1. 서 론
1)
플라스틱(plastic)의 발명은 인류 생활 전반에 걸 쳐 큰 발전과 편의를 제공해 주었다. 플라스틱의 생산량은 1950년 연간 2백만 톤 규모에서 2015년 기준 연간 3억 8천만 톤 규모로 약 200배가 늘어 났으며, 현재도 지속적으로 증가하고 있다(Figure 1)[1]. 하지만, 적절한 처리 과정 없이 생태계로 무 분별하게 배출되는 대량의 폐플라스틱들은 대지, 토양 및 대기 오염을 심각하게 유발하며 생태계뿐 만이 아니라 인류에게도 큰 위협이 되고 있다. 2016
저자(E-mail: [email protected])
년 기준 2100만 톤의 플라스틱을 생산하였으며, 이 중 48.1%에 달하는 1010만 톤의 플라스틱들이 버 려졌다[2]. 폐플라스틱 중 대부분은 매립(79%)과 소 각(12%) 과정을 통해 처리되며, 오직 9%만이 재활 용 과정을 거친다(Figure 1)[3]. 이에 대한 결과로, 2019년 기준 플라스틱의 생산 및 소각으로 인해 약 8억 5천만 톤의 온실가스가 대기에 배출이 되었으 며, 이는 189개의 석탄발전소에서 배출하는 양과 맞먹는다고 한다[4]. 플라스틱으로 인한 온실가스 배출은 지속적으로 증가하고 있으며, 2050년 기준 총 28억 톤의 온실가스가 대기 중에 배출될 것이라 예상된다[4]. 특히, 이번 2020년 코로나19로 인하 여, 이전 년도 대비 플라스틱 폐기물이 약 15.6% 증 Jueun Kim and Kwangjin An
School of Energy and Chemical Engineering, Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST), Ulsan 44919, Republic of Korea
Abstract: 현재 인류는 플라스틱(plastic) 세상에 살고 있다. 의류, 식품, 주거 생활 곳곳에 플라스틱이 존재하며, 플라 스틱이 없는 세상은 상상조차 할 수 없다. 하지만, 플라스틱 사용량 증가에 따른 폐플라스틱의 배출량의 증가는 심각 한 환경문제들을 야기하여 생태계뿐만 아니라 인간에게도 위협이 되고 있다. 이를 해결하기 위한 방법으로 단순히 폐 플라스틱의 처리에 그치지 않고, 이를 활용하여 새로운 고부가가치의 생성물을 제조하는 플라스틱 업사이클링(plastic upcycling) 시스템이 최근 주목을 받고 있으며, 현재 다양한 형태로 연구개발이 진행되고 있다. 그 중의 한가지로 본 기고문에서는 알칸 교차 복분해(cross alkane metathesis) 반응을 소개한다. 알칸 교차 복분해 반응은 수소화/탈수소화 (hydrogenation/dehydrogenation) 반응과 올레핀 복분해(olefin metathesis) 반응으로 이루어져, 탈수소화 반응 후 생성 된 이중결합 탄소를 갖는 두 개의 알켄 화합물이 자리바꿈을 통해 새로운 이중 결합을 형성하는 반응이다. 이 촉매반 응 과정이 반복되면 저분자화된 새로운 알칸 화합물을 생성되는데, 이는 기존의 플라스틱 처리방식인 열분해 및 촉매 분해 공정보다 낮은 반응온도를 요구한다. 또한 이를 통해 상대적으로 높은 순도의 가솔린 및 디젤을 생성할 수 있기 때문에 폐플라스틱 처리 공정의 새로운 대안기술이 될 수 있다. 본 기고문에서 폐플라스틱 중 가장 큰 비중을 차지하 는 폴리에틸렌을 처리하는 대안기술로써 알칸 교차 복분해 반응의 메커니즘과 및 촉매의 역할, 그리고 반응성에 영향 을 주는 인자에 대해 기술한다.
