱 원료 생산 성공

편집부 기자
입력 2024.12.12 00:00

폐플라스틱 재활용해 고부가 플라스틱 원료 생산 성공

플라스틱 순환경제 구축 및 탄소중립 실현 기대

플라스틱은 석유, 천연가스 등의 화석연료를 통해 생산되며, 폐플라스틱은 분쇄하고 녹여 새 제품을 만드는 방법으로 재활용된다. 하지만 생산과 가공 과정에서 폐수와 유해물질이 방출돼 환경에 심각한 영향을 미치고 있다. 최근에는 화학적 방법을 통해 친환경적으로 플라스틱을 재활용하는 기술이 주목받고 있다. 에너지연-생명연 공동 연구팀은 기존의 화학적 재활용 방법의 한계를 극복하고자 화학적 공정과 생물학적 공정이 결합된 융합 공정을 제시했다.

자료제공 KIER

이번 연구를 통해 개발한 화학/생물학적 신융합공정 개념도

한국에너지기술연구원(이하 에너지연) 바이오자원순환연구실 전상구 박사 연구팀과 한국생명공학연구원(이하 생명연) 바이오상용화지원센터 안정오 박사 공동 연구팀이 가정용 혼합 폐플라스틱을 재활용해 고부가 플라스틱의 원료인 ‘디카르복실산(α,ω-diacid)’을 생산하는 기술을 개발했다.

전처리 전의 열분해유와 추출된 노르말 파라핀 샘플

열분해 방식의 한계 극복한 기술 필요

플라스틱의 생산 및 재활용 시 발생하는 심각한 환경 오염 및 훼손 문제를 해결하고자 많은 국가와 기업이 플라스틱 순환경제를 구축하기 위해 노력하고 있다. 최근에는 혼합된 폐플라스틱을 무산소의 고온 환경에서 가열하여 기체, 액체(열분해유), 고체로 분해하는 열분해(Pyrolysis)와 같은 화학적 방법을 통해 친환경적으로 플라스틱을 재활용하는 기술이 주목받고 있다.

그러나 열분해 방식도 완벽한 해결책은 아니다. 열분해 시 나오는 열분해유 중 30%의 나프타(Naphta) 성분만 플라스틱 원료로 재활용되고, 대부분은 연소 과정에서 온실가스를 배출하는 저급 연료로 활용되기 때문이다.

때문에 기존에 연료로 활용되던 중/장쇄 유분(탄소 수를 기준으로 6~8개 이상)은 여전히 일회성 활용에 그치고 있다. 기존 석유화학 공정 방식만을 이용한 중/장쇄 유분의 활용은 공정이 복잡하고, 비용이 많이 들며, 온실가스 발생이 컸다. 플라스틱 순환경제 구축을 위해서는 저비용·고효율 중/장쇄 유분의 플라스틱 단량체로의 전환이 요구되는 상황이었다.

연구진이 실험을 통해 생산한 노르말 파라핀을 바라보고 있다.

‘디카르복실산’ 생산 기술 개발

연구진은 기존의 화학적 재활용 방법의 한계를 극복하고자 화학적 공정과 생물학적 공정이 결합된 융합 공정을 제시했다. 개발된 공정은 열분해유를 저급 연료로 쓰는 대신 미생물 반응 공정의 원료인 노르말 파라핀(Normal Paraffin)1)으로 정제하고 이를 미생물의 먹이로 활용해 플라스틱 원료를 생산하는 방식이다.

혼합 플라스틱 폐기물을 열분해하여 얻은 기름(열분해유)을 200℃에서 증류하고 수소 분위기에서 촉매와 약 350~400℃에서 반응시켜 불순물 및 독성이 감소된 파라핀으로 전환시킨다. 이렇게 화학적 전처리를 거친 유분을 미생물(C. tropicalis Ct6)을 이용해 플라스틱 단량체(탄소 수 7~14개짜리 α, ω-diacid)로 94.3% 전환하는데 성공했다. ? 연구진은 중/장쇄 열분해 기름을 α, ω-diacid로 전환하는 과정에서 C7부터 C22까지 다양한 사슬 길이로 조절 가능함을 확인했다. ?

연구진이 개발한 화학적 전처리 기술을 이용하면 열분해유에서 노르말 파라핀만을 선택적으로 정제할 수 있다. 열분해유를 수소로 가득 찬 400℃ 고온 환경에서 촉매와 반응시키면 불순물과 독성이 제거돼 노르말 파라핀으로 전환된다. 이후 정제된 노르말 파라핀을 미생물의 먹이로 활용하면 폴리에스터(PES), 폴리아미드(PA), 폴리우레탄(PU) 등 고부가 플라스틱 원료인 ‘디카르복실산’으로 최종 전환된다.

이번 연구를 통해 폐플라스틱 순환경제 구축을 위한 새로운 패러다임 제시했다.

기존 기술 대비 생산비용 40% 절감 기대

연구진은 기술 활용을 통해 플라스틱 원료 생산 비용을 기존 석유화학 기반의 생산 기술 대비 최대 40%까지 절감할 수 있을 것으로 예측하고 있다. 또 열분해유 중 저급 연료로 활용되는 양의 30%를 플라스틱 원료로 재활용할 수 있어 국가 온실가스 저감에도 유리하다.

연구를 주도한 에너지연 전상구 박사는 “이번 기술은 플라스틱 순환경제 구축과 탄소중립 실현에 크게 기여할 수 있는 성과”라며 “최종 생산된 디카르복실산을 이용해 플라스틱을 합성하는 검증 절차를 진행하고 있으며, 수요기업과의 교류를 통해 기술이전 및 사업화를 추진할 예정”이라고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 산업통상자원부의 산업기술 알키미스트 프로젝트 사업으로 수행됐으며 연구성과는 지난 3월 23일, 에너지·환경 분야 세계적 권위지인 「Journal of Cleaner Production」(IF 9.7)에 게재됐다. 논문 제목은 <Integrating chemical and biological technologies in upcycling plastic waste to medium-chain α, ω-Diacid>이다.

1) 직선 사슬 구조를 가진 탄화수소 화합물로 플라스틱을 만드는 재료 등으로 활용되며, 미생물 공정 반응의 원료가 된다.