화학 재활용

열분해는 폐플라스틱을 산소가 없는 상태에서 고온(보통 300~800도)으로 가열하여 분해하는 기술이다. 열에 의해 플라스틱의 긴 사슬 모양의 고분자 결합이 끊어져 액체 형태의 열분해유나 가스, 그리고 고체 잔류물로 변환된다. 이 과정은 플라스틱의 종류와 공정 조건에 따라 산출물의 구성이 달라진다.

가장 일반적인 열분해 방식은 폐플라스틱을 용융시켜 가스로 만든 후 이를 냉각하여 액체 연료로 회수하는 것이다. 이렇게 생산된 열분해유는 정유공장의 원유 대체 원료나 보일러, 선박용 중유 등의 연료로 사용될 수 있다. 또한, PET나 나일론 같은 특정 플라스틱을 대상으로 한 열분해는 원래의 모노머를 회수하여 새 플라스틱을 만드는 데 재사용할 수도 있다.

열분해 기술의 핵심 장점은 오염되거나 여러 재료가 섞인 플라스틱 폐기물도 처리할 수 있다는 점이다. 기계적 재활용이 어려운 복합 포장재나 음식물 잔여물이 붙은 플라스틱도 원료로 활용 가능하다. 그러나 공정에 많은 에너지가 필요하며, 불순물 관리와 산출물의 품질을 일정하게 유지하는 것이 상업화를 위한 과제로 남아있다.

가스화는 폐플라스틱과 같은 탄소계 폐기물을 고온의 부분 산화 환경에서 처리하여 주로 합성가스(일산화탄소와 수소의 혼합가스)로 전환하는 기술이다. 열분해가 무산소 또는 저산소 상태에서 분해를 진행하는 것과 달리, 가스화는 제한된 양의 산소 또는 증기를 반응에 투입한다. 이 과정에서 고체 폐기물은 기체 연료인 합성이용가스로 변환되며, 회수된 가스는 발전용 연료나 화학 산업의 원료로 활용될 수 있다.

이 기술의 핵심 장점은 처리 대상의 유연성에 있다. 기계적 재활용이나 일부 화학적 재활용 방식으로 처리하기 어려운 오염이 심하거나 이질적인 복합 플라스틱 폐기물도 효과적으로 처리할 수 있다. 또한, 생성된 합성이용가스는 정제를 거쳐 메탄올, 암모니아 같은 다양한 화학물질을 생산하는 데 직접 사용될 수 있어 재활용의 범위를 더 넓힌다.

그러나 가스화 공정은 일반적으로 700°C 이상의 매우 높은 온도를 요구하며, 대규모 설비 투자와 복잡한 공정 제어가 필요하다는 점에서 기술적, 경제적 진입 장벽이 존재한다. 또한, 공정 중에 발생할 수 있는 타르 관리와 합성이용가스의 정제 비용이 상업화에 중요한 과제로 남아 있다.

용매 분해는 폐플라스틱을 적절한 용매에 녹인 후, 화학적 반응을 통해 분해하는 기술이다. 열분해나 가수분해와 달리, 비교적 낮은 온도에서 특정 용매를 사용해 플라스틱을 선택적으로 분해할 수 있다는 특징이 있다. 이 방법은 특히 분해가 어려운 복합재료나 오염된 플라스틱, 그리고 PET와 같은 특정 고분자를 모노머 수준까지 정교하게 분해하여 순도 높은 원료를 회수하는 데 유리하다.

주요 공정으로는 용매 추출과 화학적 분해가 있다. 용매 추출은 플라스틱을 구성하는 특정 성분만을 용매로 선택적으로 추출해내는 방법이다. 화학적 분해는 가수분해(물을 이용한 분해)나 알코올분해(알코올을 이용한 분해) 등을 포함하며, 고분자 사슬을 끊어 원래의 모노머나 저분자 화합물로 되돌린다. 예를 들어, PET 병은 글리콜 같은 용매를 이용한 알코올분해를 통해 원료인 테레프탈산과 에틸렌 글리콜로 효율적으로 분해될 수 있다.

이 기술의 가장 큰 장점은 고품질의 모노머를 회수할 수 있어 순환성을 극대화할 수 있다는 점이다. 기계적 재활용으로는 품질 저하가 불가피한 경우에도, 화학적으로 원료 수준으로 되돌릴 수 있다. 또한 상대적으로 낮은 공정 온도로 에너지 소비를 줄일 수 있는 가능성이 있다. 그러나 경제성과 확장성 측면에서 과제가 남아 있다. 고가의 용매 사용, 용매 회수 및 정제 과정의 복잡성, 그리고 처리할 수 있는 플라스틱 종류가 제한적이라는 점이 상업화를 가로막는 주요 장애물이다.

효소 분해는 생체 촉매인 효소를 이용해 특정 플라스틱을 선택적으로 분해하는 기술이다. 기존의 열분해나 가스화와 같은 고온·고압 공정과 달리, 상대적으로 낮은 온도와 대기압 조건에서 반응이 이루어지므로 에너지 소비가 적고 환경 부하가 작다는 장점을 가진다. 현재까지 가장 많은 연구가 진행된 것은 폐플라스틱 중에서도 폴리에틸렌 테레프탈레트(PET)를 분해하는 효소이다. 이 효소들은 PET의 결합을 끊어 원래의 모노머인 테레프탈산과 에틸렌 글리콜로 되돌릴 수 있어, 고순도의 원료를 다시 얻어 새 플라스틱을 제조하는 순환적 재활용이 가능해진다.