Keywords: cross alkane metathesis, waste plastic, plastic upcycling, catalyst, depolymerization
폐플라스틱 분해를 위한 알칸 교차 복분해 반응
가하였으며[5], 전 세계적으로 매달 1,290억 개의 마스크와 650억 개의 일회용 장갑이 사용되었다고 한다[6]. 이러한 플라스틱 사용의 비약적인 증가는 인류에게 플라스틱 처리에 관한 큰 과제를 안겨주 었다.
우리가 사용하는 플라스틱 중 폴리에틸렌(poly- ethylene, PE)은 생산 및 구매의 가격이 비교적 저 렴하고, 석유화학으로 쉽게 생산되어 풍부하게 공 급받을 수 있는 원료의 특성 상 포장재, 음식물 용 기 등과 같이 일회성이 강한 물질 생산에 사용되 며, 총 플라스틱 사용량의 약 30%로 높은 비율을 차지한다[7]. 하지만, 인간의 편의에 따라 한 번 사 용 후 버려지는 일회용품은 폐플라스틱의 배출량 증가를 이끌며, 이로 인한 환경오염을 심각하게 가 속화시킨다. 폐플라스틱을 처리하는 기술로써 현 재 가장 널리 알려진 방법은 열분해(pyrolysis)와 촉매분해(catalytic cracking) 공정이다. 기존의 석 유화학공정에서 원유를 증류한 후 얻어진 다양한 유분을 촉매공정을 통해 플라스틱 원료 및 오일을 생산하는 촉매공정과 마찬가지로 고분자의 탄소 화합물인 플라스틱을 저분자화 시키는 방법에도 촉매공정이 쉽게 적용된다. 일반적으로 고분자인 플라스틱은 고온 열분해 공정을 통해 저분자화 되 지만 촉매를 이용하면 분해에 필요한 온도를 낮출
수 있을 뿐만 아니라 생성되는 물질의 선택성도 향 상시킬 수 있다. 플라스틱은 열 및 촉매분해 공정 을 통해 다양한 가스 및 액상 탄소화합물 및 고형 잔유물을 생성한다. 석유화학공정에서도 고분자의 중질유를 저분자화시킬 때 다공성 구조의 제올라 이트(zeolite)를 사용한다. 폐플라스틱을 저탄소 화 학물로 분해하는 반응에서 다공성 구조의 제올라 이트(HZSM-5, Hβ, Hγ, USγ)를 사용하면, 다양한 산점을 갖는 제올라이트의 특성 상 플라스틱 분해 를 통해 디젤, 가솔린 및 올레핀 등의 화학제품들 을 선택적으로 생산해낼 수 있다[8]. 하지만, 열분 해 그리고 촉매분해 공정 시 높은 반응온도(400~
800 ℃)로 인한 코크스 생성 및 그에 따른 촉매 비 활성화는 전체 공정의 반응 효율을 저하시키며, 고 리형 탄화수소(benzene, toluene, xylene) 생성 및 다이옥신과 같은 발암물질의 생성 및 선택성 저 하, 오염물질 함유 등 석유화학기반 화학제품에 비 해 심각한 품질저하를 야기한다[8]. 따라서 기존 플라스틱 처리 기술의 한계점(고온, 고압의 반응 조 건, 낮은 선택성, 오염물질 발생 등)을 극복하기 위 한 보다 새롭고 효과적인 플라스틱 처리 기술 및 공정에 대한 대안이 요구된다. 그 중의 한가지로 본 기고문에서는 알칸 교차 복분해(cross alkane metathesis, CAM) 반응을 소개하고자 한다. 알칸
* 출처: https://ourworldindata.org/plastic-pollution, https://www.thechemicalengineer.com/news/stemming-the-flow-of-plastic-waste/.
Figure 1. 플라스틱의 생산 및 처리 과정. 1950~2015년에 걸쳐 연간 플라스틱 생산량이 3억 8천만 톤까지 증가함. 폐플라스 틱은 주로 매립(79%)과 소각(12%)과정을 통해 처리되며, 재활용 비율은 전체 비율 중 9%에 그침.
