[붙임] 연구결과개요

1.연구배경

전 세계적인 플라스틱 폐기물 증가로 인해 심각한 환경오염 문제가 발생하고 있다. 플라스틱 중 페트(PET)는 열을 가하면 액체 상태로 녹아 자유롭게 형태를 바꿀 수 있는 열가소성 수지이고 분리배출이 쉬워 플라스틱 중에서는 가장 재활용이 잘 되는 소재로 꼽힌다. 하지만 현재 페트 재활용은 주로 폐페트병을 잘게 부수고 열을 가해 녹이는 기계적 재활용 방식으로 이루어지고 있다. 열과 물리적인 힘이 반복적으로 가해지는 과정에서 플라스틱 고분자 사슬이 점진적으로 손상되어 본래의 물성을 잃게 된다. 특히 재활용을 거듭할수록 투명했던 페트 소재가 희뿌옇게 변색되거나 투명도를 상실하게 되어, 다시 맑고 깨끗한 투명 생수병 원료로 사용하기 어렵다. 이 때문에 수거된 폐페트병의 대부분은 본래의 모습으로 돌아가지 못하고, 솜이나 부직포 등 한 단계 품질이 낮은 의류용 단섬유나 충전재로 만들어져 쓰인 뒤 수명을 다하고 폐기되고 마는 실정이다.

이러한 기계적 재활용의 품질 저하 한계를 극복하기 위해, 플라스틱을 아예 분자 단위로 분해해 다시 활용하는 '화학적 재활용'이 주목받고 있다. 그러나 기존 페트의 화학적 재활용 공정(해당작용, 알칼리 가수분해 등)은 200℃ 이상의 고온이나 강염기성 조건이 필요하며, 특히 생성된 화합물을 순수하게 분리해 내기 위해 과도한 에너지가 소모된다는 단점이 있다. 이에 온화한 조건에서 작동하며 분리 공정이 단순한 새로운 재활용 기술 개발이 시급한 상황이다.

2.연구내용

본 연구에서는 산 촉매 역할과 산화환원 반응을 동시에 수행할 수 있는 다기능 '폴리옥소메탈레이트(PMA)' 촉매를 활용해 페트 화학적 재활용과 에너지 생산을 결합한 통합 공정을 개발했다. 미세 분쇄된 페트를 100℃의 온화한 수용액(DMSO 혼합액) 조건에서 반응시키면, 에스테르 결합이 끊어지며 고순도 테레프탈산(TPA)과 에틸렌 글리콜(EG)로 분해된다. 고체로 가라앉은 테레프탈산은 단순 여과로 쉽게 분리 가능하며, 용액에 남은 에틸렌 글리콜은 촉매와 반응해 고부가가치 화학물질인 포름산(Formic acid)으로 선택적(약 85%) 산화된다. 이 산화 과정에서 촉매에 화학적 에너지(전자)가 저장되며, 이를 전기화학 시스템과 연동해 전력을 생산하거나 매우 적은 전기 에너지만으로 수소(H2)를 생산하는 데 성공했다.

3.기대효과

고순도의 플라스틱 단량체(테레프탈산)를 기존 생산 단가(kg당 0.92달러)보다 낮은 비용(kg당 0.81달러)으로 공급할 수 있음을 경제성 분석을 통해 확인했다. 값비싼 분리 공정을 생략하고, 포름산과 수소라는 고부가가치 부산물을 동시에 얻음으로써 수익성을 극대화했기 때문이다. 본 기술은 에너지 소비를 최소화한 진정한 의미의 지속가능한 플라스틱 순환경제 시스템 구축에 이바지할 수 있을 것이다.

[붙임] 용어설명

1.페트 (Polyethylene Terephthalate, PET)

음료수병이나 식품 포장재에 널리 쓰이는 대표적인 플라스틱. 열을 가하면 녹아 형태를 바꿀 수 있어 재활용이 가능한 소재지만, 현재 대부분의 재활용은 녹여 다시 쓰는 기계적 재활용 방식에 의존하고 있음.

2.화학적 재활용 (Chemical Recycling)

플라스틱을 녹여서 형태만 바꿔 다시 쓰는 ‘물리적 재활용’과 달리, 화학 반응을 통해 아예 처음의 기초 원료 상태로 완전히 쪼개는 기술. 플라스틱의 품질 저하 없이 무한하게 재활용할 수 있어 궁극적인 탄소중립 실현을 위한 핵심 기술로 꼽힘.

3.폴리옥소메탈레이트 (Polyoxometalate, PMA)

금속과 산소로 이루어진 화합물로, 이 연구에서는 두 가지 역할을 동시에 수행하는 '다기능성 촉매'로 쓰였임. 페트 플라스틱의 결합을 끊어내는 강력한 산성(가위 역할)을 띠며, 분해 과정에서 발생하는 전자를 머금었다가 전달하는 산화환원 특성(배터리 역할)을 모두 갖추고 있음.

4.테레프탈산 (Terephthalic acid, TPA)

페트(PET) 플라스틱을 구성하는 두 가지 핵심 원료 중 하나. 고체 형태의 하얀 분말로, 이 공정에서는 복잡한 처리 없이 단순한 체거름(여과)만으로도 고순도로 회수되어 새로운 플라스틱을 만드는 데 곧바로 쓰일 수 있음.

5.에틸렌 글리콜 (Ethylene glycol, EG)

페트를 구성하는 또 다른 원료로 액체 상태의 물질. 기존 재활용 방식에서는 이 액체를 분리하기 까다로웠지만, 본 연구에서는 이를 고부가가치 물질로 변환시키면서 수소 발전의 동력이 되는 '전자'를 빼내는 핵심 에너지원으로 활용됨.

6.포름산 (Formic acid, FA)

개미산이라고도 불리며 제약, 섬유, 가죽 산업 등 다양한 화학 공정에서 널리 쓰이는 비싼 화합물. 페트 분해 후 남은 에틸렌 글리콜을 촉매로 산화시켜 약 85%의 높은 비율로 얻어내 공정의 수익성을 크게 높이는 데 기여함.

7.경제성 평가 (TEA, Techno-Economic Analysis)

연구실 수준의 기술을 실제 산업 규모(연간 3만 5천 톤 처리 기준)로 키웠을 때의 상황을 가정하는 분석 기법. 장비 구축비, 원료비, 운영비, 판매 수익 등을 종합적으로 계산해 실제 시장에서의 상용화 가능성과 최소 판매 단가를 따져보는 과정.

[붙임] 그림설명

그림1. 영국왕립학회가 발행하는 저널인 ‘Green Chemistry’의 표지 이미지. 다기능성 폴리옥소메탈레이트(PMA) 촉매를 활용해 폐페트(PET)병을 고순도 화학 원료와 친환경 수소 및 전기에너지로 전환하는 순환 경제 시스템을 묘사했다.

그림2. 이중 기능성 촉매(Bifunctional catalysts)를 활용한 공정 모식도.

폴리옥소메탈레이트(PMA) 촉매는 폐페트(PET)를 테레프탈산(TPA)과 에틸렌글리콜(EG)로 분해한다.고체 테레프탈산은 여과로 쉽게 회수해 다시 페트 원료(rPET)로 재중합할 수 있다.용액에 남은 에틸렌글리콜은 촉매에 의해 포름산으로 산화되며, 이 과정에서 촉매에 저장된 전자는 수소 생산과 전기 생산에 활용된다.

그림3. 촉매에 저장된 전자를 활용해 친환경 수소와 전기를 생산하는 시스템(상단) 및 실증 데이터