그러나 효소 분해 기술은 아직 상업화 초기 단계에 머물러 있으며 몇 가지 명확한 한계를 안고 있다. 첫째, 효소가 효과적으로 작용할 수 있는 플라스틱의 종류가 매우 제한적이다. PET 외에 폴리우레탄(PU)이나 폴리카프로락톤(PCL) 등 일부 생분해성 플라스틱에 대한 연구는 있으나, 폐기물의 주류를 이루는 폴리에틸렌(PE)이나 폴리프로필렌(PP)에 대해서는 효율적인 효소가 아직 발견되지 않았다. 둘째, 반응 속도가 느리고 대규모 처리 공정 설계에 기술적 난제가 존재한다. 또한 폐플라스틱의 형태(필름, 병, 섬유)나 색상, 첨가물 등에 따라 분해 효율이 크게 달라질 수 있어 전처리 공정이 필요하다.

이러한 과제를 극복하기 위한 연구가 전 세계적으로 활발히 진행 중이다. 효소의 활성과 안정성을 높이기 위한 단백질 공학적 개량, 반응 조건 최적화, 그리고 효소를 고정화하여 반복 사용할 수 있는 시스템 개발 등이 주요 핵심 과제이다. 효소 분해는 아직 보편적인 처리 기술로 자리 잡기에는 부족하지만, 특정 플라스틱 스트림에 대한 고부가가치 순환 재활용 기술로서의 가능성을 열어주고 있다.

화학 재활용의 주요 처리 대상 중 하나는 폐플라스틱이다. 기계적 재활용이 어려운 다양한 플라스틱 폐기물을 효과적으로 처리할 수 있다는 점에서 주목받는다. 특히 폐기물 관리의 난제인 다종복합 플라스틱, 오염이 심한 플라스틱, 또는 품질이 저하된 플라스틱을 대상으로 한다.

주로 처리되는 폐플라스틱에는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스티렌(PS)과 같은 범용 플라스틱과 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 등이 포함된다. 이들 물질은 화학 재활용 공정을 통해 고분자 사슬이 분해되어 원료 물질로 회수된다. 적용 기술은 대상 플라스틱의 종류와 원하는 산출물에 따라 달라진다.

예를 들어, PE나 PP는 주로 열분해 기술을 통해 액체 연료인 열분해유로 전환된다. PET는 가수분해나 알코올분해와 같은 화학적 분해 기술을 적용하여 모노머인 테레프탈산과 에틸렌 글리콜로 분해해 순도 높게 재생산할 수 있다. 이렇게 얻은 모노머는 다시 새로운 PET 수지를 만드는 원료로 사용되어 진정한 순환 경제를 실현한다.

따라서 화학 재활용은 기존 재활용 경로로 들어가지 못했던 플라스틱 폐기물에 대한 새로운 해법을 제공한다. 단일 재질이 아닌 복합재료나 이물질이 혼입된 경우에도 원료 수준으로 분해해 처리할 수 있어, 플라스틱 폐기물 문제를 해결하는 핵심 기술로 평가받고 있다.

화학 재활용의 처리 대상으로서 고무는 주로 폐타이어와 산업용 고무 제품을 포함한다. 기계적 재활용이 한계에 부딪히는 오염되거나 복합 재료로 이루어진 고무 폐기물을 효과적으로 처리할 수 있는 대안으로 주목받고 있다.

주요 기술로는 열분해가 가장 널리 적용된다. 폐타이어를 무산소 또는 저산소 상태에서 고온 가열하면 고무 중의 고분자 사슬이 끊어져 액체 연료인 열분해유, 고체 카본 블랙, 그리고 스틸 코드와 같은 금속 성분으로 분리된다. 이렇게 얻어진 열분해유는 정제 과정을 거쳐 다양한 연료나 화학 원료로 재활용될 수 있다.

화학 재활용을 통해 고무 폐기물은 단순한 소각 처리나 매립을 넘어 자원의 순환에 기여한다. 특히 대규모로 발생하는 폐타이어 문제를 해결하고, 화석 연료에 대한 의존도를 낮추는 데 기대를 모으고 있다. 그러나 공정의 경제성 확보와 에너지 효율 향상은 여전히 과제로 남아 있다.

폐섬유는 기계적 재활용이 어려운 대표적인 처리 대상이다. 특히 폐의류나 산업용 섬유 폐기물은 종류가 혼합되어 있거나, 합성섬유와 천연섬유가 복합되어 있는 경우가 많다. 또한 염색이나 코팅으로 인한 오염이 심해 물리적으로 분리하고 재생섬유로 만드는 데 한계가 있다. 이러한 복합적이고 오염된 폐섬유를 처리하는 데 화학 재활용 기술이 주목받고 있다.

주로 폴리에스터(PET)나 나일론과 같은 합성섬유가 화학 재활용의 대상이 된다. 열분해 기술을 적용하면 이러한 섬유를 열분해유나 왁스 형태의 원료로 전환할 수 있다. 더욱 정밀한 공정인 화학적 분해, 예를 들어 PET 섬유의 가수분해나 알코올분해를 통해 원료 모노머인 테레프탈산(TPA)이나 에틸렌 글리콜(EG)을 순도 높게 회수하는 것도 가능하다. 이를 통해 다시 고품질의 PET 수지나 섬유를 제조하는 순환 체계를 구축할 수 있다.

천연섬유와 합성섬유가 혼합된 폐기물의 경우, 선택적 용매 분해 기술이 유용하게 연구된다. 특정 용매를 사용해 목표로 하는 한 종류의 섬유만을 선택적으로 분해하여 모노머를 회수하거나, 다른 성분과 분리하는 방식이다. 섬유 산업의 지속가능성을 높이고 매립되는 폐섬유를 줄이기 위해 화학 재활용의 상용화 노력이 전 세계적으로 진행되고 있다.