교차 복분해 반응은 기존의 플라스틱 처리방식인 열분해 및 촉매분해 공정보다 낮은 반응온도에서 운전이 가능하며, 상대적으로 높은 순도의 가솔린 및 디젤을 주로 생성함으로써 새로운 대안기술이 될 수 있다. 본 기고문에서는, 폐플라스틱 중 가장 큰 비중을 차지하는 PE를 처리하는 대안기술로써 알칸 교차 복분해 반응의 메커니즘과 및 촉매의 역할, 그리고 반응성에 영향을 주는 인자에 대해 기술하고자 한다.
2. 알칸 교차 복분해 반응
2.1. 교차 복분해 반응의 유래
알칸 교차 복분해 반응은 수소화/탈수소화(hyd- rogenation/dehydrogenation) 반응과 올레핀 복분해 (olefin metathesis) 반응으로 구성된다. 이 중 올레 핀 복분해 반응은 탄소 이중결합을 가지는 두 개의 알켄 화합물이 촉매와 배위를 하면서 기존의 탄소 -탄소 결합 분해와 자리바꿈을 통해 새로운 이중 결합을 형성하는 반응이다(Figure 2a). 1950년 칼 지글러(Karl Ziegler)와 줄리오 나타(Giulio Natta) 가 유기금속 촉매를 활용한 올레핀 중합반응에서 폴리에틸렌 생성 대신 1-뷰텐이 형성되면서 처음
발견된 반응으로, 이후 1971년 이브 쇼뱅(Yves Schauvin)이 올레핀 복분해 반응의 메커니즘을 추 가로 밝혀냈다. 하지만, 당시 제안된 올레핀 복분 해 촉매의 활성을 위해서는 고온 고압의 조건이 요구되었는데, 이는 공정설계에 적합하지 않았고, 구체적인 메커니즘 연구에 대한 관심이 크지 않았 다. 이후 이를 극복하기 위해 효과적인 올레핀 복 분해 촉매 개발에 대한 연구들이 진행되어, 1990 년대 리차드 슈락(Richard R. Schrock)과 로버트 그럽스(Robert H. Grubbs)가 보고한 Ru과 Mo 기 반 촉매는 올레핀 복분해 반응에서 우수한 촉매의 활성 및 반응 효율을 보여주었다(Figure 2b). 위의 세 명의 과학자 쇼뱅, 슈락 그리고 그럽스는 올레 핀 복분해 반응 메커니즘 발견 및 촉매 개발의 공 로를 인정받아 2005년 노벨 화학상을 수상하였다 (Figure 2c).
2.2. 플라스틱 분해를 위한 알칸 교차 복분해 반응성 연구
앞서 소개된 올레핀 복분해 반응은 주로 이중 결합을 포함한 탄소 화합물을 반응물로 사용하는 데, 단일 결합으로 구성된 알칸 화합물인 플라스 틱에는 적용이 불가능하다. 그런데 2006년 Science
Figure 2. 올레핀 복분해 촉매반응 및 매커니즘. (a) 올레핀 복분해 반응의 메커니즘. (b) 올레핀 복분해 반응에 사용된 Ru 기반 Grubbs 촉매와 Mo 기반 Schrock 촉매. (c) 올레핀 복분해 메커니즘을 확립한 Yves Schauvin 그리고 올레핀 복분해 촉매를 제안한 Robert H. Grubbs와 Richard R. Schrock.
폐플라스틱 분해를 위한 알칸 교차 복분해 반응
지에 보고된 알칸 복분해 반응은 탈수소화 반응을 통하여 알칸으로부터 올레핀을 형성하고, 이 후에 올레핀 복분해 반응을 일어나게 함으로써 새로운 이중 결합을 가지는 올레핀을 합성한다. 그리고 다 시 수소화 반응을 거치면 올레핀 복분해 과정에서 자리바꿈을 통해 저분자화 된 새로운 알칸 화합물 을 생성할 수 있게 된다[9]. 이 연구논문에서 탄소 수 6개를 갖는 선형 탄소화합물인 헥산(n-hexane) 분자들은 탈수소화 반응을 통하여 수소와 이중결 합을 가지는 헥센(n-hexene)을 생성한다(Figure 3a).
