한미 연구진, “혼합 플라스틱 쓰레기, 청정 수소로 전환” 성공

한국과 미국 캘리포니아 연구진은 고온을 사용하지 않고도 ‘혼합 플라스틱 폐기물’을 ‘고순도 수소 연료’로 전환할 수 있는 알칼리 열처리(ATT=alkaline thermal treatment)라는 공정을 개발했다고 야후 테크는 TCD의 보고서를 인용 24일(현지시간) 전했다.

이는 처리하기 어려운 재료를 재활용하는 데 있어, 보다 실용적인 대안을 제시할 가능성이 있다.

지난 2022년에는 플라스틱 재활용률이 9%에 불과했으며, 40%는 매립되고 34%는 소각되었다.

이는 전 세계 플라스틱 생산량이 2050년까지 거의 두 배로 증가할 것으로 예상되는 상황에서, 보다 효율적인 재활용 방법이 시급히 필요함을 보여준다.

열(heat)과 수산화나트륨(sodium hydroxide)을 이용해 일반 플라스틱을 분해하는 ATT 방식은, 규모를 확대하고 폐기물 관리자, 제조업체, 에너지 공급업체에게 경제적으로 실현 가능하다고 입증된다면, 매립 폐기물 감소, 소각으로 인한 대기 오염 감소, 플라스틱 폐기물 처리 비용 절감에 큰 도움이 될 수 있다.

한국 이화여자대학교와 미국 캘리포니아대학교 로스앤젤레스 캠퍼스(UCLA)의 연구진은 해결하기 어려운 폐기물 문제 하나가 또 다른 주요 에너지 과제 해결에 도움이 될 수 있다고 밝혔다. 바로 ‘플라스틱 쓰레기’(plastic trash)를 ‘청정 수소 연료’(clean hydrogen fuel)로 전환하는 것이다.

기즈모도(Gizmodo)에 따르면, 이 연구진은 ‘혼합 플라스틱 폐기물’(mixed plastic waste)을 고온을 필요로 하는 기존 시스템들과 달리 고온 없이 ‘고순도 수소’(high-purity hydrogen)로 전환하는 공정을 상세히 설명했으며, 이는 재활용이 어려운 재료에 더욱 실용적인 선택지가 될 수 있다고 한다.

* 무슨 일이 일어나고 있지?

알칼리 열처리(ATT)라고 불리는 이 방법은 열과 수산화나트륨을 사용하여 일반 플라스틱을 분해하고 수소 가스를 생성한다.

ATT는 가스화와 관련된 고온 문제와 기존 재활용 방식의 높은 비용 원인인 광범위한 분류 작업이라는 두 가지 주요 난관을 동시에 해결하도록 설계되었다.

이는 전 세계적으로 생산되는 플라스틱 중 재활용되는 양이 여전히 극히 일부에 불과하기 때문에 매우 중요한 문제이다.

보고서에 인용된 연구에 따르면, 2022년 플라스틱 재활용률은 단 9%에 불과했으며, 40%는 매립지로, 34%는 소각되었다. 이러한 수치는 특히 우려스러운 부분인데, 플라스틱 사용량이 2020년 약 5억 1100만 톤(4억 6400만 메가톤-megatons)에서 2050년 약 9억 7400만 톤(8억 8400만 메가톤=megatons)으로 증가할 것으로 예상되기 때문이다.

이화여자대학교 화학공학 및 재료과학과 김우재 교수는 이번 연구의 공동 저자로서, 버려진 제품들의 상태를 통해 혼합 플라스틱 폐기물 처리가 왜 그렇게 어려운지 알 수 있다면서 “실제로 버려진 플라스틱은 음식물, 접착제, 라벨, 염료 및 기타 첨가물과 섞이거나 여러 겹의 포장재로 결합되는 경우가 많다”고 말했다.

연구진은 실험실 실험에서 가장 흔한 플라스틱인 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET=Polyethylene Terephthalate), 폴리에틸렌(PE=Polyethylene), 폴리프로필렌(PP=Polypropylene) 등 3가지 플라스틱에 ATT를 적용하여 열분해 및 가스화와 유사한 수율로 고순도 수소를 생산하는 동시에 반응 자체에서 발생하는 직접적인 탄소 배출량은 거의 없다는 사실을 보고했다.

* ATT(알카리 열처리) 방식이 중요한 이유

ATT 기술이 실험실 수준을 넘어 확장된다면, 도시와 기업들은 분류하기 어렵고 오염된 플라스틱을 처리하는 보다 실용적인 방법을 찾을 수 있을 뿐 아니라, 사용 시 이산화탄소를 배출하지 않는 연료를 생산할 수 있을 것이다.

이는 매립지로 가는 폐기물 감소, 소각으로 인한 유해 대기 오염 감소, 플라스틱 폐기물 처리 비용 절감으로 이어질 수 있다.

혼합 쓰레기에서 유용한 것을 회수하는 것은 값비싼 잔여물을 매립지나 소각장으로 보내는 대신 폐기물 처리 시스템을 더욱 효율적으로 만들 수 있다.

연구진은 ATT를 기존 두 가지 방법에 대한 대안으로 제시한다. 열분해(Pyrolysis)는 일반적으로 더 깨끗하고 분류가 잘 된 플라스틱에 더 효과적이며, 가스화는 혼합 플라스틱을 처리할 수 있지만 훨씬 더 높은 온도와 더 많은 에너지가 필요하다.

ATT는 선별 작업 필요성을 줄이고, 열 소비량을 낮추며, 더 깨끗한 출력을 생산함으로써 이러한 옵션들 사이의 중간 역할을 하도록 설계되었다.

예일대학교 화학·환경공학 석좌교수이자 지구환경 문제 담당 부총장인 줄리 짐머만(Julie Zimmerman)은 이번 연구가 아직 초기 단계이긴 하지만 유망해 보인다고 말했다.

* 무슨 일이 진행되고 있나?

기즈모도에 따르면, 연구팀은 해조류와 같은 바이오매스 원료를 순 탄소 배출량 증가 없이 수소로 전환하기 위해 개발된 기존 접근 방식에서 ATT를 적용했다.

플라스틱에 초점을 맞춘 실험 버전에서는 PET가 더 쉽게 분해되었지만, PE와 PP는 주 반응 전에 약한 사전 산화 단계를 거친 후 더 나은 성능을 보였다.

이 공정이 실제 사용에 더 가까워지기 전에 연구원들은 오염된 플라스틱 폐기물을 테스트하고, 효율성을 개선하고, 반응에 사용된 수산화나트륨을 재활용하는 방법을 알아내야 한다. 또한 에너지 투입과 자재를 포함한 전체 탄소 발자국을 측정하기 위해 전체 수명 주기 분석이 필요히다.

나아가 이 공정은 대규모로 안정적으로 운영되어야 하며, 폐기물 관리자, 제조업체 및 에너지 공급업체에게 경제적으로 타당하다는 것이 입증되어야 한다.

이러한 연구 결과들을 종합해 보면, 플라스틱이 언젠가는 더 깨끗한 에너지 시스템에서 단순한 폐기물 이상의 용도로 사용될 수 있을 것이라는 점을 시사하고 있다.

짐머만은 이번 연구를 “흥미롭고 잠재적으로 중요한 반응 개념”(interesting and potentially important reaction concept,)이라고 설명했지만, 현재 결과는 “기술적 또는 경제적 타당성보다는 화학적 실현 가능성을 입증하는 것”이라고 말했다.