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공업화학 전망, 제24권 제2호, 2021
콘스탄즈대(University of Konstanz): 바이오 오일 기반 새로운 분자설계법을 이용한 완전 재활용 가능한 플라스틱 개발
플라스틱 생산은 원유 자원을 소비할 뿐만 아니라 대부분은 효과적으로 재활용되지 않으며 환경오염 물 질이다. 예컨대, 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)은 전기 절연체, 파이프 및 세제 병을 포함한 다양한 응용 분야 에 탁월한 특성을 갖는다. HDPE는 용융 및 재처리를 통해 기계적으로 정기적으로 재활용되나, 미국 환경 보호국(US Environmental Protection Agency)에 따르면, 모든 플라스틱의 10% 미만과 HDPE병의 약 30%만이 혼합 플라스틱 폐기물 스트림에서 회수되어 재활용되고 있다(2018년)고 했다.
이러한 문제를 해결하기 위해 플라스틱의 구성 폴리머가 지속 가능하도록 재설계되어야 한다. 즉, 재활 용을 통해 플라스틱의 유용한 특성을 유지할 수 있고, 필요시 분자 구조를 완전히 분해할 수 있는 플라스틱 의 설계가 필요하다.
최근 콘스탄즈대의 Häußler 교수 연구팀은 이러한 기준을 모두 충족할 수 있는 잠재력이 있는 플라스틱 을 개발했다. Häußler 교수 연구팀은 식물이나 미세 조류에서 추출한 오일을 변형시키기 위해 고수익 화학 (반응 수율 95% 이상) 반응을 개발했고, 이를 기반으로 HDPE의 주요 특성이 많지만 완전한 폐쇄 루프 재 활용을 위해 설계된 플라스틱을 보고했다. 폴리머 사슬은 일정하게 배치된 탄산염 또는 에스테르 결합의 작 은 부분을 포함하므로, 물 또는 일반 알코올과의 잘 확립된 ‘용매 분해’ 반응을 사용해 폴리머 사슬의 완전 분해와 모노머의 거의 완전 회수(96 %) 및 폐쇄 루프 재활용을 가능하게 할 수 있다. 연구팀은 용매 분해 반응에서 단량체의 분리와 재중합을 통한 플라스틱의 특성을 유지하는 것이 가능하다는 것을 밝혔다.
Häußler 교수 연구팀은 단량체의 끝단에 화학 그룹을 선택적으로 붙이기 위해 고효율 촉매(반응 수율 80~90%)를 사용했고, 이러한 화학 그룹은 폴리머에서 원하는 ‘파단점’의 기초를 형성하게 하여, 이를 기 반으로 단량체를 중합할 수 있었다. 연구팀은 특히 중합 반응에서 특정 공단량체(diethylcarbonate)를 사용 해 폴리머를 합성하였고, 이를 통해 HDPE의 열적, 기계적 및 처리 특성과 일치하는 플라스틱을 만드는 데 성공하였다.
Häußler 교수 연구팀은 새로운 플라스틱이 사출 성형 및 3D 프린팅과 같은 일반적인 산업 기술을 사용 하여 가공될 수 있으며 착색제 또는 탄소 섬유를 포함할 수 있음을 증명했다. 그들은 또한 새로운 플라스틱 이 음료수 병에 널리 사용되는 상용 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)와 같은 기존 플라스틱과 혼합될 때 새로운 플라스틱의 용매 분해가 선택적으로 발생함을 보여주었다. 이러한 Häußler교수 연구팀의 개념 증 명은 새로운 플라스틱의 선택적 재활용 가능성을 암시한다.
이러한 연구 결과에도 불구하고, 여전히 초기 단계의 연구이므로, 폴리머-폴리머로의 재활용을 산업 규 모의 공정 및 제품으로 변환, 플라스틱 제조, 형성 및 재활용 산업 공정 개발, 경제성 고려 등이 여전히 필 요하다. 또한 새로운 플라스틱과 기존 폐기물 관리 시스템의 통합 상용성도 고려해야 한다.
정리하면, Häußler 연구팀의 결과는 완전 재활용 가능한 플라스틱의 개발이라는 점에서 매우 고무적이 다. Häußler 교수 연구팀은 본 결과를 바탕으로 수명주기 평가를 기반으로 하여 지속 가능성을 더욱 향상 시키는 연구를 할 예정이다.
연구성과는 SpringerNature 출판 그룹의 Nature 온라인판에 게재됐다(Nature, 590, 2021, https://doi.
org/10.1038/s41586-020-03149-9).
KIC News, Volume 24, No. 2, 2021
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Figure. 제시된 폐쇄 루프 재활용 개념. (1) 식물 또는 미세 조류 오일(