헥센에 형성된 이중 결합은 여러 차례의 이성질화 (isomerization) 반응과 올레핀 복분해 반응을 거 쳐 위치가 변화하게 되며, 이는 다양한 구조를 가 지는 이중결합 알켄을 형성한다. 이 과정에서 탄 소수 6개의 헥센보다 많은 탄소수를 갖는 분자도 형성이 되고, 탄소수 6개보다 작은 올레핀도 함께 생성된다. 마지막 단계에서 최초 탈수소화 반응으 로 생성된 수소는 다시 알켄에 결합되는 수소화 반 응을 통해, 초기 반응물 헥산과 다른 탄소수를 가 지는 다양한 알칸 화합물을 생성한다. 해당 연구에 서는 탈수소화/수소화 반응 그리고 올레핀 복분해 반응에 Ir 기반 균질계(homogeneous) 촉매(Figure 3b) 그리고 슈락의 Mo 기반 균질계 촉매(Figure 3c)
를 각각 사용하였으며, 125 ℃ 온도 조건의 헥산 복 분해 반응에서 C2~C15의 다양한 생성물 분포를 보 여주었다. 또한, Mo 기반 촉매 대신 Re2O7/Al2O3
촉매를 올레핀 복분해 반응에 적용함으로써, 전체 알칸 복분해 반응의 열안정성을 높임과 동시에 데 칸(decane) 복분해 반응에서 175 ℃로 9일간 반응 했을 때 C2~C30에 걸친 다양한 알칸 화합물을 생성 됨을 보여주었다. 이러한, 촉매 및 메커니즘은 여 러 알칸 기반 화합물 복분해에 효율적으로 적용될 수 있다.
2016년에 중국과학원의 Zheng Huang 연구 그 룹은 알칸 교차 복분해 반응을 대표적인 알칸 화 합물 플라스틱인 PE 분해에 적용하였다[10]. 고분 자인 PE를 저분자인 헥산과 혼합하면 두 가지 혼 합 촉매가 탈수소화/수소화 및 올레핀 복분해 반 응을 순차적으로 일으켜 PE의 해중합(depolyme- rization)을 일으킨다(Figure 4a). 알칸 교차 복분해 반응이 반복되어 진행될수록 해중합의 정도는 더 커지게 되고 최종 생성물로 액체 연료 및 왁스가 얻어진다. 이 연구에서 탈수소화/수소화 반응 촉매 는 Ir 계열 균질계 촉매가 사용되었으며, 올레핀 복 분해 반응은 비균질계(heterogeneous) Re2O7/Al2O3
촉매가 이용되었다(Figure 4b). 그들의 실험 결과
* 출처: Science, 312, 257-261 (2006).
Figure 3. 균질계 촉매 기반의 알칸 복분해 반응. (a) 탈수소화 반응을 통하여 헥산으로부터 이중결합을 가지는 헥센이 생성 됨. 형성된 이중결합은 여러 차례의 이성질화(isomerization) 반응과 올레핀 복분해 반응을 거쳐 위치가 변화하게 되며, 이는 다양한 구조를 가지는 알켄을 형성함. 마지막으로 알켄에 수소화 반응이 진행되게 되면, 초기 반응물인 헥산과 다른 탄소수 를 가지는 알칸 분자들이 생성됨. (b) 탈수소화/수소화 반응에 사용된 Ir 계열 균질계 촉매. (c) 올레핀 복분해 반응에 사용된 Mo 기반 Schrock 촉매.
에 따르면, 실제 폐플라스틱인 저밀도 폴리에틸렌 (low-density polyethylene, LDPE), 선형 저밀도 폴 리에틸렌(linear low-density polyethylene, LLDPE) 와 고밀도 폴리에틸렌(high-density polyethylene, HDPE)을 저탄소 알칸인 옥탄과의 알칸 교차 복분 해 반응시켜 100% 플라스틱 분해율을 달성하였으 며, 70% 이상의 액체연료 수율을 보였다(Figure 5)
[10]. 플라스틱 병, 음식용 포장필름, 쇼핑백을 각각 LDPE와 HDPE, 그리고 그 혼합물인 HDPE/LLDPE 의 실제 모델로 사용하였고, 잘게 분쇄 후 실험에 이용하였다(Figure 5a). 분자량이 100,000 정도 되 는 플라스틱을 120 mg 정도 사용하여 175 ℃에서 4일간 알칸 교차 복분해 반응을 시키면 분자량을 5,000 이하인 저분자 화합물이 생성된다. 액체 연
* 출처: Sci. Adv., 2, No. e1501591 (2016).
