나종걸 교수 공동연구팀, 폐플라스틱(PET) 재활용 정제 공정 단순화할 회수형 구슬 촉매 개발
나종걸 교수
화공신소재공학과
체로 걸러 다시 쓰는 구슬 촉매, 생산 비용과 온실가스 배출 줄여
세계적 권위 학술지 <Nature Communications> 게재
화공신소재공학과 나종걸 교수 공동연구팀이 PET를 화학적으로 재활용하는 데 반복 사용할 수 있는 회수형 고체 구슬 촉매를 개발했다. 회수형 촉매를 적용해 생성물 정제 공정을 크게 단순화함으로써 재생 원료 생산 비용은 낮추고 온실가스 배출은 줄일 수 있을 것으로 기대된다.
나종걸 교수팀과 서강대 김형준 교수팀이 공동으로 참여한 이번 연구 결과를 담은 논문은 세계적인 학술지 <Nature Communications>(IF=18.1)에 7월 29일(수) 온라인 게재됐다.
음료수병, 포장 용기, 폴리에스터 섬유 등에 널리 쓰이는 PET는 전 세계 플라스틱 폐기물의 약 10-15%를 차지한다. 이를 가장 완전하게 재활용하는 방법은 화학적으로 분해해 원래의 단량체(플라스틱과 같은 고분자를 이루는 기본 단위 분자)인 BHET(Bis(2-hydroxyethyl) terephthalate)로 되돌린 후 다시 PET를 만드는 화학적 재활용이다. 특히 PET를 에틸렌글리콜과 반응시켜 분해하는 글리콜리시스(glycolysis) 공정은, 상압에서 반응이 가능하고 생성물도 단순해 가장 유망한 기술로 꼽혀왔다. 하지만 기존 공정에서는 금속 기반 촉매가 반응액에 녹아 있어 생성물과 쉽게 분리되지 않았다. 이 때문에 환경과 인체에 유해할 수 있는 잔류 금속을 제거하기 위한 재결정(recrystallization) 정제를 여러 차례 반복해야 했고, 여기에 드는 에너지와 비용이 화학적 재활용의 경제성을 떨어뜨리는 한계로 남아있었다.
연구팀은 액체 대신, 회수 가능한 고체로 촉매를 만들면서도 성능은 유지할 방법을 찾는 데서 출발했다. 그 결과 촉매의 성능은 반응을 일으키는 이온이 얼마나 자유롭게 움직일 수 있는지에 달려 있다는 사실을 밝혀냈다. 이를 바탕으로 구슬형 구체 촉매를 설계한 결과, PET를 99% 이상 분해하고 BHET 수율도 최대 96.9%에 이르는 높은 성능을 구현했다. 공정 구현에는 저렴한 가격으로 산업 현장에서 정수 설비에 널리 사용되는 강산성 양이온교환수지인 폴리스티렌설폰산나트륨(PSSNa) 구슬을 촉매로 적용했다. 성능의 핵심은 구슬의 내부 구조에 있었다. 속이 꽉 찬 구슬은 반응이 표면에서만 일어나 BHET 수율이 4.4%에 그친 반면, 내부까지 기공이 연결된 구슬은 반응물이 안쪽까지 드나들어 94.2%의 높은 수율을 기록했다.
회수형 구슬 촉매는 반응 후 간단한 여과만으로 회수할 수 있었으며, 30회 반복 사용 후에도 평균 90.7%의 BHET 수율과 초기 무게의 89%를 유지해 내구성을 입증했다. 폐폴리에스터 의류에서는 99% 이상 분해돼 수율 89.4%, 순도 95.6%의 BHET를 얻었고, 혼합 폐플라스틱에서도 PET만 선택적으로 분해했다. 연속 공정에서도 4시간 이상 안정적인 성능을 유지해 산업 적용 가능성도 확인했다. 촉매를 회수하자 정제 공정도 크게 달라졌다. 기존 재결정 작업을 BHET와 에틸렌글리콜의 끓는점 차이를 이용한 2단 증발 공정으로 대체하면서 증기 사용량을 크게 줄였다.
회수형 고체 촉매 정제 공정 개념도(위) / 기존 공정과 회수형 고체 촉매 정제 공정 비교 개념도(아래)
정제 공정 단순화 결과, 경제성과 환경성이 개선된 것으로 분석됐다. 이 공정으로 생산한 BHET의 최소판매가격(MSP)은 1kg당 1.02달러로, 석유 기반 새 원료의 시장가격인 1.35달러보다 낮았다. 온실가스 배출량은 재생 PET 1kg당 1.90kg CO₂로, 새 PET를 생산해 소각하는 경우의 약 3분의 1 수준이자 매립 시나리오보다도 낮았다.
나종걸 교수는 “이번 연구는 촉매를 잘 만드는 데서 그치지 않고, 실제 공정에 적용해 경제성과 환경성까지 함께 검증했다는 점에서 의미가 있다”며 “폐플라스틱 순환경제를 앞당길 현실적인 기술이 될 것으로 기대한다”고 연구 의의를 설명했다.
이번 연구는 △과학기술정보통신부·교육부가 공동 지원하는 국가연구소(NRL 2.0) 사업(이화여대 멀티스케일 물질 및 시스템 연구소, IMMS), △과학기술정보통신부·한국연구재단의 C1가스 리파이너리 밸류업 기술개발사업, △산업통상자원부의 탄소중립산업핵심기술개발사업 등의 지원을 받아 수행한 성과로, 연구논문은 「Recoverable Macroporous Polyanion Bead Catalysts for Scalable Continuous Chemical Depolymerization of Polyethylene Terephthalate」라는 제목으로 게재됐다.
(왼쪽부터) 김용수 연구원(서강대), 나종걸 교수, 이영원 연구원(본교 석박통합과정생), 김형준 교수(서강대)