[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

플라스틱 배출 및 오염은 전 세계적으로 시급한 환경 문제이다. 이에 따라 플라스틱 폐기물을 재활용할 수 있는 효율적인 방법을 개발하는 것의 중요성이 대두되고 있다. 플라스틱 폐기물 중 폴리스타이렌(PS)은 우리가 실생활에 발포형 폴리스타이렌인 스티로폼으로 쉽게 살펴볼 수 있는 범용성 포장재 및 건축 내장재이다. 하지만 폴리스타이렌은 비교적 단순한 기계적 재활용을 거쳐도 재활용률이 0.9%에 불과하다. 폴리스타이렌은 방향족 고리가 중량의 74%를 차지하고 있고, 열분해를 통해 방향족 화합물을 높은 수율로 얻을 수 있다. 한편, 액상 유기 수소 운반체(LOHC) 시스템은 방향족 화합물을 사용하여 수소를 저장하고 운반하는 유망한 기술로, 수소가 방향족 화합물의 반복적인 수소화·탈수소화 과정을 통해 저장되고 방출됨으로써 수송될 수 있다. 기존의 LOHC 물질 중, 호모사이클릭 LOHC는 화석연료를 기반으로 하며 환경적으로 좋지 않다는 문제가 있으며, 헤테로사이클릭 LOHC는 합성 과정이 복잡하여 수율이 좋지 않다으며 반응 중 분해가 되는 문제가 있다. 따라서, 친환경적이면서 동시에 수율이 좋은 LOHC에 관한 기술이 개발될 필요성이 대두되고 있는 현재, 폐폴리스타이렌의 열분해를 통해 LOHC로 활용하는 방법이 제시된다면, 관련 기술 분야를 크게 성장시킬 수 있을 뿐만 아니라 폴리스타이렌을 실용적이고 효율적으로 재활용하여 플라스틱 폐기물의 양을 대폭 줄일 수 있다는 효과를 얻을 수 있을 것이다.

2.연구내용

본 연구에서는 폐폴리스타이렌을 액상유기수소운반체(LOHC)로 전환하는 새로운 업사이클링 기술을 개발하였다. 우선 다양한 용도로 사용된 폴리스타이렌 폐기물을 열분해하여 스타이렌을 포함하는 방향족으로 구성된 혼합 오일을 얻고, 이를 수소화 반응을 통해 에틸사이클로헥세인 등 고리형 탄화수소로 변환시킴으로써 수소를 저장하였다. 이후 수소를 저장하고 있는 고리형 탄화수소를 수소를필요로 하는 곳으로 이동시킨 뒤, 백금 촉매를 이용하여 탈수소화 과정을 거침으로써 고순도 수소를 안정적으로 방출할 수 있는 시스템을 구축하였다. 특히, 촉매 성능은 백금의 지지체 종류와 표면 특성에 따라 큰 차이를 보였으며, 다양한 금속 산화물 지지체(Al2O3, CeO2, SiO2, TiO2)를 비교 분석한 결과, 나노시트 구조의 Al2O3를 사용한 백금 촉매가 가장 우수한 탈수소화 활성을 보이며, 부산물 생성도 적은 것으로 확인하였다. 나아가, 이 기술 기반 전 과정을 반영한 공정 시뮬레이션과 함께 환경성

평가 및 경제성 분석을 수행하여 기술의 산업 적용 가능성까지 함께 검증하였다. 폴리스타이렌을 분해하여 얻은 방향족 화합물을 액상유기수소운반체로 활용하기에는 여전히 높은 공정비용이 요구되나, 폐자원을 열원으로 이용하여 공정에 적용해 플라스틱 처리 용량도 늘리고, 에너지도 절감하는 방안을 본 연구에서 분석하였으며, 실제 산업에 적용했을 때의 공정 효율 및 비용을 수치화하여 보고하였다.

3.기대효과

본 연구는 기존에 활용이 어려웠던 일회용 PS 폐기물을 수소 에너지 운반체로 전환함으로써, 자원 순환과 에너지 전환을 동시에 실현할 수 있는 새로움 플랫폼을 제시한 데 큰 의미가 있다. 실험실 수준의 기술을 넘어서, 실제 수소 저장 및 운송 과정과 연계 가능한 촉매 기술을 개발하고, 전체 시스템의 에너지 효율 및 탄소 배출량까지 정량적으로 평가함으로써 상업적 확장 가능성까지 고려한 점이 특징이다. 또한, 수소 경제 실현에 필수적인 저장 및 운송 기술을 폐기물 기반으로 구현함으로써, 플라스틱 재활용과 수소 인프라 문제를 동시에 해결할 수 있는 새로운 전략을 제시하였다. 향후에는 다양한 플라스틱 폐기물로 대상 범위를 확장하거나, 촉매 수명을 더욱 연장시켜 실제 LOHC 기반 수소 공급망 구축에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1.플라스틱 업사이클링(Plastic upcycling)