Figure 4. 알칸 교차 복분해 반응(CAM)을 통한 PE 분해. (a) 균질계 촉매 기반 탈수소화/수소화 반응과 비균질계 촉매 기반 올레핀 복분해 반응으로 이루어진 전체 CAM 반응의 모식도. (b) 탈수소화/수소화 반응에 사용된 Ir 기반 균질계 촉매와 올레핀 복분해 반응에 사용된 Re 기반 비균질계 촉매.
* 출처: Sci. Adv., 2, No. e1501591 (2016).
Figure 5. 알칸 교차 복분해 반응을 이용한 실제 폐플라스틱 분해 결과. (a) 폐플라스틱으로부터 얻어지는 액체 연료 생성물 사진. (b) HDPE 및 LDPE의 알칸 교차 복분해 반응으로 얻어지는 생성물의 탄소수 및 분자량 분포.
폐플라스틱 분해를 위한 알칸 교차 복분해 반응
료 중 C3~ C7와 디젤 형태의 C9~C22 범위의 탄소화 합물이 주요 생성물로 나타났으며, 나머지 생성물 로는 C23~C41 그리고 왁스가 얻어졌다(Figure 5b).
오일 형태의 생성물은 반응시간에 비례하여 지속 적으로 늘어나며, 반대로 왁스에 해당하는 생성물 의 비율이 줄어드는 것으로 보고되었다[10]. 이 연 구에서 보여준 알칸 교차 복분해 반응을 이용한 PE 해중합 촉매 반응은 우수한 활성을 나타냄과 동시 에 기존 열분해 및 촉매 분해에 비해 비교적 낮은 반응 온도(175 ℃)에서 폐플라스틱의 처리가 가능 함을 보여주고 있다. 또한, 플라스틱 분해반응의 높은 수율과 액체 및 왁스 형태 생성물의 높은 선 택성을 보여줌으로써, 폐플라스틱으로부터 높은 품질의 석유화학제품을 생산할 수 있다는 가능성 을 제시하였다. 하지만, 이 반응에서 사용한 Ir 계 열 균질계 촉매는 복잡한 단계를 거쳐 합성해야 하는 촉매로 높은 촉매 제조비용을 요구하는데 반 해 사용 후 회수가 어려워 재사용 및 공정효율 측 면에서 단점을 가지고 있다. 이는 촉매를 활용한 실질적인 대규모 플라스틱 분해 공정 설립을 어렵 게 만들어 실제 응용에 한계점을 노출하고 있다.
따라서 촉매 제조와 회수가 용이한 비균질계 촉매 개발의 필요성이 대두된다.
2.3. 알칸 교차 복분해 반응을 위한 비균질계 촉매 개발
기존의 한계점을 넘어서 보다 효율적인 알칸 교 차 복분해 반응을 위해서는 탈수소화/수소화 반응 그리고 올레핀 복분해 반응을 균형 있게 진행시킬 수 있는 비균질계 촉매 개발이 절실하다. 최근 2021년에 미국 신재생에너지연구소(National Re- newable Energy Laboratory, NREL)의 Gregg T.
Beckham 연구 그룹은 매사추세츠 공과대학교 Yuriy Román-Leshkov 그룹과 공동으로 비균질계 촉매만으로 알칸 교차 복분해 반응이 가능함을 보 고하였다[11]. 이 논문에서 비균질계 촉매인 SnPt/
γ-Al2O3와 Re2O7/γ-Al2O3를 물리적으로 혼합하여 각각 탈수소화/수소화 그리고 올레핀 교차 반응 촉 매로 사용하였다(Figure 6). 특히, 탈수소/수소화 반응에 사용되는 Pt 기반 알루미나 담지체 촉매는 C-H 결합의 활성화 기능으로 인해 이미 납사 리포 밍(naphtha reforming)에서 널리 사용되고 있는데,
* 출처: ACS Sustain. Chem. Eng., 9, 623-628 (2021).
