신기술: 플라스틱 쓰레기를 비누세제 등으로 전환

버지니아공대 연구진은 플라스틱을 재활용해 비누, 세제 등을 만드는 데 유용한 화학물질인 계면활성제를 만드는 신기술을 개발했다.플라스틱과 비누는 재질, 외관 및 가장 중요한 사용 방식에 있어서 종종 공통점이 없다.그러나 분자 수준에서 둘 사이에는 놀라운 연관이 있습니다.폴리에틸렌은 오늘날 세계에서 가장 많이 사용되는 플라스틱 중 하나이며, 그 화학 구조는 비누 화학 전체로 사용되는 지방산과 매우 유사합니다.이 두 가지 재료는 모두 긴 탄소 사슬로 구성되어 있지만 지방산은 탄소 사슬 끝에 원자 덩어리가 하나 더 많다.

오랫동안 버지니아 공과대학 이과대학 화학 부교수 류궈량은 이런 유사성은 폴리에틸렌을 지방산으로 전환하는 것이 가능하다는 것을 의미하며 몇 단계만 추가하면 비누를 생산할 수 있다고 주장해 왔다.현재의 과제는 긴 폴리에틸렌 체인을 여러 개의 짧은 체인으로 분해하는 것이지만 너무 짧아서는 안 되며 이 과정을 효율적으로 수행하는 방법입니다.류는 다음과 같이 인정했다. 새로운 승격재조방법은 아주 잠재력이 있다. 이는 저가치의 가소물페기물을 고가치의 유용한 상품으로 전환시킬수 있다.

류궈량은 남하은청에 있는 그의 실험실에서 일반 주전자를 들고 있었다.사진 출처: 버지니아 공대 Steven Mackay 제공.

이 문제를 한동안 고려한후 류국량은 한겨울밤 벽난로옆에서 난로불을 즐길 때 갑자기 령감이 들었다.그는 불더미에서 피어오르는 연기를 보면서 연기가 목재가 연소할 때 발생하는 미세한 알갱이로 이루어져 있다는 것을 생각했다.

비록 안전과 환경보호 차원에서 플라스틱은 절대 벽난로에서 연소해서는 안 되지만, 류는 폴리에틸렌이 안전한 실험실 환경에서 연소할 수 있다면 어떤 상황이 벌어질지 생각하기 시작했다.폴리에틸렌의 불완전 연소는 목재 연소처럼'연기'를 발생시킬 수 있습니까?만약 누군가가 이 연기들을 포착할 수 있다면, 그것은 또 무엇으로 구성되어 있습니까?

"장작의 주성분은 섬유소와 같은 중합물이다. 장작은 연소할 때 이 중합물을 짧은 사슬로 분해한 뒤 이산화탄소로 완전히 산화하기 전에 작은 기체 분자로 변한다."화학과 블랙우드 생명과학 청년교사 장학생 류는 이렇게 말했다."만약 우리가 합성 폴리에틸렌 분자를 똑같이 분해하지만, 그것들이 완전히 작은 기체 분자로 분해되기 전에 이 과정을 중단한다면, 우리는 폴리에틸렌과 비슷한 짧은 체인 분자를 얻어야 한다."

류박사실험실의 화학박사생 서진 2명과 에릭 무니아네자의 도움으로 류박사는 오븐과 류사한 소형반응기를 만들었는데 이 반응기에서 그들은 온도계도열분해라는 과정을 통해 폴리에틸렌을 가열할수 있었다.하단에서는 오븐이 폴리머 체인을 파괴하기에 충분한 고온에 있으며 상단에서는 오븐이 더 이상의 파괴를 막기 위해 충분히 낮은 온도로 냉각됩니다.열분해가 끝난후 그들은 잔여물을 수집했다. 즉 굴뚝의 담뱃재를 정리하는것과 비슷하다. 류의 예감이 정확하다는것을 발견하였다. 잔여물은"짧은 사슬의 폴리에틸렌"으로 구성되였는데 더욱 정확하게 말하면 왁스이다.

폐폴리에틸렌과 폴리프로필렌으로 생성된 왁스가 담긴 플라스크를 유욕에서 가열하면 왁스는 기류의 작용으로 산화를 촉진해 지방산을 생성한다.사진 출처: 버지니아 공대 Steven Mackay공도.

이것은 플라스틱 비누의 업그레이드 재순환 방법을 개발하는 첫걸음이다.연구팀은 비누화 등 몇 단계를 추가한 뒤 플라스틱으로 세계 최초의 비누를 만들었다.이 과정을 계속 추진하기 위해 이 팀은 컴퓨팅 모델링, 경제 분석 등 전문가의 도움을 구했다.

