▲ 음료병이나 나일론, 폴리우레탄 폼 등 재활용이 어려운 폐플라스틱을 단량체(monomer)로 분해하고, 이를 청정 수소와 산업용 화학물질로 전환하는 기술이 개발됐다.
자동차 폐배터리에서 회수한 산(acid)으로 음료병이나 나일론, 폴리우레탄 폼 등 재활용이 어려운 폐플라스틱을 분해하고, 태양광으로 작동하는 반응기를 이용해 이를 청정 수소와 유용한 화학물질을 바꾸는 기술이 개발됐습니다.
영국 케임브리지대 에르빌 아이즈너 교수팀은 과학 저널 줄(Joule)에서 태양광으로 작동되는 광촉매 기반의 반응기를 개발, 폐플라스틱을 단량체(monomer)로 분해하고, 이를 수소 연료와 아세트산 등 산업용 화학물질로 전환하는 데 성공했다고 밝혔습니다.
아이즈너 교수는 "이 연구가 플라스틱 문제 해결을 약속하는 것은 아니지만 폐기물을 유용한 자원으로 바꿀 수 있음을 보여준다"라며 "이는 태양광과 폐배터리의 산을 이용해 폐플라스틱에서 가치를 창출할 수 있다는 점에서 매우 유망한 공정"이라고 말했습니다.
전 세계 플라스틱 생산량은 연간 4억 톤이 넘지만, 재활용률은 18%에 불과합니다.
나머지는 소각 또는 매립되거나 폐기물로 환경에 유출돼 세계적으로 큰 환경·보건 문제가 되고 있습니다.
연구팀은 이 연구에서 먼저 자동차 폐배터리에서 회수한 산을 이용해 폐플라스틱의 고분자 사슬을 에틸렌글리콜 같은 단량체로 분해하고, 산성 용액 속에서 안정적으로 작동하고 햇빛을 받아 에틸렌글리콜을 수소와 아세트산으로 전환하는 광촉매를 개발했습니다.
논문 제1 저자인 케이 쾅 테에 연구원(박사과정)은 "산은 원래 플라스틱 분해에 널리 쓰였지만, 산성 조건을 견디는 저렴하고 확장할 수 있는 광촉매는 없었다"라며 "이 문제를 해결하면서 새로운 반응 경로가 열렸다"라고 설명했습니다.
자동차용 납축전지에는 부피 기준 20~40%의 산이 포함돼 있고 사용 후 보통 납만 회수된 뒤 산은 중화돼 폐기되는데, 이 산을 회수해 폐플라스틱 분해에 활용하는 것입니다.
연구팀이 폐배터리 산과 광촉매를 결합한 반응기를 제작해 실험 한 결과, 음료병 등에 사용되는 PET와 나일론 섬유, 폴리우레탄 등에 모두 적용 가능하고, 태양광과 LED 환경에서 모두 안정적으로 수소를 생산할 수 있는 것으로 나타났습니다.
태양광 조건(AM 1.5G)에서 PET를 처리하면 촉매 1ｇ당 0.35mmol(약 8㎖)의 수소가 생성됐고, 파장 405 LED 환경에서는 수소 생성량이 1.9mmol(약 42㎖)로 증가했습니다.
또 24시간 기준으로 나일론 66에서는 수소가 약 1.0mmol(약 22㎖), 폴리우레탄에서는 4.2mmol(약 03㎖)이 생성돼 기존 재활용이 어려운 플라스틱에서도 높은 효율을 보였습니다.
연구팀은 이 반응기는 성능 저하 없이 260시간 이상 작동하고 촉매도 11일 이상 활성을 유지해 안정성이 입증됐다며 에틸렌글리콜 전환율은 최대 40%, 아세트산 선택도는 89%, 양자 수율(quantum yield)은 9%를 기록했다고 밝혔습니다.
연구팀은 이 기술이 기존의 재활용 기술을 대체하기보다는 보완하는 역할을 할 것으로 본다며 특히 오염되거나 여러 종류가 섞여 있어 현재 기술로는 재활용이 어려운 폐플라스틱을 처리하는 데 활용될 가능성이 크다고 설명했습니다.
다만 실제 산업 적용을 위해서는 산성 환경을 견딜 수 있는 반응기 설계 등 공학적 과제가 남아 있고, 대규모 연속 공정으로 확장하는 연구가 필요하다고 덧붙였습니다.
(사진=Beverly Low 제공, 연합뉴스)
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