Figure 6. 비균질 촉매 기반의 알칸 교차 복분해 반응. (a) 탈수소화/수소화 촉매인 Pt/γ-Al2O3와 올레핀 복분해 촉매 Re2O7/ γ-Al2O3를 활용한 PE의 알칸 교차 복분해 반응 모식도. (b) 알칸 교차 복분해 반응으로 얻어지는 PE 생성물의 분자량 및 탄소수 분포도.
위해서는 서로 다른 활성화에너지를 갖는 두 반응 사이의 동역학적인 반응온도 차이를 극복해야만 한다. 연구 그룹은 200 ℃에서 15시간동안의 PE와 저탄소화합물인 펜탄(n-pentane)과의 반응을 통해 73%의 PE 분자량 감소를 보여주었다(Figure 6b).
탈수소화/수소화 촉매인 SnPt/γ-Al2O3는 탄소수 20 개를 갖는 알칸화합물인 에이코산(eicosane)의 알 칸 교차 복분해 반응에 있어서 Pt/γ-Al2O3 촉매에 비해 6배 이상의 전환율을 가지는 것으로 보고되 었는데, 이는 탈수소화의 조촉매(promoter)로써의 Sn의 역할을 중요함을 보여준다. 특히, Sn의 첨가 는 전체 촉매 반응의 비활성화를 감소시키며[12], 활성점(active site) 당 반응성을 크게 향상시킨다.
하지만, 올레핀 복분해 반응에 있어서 ReSn, PtRe, 그리고 PtSn는 우수한 촉매 활성을 보이지 않으며, 올레핀 복분해의 활성점은 Re의 담지체에 대해 큰 영향을 받는다고 보고되었다[13]. 이를 증명하듯, SnPt/γ-Al2O3 위에 담지된 Re 촉매와 Re2O7/γ-Al2O3
위에 담지 된 SnPt 촉매는 각각의 전체 알칸 교차 복분해 반응에서 물리적으로 혼합된 SnPt/γ-Al2O3
와 Re/γ-Al2O3에 비해 효율이 현저히 낮은 것으로 확인되었다. 이렇게 물리적으로 혼합된 촉매의 알 칸 교차 복분해 반응의 반응성은 Figure 6b를 통 하여 확인할 수 있는데, 기존 고분자 물질인 PE는 일련의 분해 과정을 거쳐 C30 이하의 생성물을 주 로 생성하게 되며, 그 중 탄소 수 C3~C6와 C7~C9
화합물에 대한 높은 선택도를 보인다(Figure 6b).
하지만, 회수가 용이한 비균질계 촉매의 특성에 도 불구하고, 반응 중 생성되는 탄소 침착(carbo- naceous deposits)은 촉매의 비활성화를 유발하는 데, 이는 촉매의 재사용률을 크게 저하시킨다. 또
하는 생성물의 선택성의 향상을 위해 보다 심도 있 는 연구가 필요하다. 하나의 연구방향으로 기존 복 분해 반응에 사용되는 ReOx/Al2O3, MoOx/SiO2, WOx/SiO2 등의 금속 산화물 담지 촉매를 알칸 교 차 복분해 반응에 적용해 전체적인 반응 효율을 증 가시킬 필요가 있는데, 이는 비균질계 촉매가 반 응 효율을 향상시키고 비활성화에 대한 단점을 극 복하여 촉매 안정성을 높일 수 있다면 플라스틱 해 중합 기술로 우수한 대안이 될 수 있음을 보여준 다. 이에 더하여 PE 계열 플라스틱 처리뿐 아니라 혼합 플라스틱의 효과적인 분해를 위해 기존 열분 해 및 촉매분해와 알칸 교차 복분해 반응을 연결 한다면, 보다 현실적이고 효율적인 공정 시스템이 될 수 있어 이에 대한 공정설계 및 반응성 검증이 조사될 필요가 있다.