플라스틱 업사이클링은 물리적, 화학적, 열적 공정을 통하여 폐플라스틱을 단순히 처리하는데 그치지 않고, 새로운 제품으로 만들 수 있도록 업그레이드하는 형태로 순환시키는 공정을 말한다. 대표적인 플라스틱 분해 방법 중 하나는 열분해를 통하여 플라스틱과 같은 고분자 물질을 화학적 원료로 사용 가능한 저분자 물질로 전환이 가능하다. 폴리스타이렌을 고온 조건에서 가열하면 스타이렌과 같은 방향족 화합물로 분해되며, 이는 후속 반응을 통해 수소 저장 매체로 활용할 수 있기에, 폐기물의 자원화를 실현하는 기반이 된다.

2.액상유기수소운반체 (Liquid organic hydrogen carrier, LOHC)

액상 유기 수소 운반체는 액체 상태의 유기 화합물에 수소를 저장했다가 필요할 때 방출할 수 있는 시스템으로, 수소의 안정적인 저장 및 운송 수단으로 주목받고 있다. 이 시스템에서 수소화 반응은 방향족 화합물에 수소를 결합시켜 고리형 탄화수소로 변환하는 반응이며, 수소 저장 단계에 해당한다. 이후 탈수소화 반응을 통해 수소를 방출하게 된다. 이 반응의 효율은 백금 기반 촉매의 성능에 크게 의존하며, 촉매의 지지체, 백금 금속의 분산도 및 전자 구조 등이 반응 선택성과 안정성에 중요한 영향을 미친다.

수소 사회로 전환을 위해 수소생산이 중요하지만 탄소중립 실현을 위해 이산화탄소 발생이 없는 그린수소를 생산하는 방법이 가장 바람직하다. 그린수소는 태양열 및 풍력 등의 신재생에너지를 기반으로 얻은 전기를 이용해 물을 분해하여 생산하는 형태인데, 우리나라는 상대적으로 재생에너지의 공급이 제한적이기 때문에 일본 및 독일 등의 나라에서는 재생에너지가 풍부한 국가에서 전기를 얻고 그린수소를 생산한 후 이 수소를 이송하는 전략을 추진하고 있다.

수소를 저장하기 위해서는 수소를 고압으로 탱크에 저장하거나 액화시켜 저장, 운송할 수 있는데 이는 대량으로 이송하는 형태로 바람직하나 수소 누출 및 낮은 에너지 효율, 안전성 문제 등을 가지고 있다. 이에 따라 액상유기수소운반체 혹은 암모니아 등을 이용해 수소를 저장한 후 이송 후 기존의 석유화학 장비를 이용해 탈수소화공정을 통해 수소를 공급하는 전략이 추진되고 있다.

3.전과정평가 및 기술경제성분석(Life cycle assessment and technoeconomic analysis)

전과정평가 및 기술경제성분석은 신기술의 환경적 지속가능성과 경제적 타당성을 정량적으로 평가하는 도구이다. 전과정평가을 통해 플라스틱 폐기물의 감축 효과, 탄소 배출 저감량 등을 분석해 환경 영향도를 정량화할 수 있으며, 기술경제성분석은 공정 운전 비용, 장비 투자비, 수소 생산 단가 등을 고려해 기술의 상용화 가능성을 판단할 수 있게 한다.

[붙임] 그림설명

그림1. 2025년 8월 ACS Catalysis 저널의 Back Cover로 수록된 표지 그림

그림2. 폴리스타이렌의 업사이클링을 통한 액상 유기 수소 운반체로의 활용한 기술 모식도.

그림 3. 폴리스타이렌 열분해 및 수소화 반응에서 확인된 생성물

그림4. 사용후 폴리스타이렌의 열분해 반응 생성물의 구성 성분

그림5. 폴리스타이렌 열분해 오일의 수소화 반응(수소 저장 반응) 생성물의 구성 성분

그림6. 폴리스타이렌 기반 액상 유기 수소 운반체의 탈수소화 반응(수소 분리 반응)의 전환율

그림7. 폴리스타이렌 에너지원 활용 여부에 따른 시나리오별 공정흐름도. 시나리오2의 경우, 열분해 찌꺼기를 다시 태우는 방식으로 에너지 투입을 최소화 함.

그림8. 시나리오별 이산화탄소 배출량(왼쪽) 및 비용(오른쪽) 공정 중 발생하는 잔류물을 활용해 열을 재공급하는 시스템(Scenario 2)을 적용하면, 온실가스 배출량이 수소 1kg당 3.84kg CO2 eq.으로 기존 LOHC 시스템 대비 탄소 배출이 줄어드는 것으로 나타났다. 수소 생산 단가도 kg당 약 6.9달러 수준으로, 상용화된 수소 저장·운송 시스템과 비슷하거나 낮은 수준을 기록했다.