버지니아 공대 대분자 혁신 연구소와의 연계를 통해 팀은 그 중 일부 전문가들을 알게 되었다.이들은 과학계와 공유할 수 있을 때까지 업그레이드 재순환 과정을 함께 기록하고 보완했다.이 작업은 최근 《 과학 》 잡지에 발표되었다.

"우리의 연구는 새로운 촉매나 복잡한 절차를 사용할 필요가 없는 플라스틱 업그레이드 재순환의 새로운 경로를 보여줍니다.이 작업에서 우리는 플라스틱 재활용에 대한 직렬 전략의 잠재력을 보여줍니다."논문 제1저자 쉬."이것은 사람들이 미래에 더욱 창조적인 업그레이드 재순환 프로그램 설계를 개발하도록 계발할 것이다."

폴리에틸렌은 이 프로젝트를 계발하는 플라스틱이지만, 이런 업그레이드 재제조 방법은 또 다른 플라스틱, 즉 폴리프로필렌에도 사용할 수 있다.제품 포장, 식품 용기, 직물에 이르기까지 두 재료는 소비자가 매일 접하는 대부분의 플라스틱을 구성한다.류궈량의 새로운 업그레이드 재창조 방법의 흥미로운 특징은 이 두 가지 플라스틱에 동시에 사용할 수 있다는 것이다. 이는 이 두 가지 플라스틱을 분리할 필요가 없다는 것을 의미한다.현재 사용되는 일부 재활용 방법과 비교할 때, 이것은 오염을 피하기 위해 플라스틱을 자세히 분류해야하기 때문에 큰 이점입니다.이 두 플라스틱은 매우 유사하기 때문에 분류 과정이 상당히 어렵다.

(왼쪽부터) Eric Munyaneza 및류궈량은 남하은청의 실험실에서 플라스틱 재료를 업그레이드해 지방산 액체로 재창조할 예정이다.Munyaneza는 과학 저널 연구 보고서의 저자 중 한 명이기도 합니다.사진 출처: 버지니아 공대 스티븐스Mackay 제공.

재순환 기술을 업그레이드하는 또 다른 장점은 플라스틱과 열량의 요구가 매우 간단하다는 것입니다.이 공정의 후기 단계에서는 왁스 분자를 지방산과 비누로 전환하는 추가 성분이 필요하지만 플라스틱의 초기 전환은 직접적인 반응입니다.따라서 이 방법은 비용 효율성이 높을 뿐만 아니라 환경에 미치는 영향도 상대적으로 적습니다.

업그레이드 재창조를 대규모로 효과적으로 하려면 최종 제품은 다른 재활용 방안보다 경제적으로 더 매력적인 공정 비용을 충당할 수 있는 충분한 가치가 있어야 한다.

비누는 처음에는 특별히 비싼 상품처럼 보이지 않았지만, 무게로 비교하면 비누의 가치는 사실상 플라스틱의 두 배나 세 배이다.현재 비누와 세제의 평균 가격은 톤당 약 3550이다달러, 폴리에틸렌의 가격은 톤당 약 1150달러이다.이밖에 비누와 관련 제품의 수요량은 플라스틱의 수요량과 비슷하다.

류는 다음과 같이 말했다. 이 연구는 페기플라스틱을 기타 유용한 재료를 생산하는데 사용함으로써 페기물을 줄이는 새로운 방법을 위해 기초를 닦아놓았다.시간이 지남에 따라 그는 세계 각지의 회수 시설이 모두 이런 기술을 채용하기 시작할 수 있기를 희망한다.그 때 소비자들은 쓰레기 매립장의 플라스틱 쓰레기를 줄일 수 있는 혁명적인 지속 가능한 비누 제품을 구매할 수 있는 기회를 갖게 될 것이다.이런 이유로 플라스틱을 비누로 바꾸는 것은 경제적으로 가능하다. 그는 나노과학 프로젝트의 부속 교사이기도 하다. 이 프로젝트는 이과대학의 종합과학원과 버지니아공대 공학원의 재료과학 및 공학과에 소속돼 있다.

"플라스틱 오염은 몇몇 주류 국가의 문제가 아니라 세계적인 도전이라는 것을 인식해야 한다.복잡한 공정과 복잡한 촉매나 시약보다 간단한 공정이 세계 많은 다른 나라들에 더 쉽게 받아들여질 수 있다"고 쉬가 말했다."나는 이것이 플라스틱 오염 퇴치 전쟁의 좋은 시작이 되기를 바란다.