3. 결론 및 전망
이상에서 폐플라스틱을 처리하는 기술 중 낮은 온도에서 비교적 높은 선택성을 갖는 생성물을 얻 을 수 있는 새로운 기술 중 하나로 알칸 교차 복분 해 반응을 설명하였다. 2019년 기준 세계 플라스 틱 시장의 규모는 미화 568억 9천만 달러로 나타 났으며, 2027년까지 지속적인 성장 추세를 이어갈 것으로 전망하고 있다[14]. 이는 플라스틱 사용량 을 지속적으로 증가시키며 쓰레기 섬, 미세플라스 틱 등의 심각한 환경문제들을 야기한다. 따라서 이를 해결하기 위해 우리는 고효율 고부가가치 저 비용 플라스틱 재활용 공정의 개발을 서둘러야 한 다. 2018년 기준 전 세계 플라스틱 재활용시장은 약 미화 412억 달러규모이며, 2024년에는 미화 641
폐플라스틱 분해를 위한 알칸 교차 복분해 반응
억 달러로 예상하고 있다[15]. 우리나라의 경우 환 경부에 따르면, 2019년 기준 하루 평균 전국 플라 스틱 폐기물의 발생량은 497,238톤에 이르며, 전년 대비 11.5% 증가를 보였다고 한다[16]. 이에 따라, 최근 환경부는 자원순환 정책 대전환 추진계획을 발표하였는데[17], 2022년까지 일회용품 그리고 플라스틱 포장 폐기물에 있어 각 각 35% 그리고 10% 감축을 목표로 하며, 플라스틱 재생원료 사 용을 촉진시켜 배출-분류-재활용-생산의 순환경제 를 형성을 목표로 하고 있다[17].
최근 전 세계적으로 다양한 컨소시엄을 구성해, 플라스틱 분해 기술 개발에 대한 연구들을 활발히 진행하고 있다. 하지만, 지금까지의 촉매를 활용한 플라스틱 분해는 단일 플라스틱 위주의 초보적인 수준이며, 대규모 혼합 플라스틱 처리에 적합한 열 분해 및 촉매분해 기술은 현재 시범적으로 운영되 고 있지만 환경오염물질 배출 및 공정상 문제 등 지속성에 있어 문제점을 노출하고 있다. 보다 근 본적인 방향에서의 플라스틱 재활용을 통한 순환 경제 구축을 위해서는 단순 분해 공정이 아닌 플 라스틱으로부터 고부가 가치 화합물을 생성해내 는 플라스틱 업사이클링 공정을 설립하는 것이 매 우 중요하다. 앞서 소개된 알칸 교차 복분해 반응 은 비교적 온화한 공정조건에서 폐플라스틱으로 부터 고품질 고순도의 연료를 생성해 낼 수 있으 며, 추가적인 공정 과정을 통해 현재 석유화학 및 셰일가스 유래 제품들을 대체할 수 있어 새로운 가치 창출을 기대하게 하는 기술 중 하나이다. 이 러한 기술을 바탕으로 촉매 개발 및 공정효율 향 상을 꾀하여 상용화 기술로 발전시키는 것이 중요 하다. 인간의 편의를 위해 만들어진 인류 최대의 발명품인 플라스틱이 인간의 삶을 훨씬 풍요롭게 하였다면, 이제 그에 대한 환경적 책임 역시 인간 이 짊어져야 한다. 모두가 머리를 맞대어 플라스 틱을 재활용하는 기술에 대한 새로운 대안 및 아 이디어를 창출하는데 힘을 모아야 할 시점이다.
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17. 환경부, ‘자원순환 정책 대전환 추진계획’ 발 표 (2020).
김 주 은
2016~2021 울산과학기술원 에너지화학 공학과 학사
2021~현재 울산과학기술원 에너지화학 공학과 석박사통합과정
안 광 진
1996~2003 충남대학교 화학공학부 학사 2003~2009 서울대학교 화학생물공학부
박사
2010~2015 미국 UC버클리 화학과 박사 후 연구원
2015~현재 울산과학기술원 에너지화학 공학과 부교수
