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2025-04-04 (금)

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[신소재 신기술(160)] 플라스틱, 4시간만에 94% 재활용⋯공기 중 습기가 비결

지구촌 플라스틱 문제 해결에 청신호가 켜졌다. 미국 노스웨스턴대학교 연구팀이 공기 중 습기를 이용해 플라스틱 폐기물을 분해하는 혁신적인 신기술을 개발했다고 발표했다. 이 신기술은 기존 플라스틱 재활용 방식에 비해 안전하고 경제적이며 지속가능한 것으로 플라스틱 순환 경제 구축에 크게 기여할 것으로 전망된다. 새로운 기술은 공기 중의 미량의 습기만으로 플라스틱 폐기물을 효율적으로 재활용하는 간편한 방법이다. 연구팀은 폴리에스터 계열 플라스틱 중 가장 널리 사용되는 페트(PET)의 결합을 끊는 저렴한 촉매를 개발했다. 이 촉매를 활용해 분해된 PET는 공기중의 미량의 수분에 노출되는 것만으로 플라스틱의 기본 구성 단위인 단량체로 전환된다. 연구팀은 이 단량체를 재활용하거나 고부가가치물질로 업사이클링할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 해당 연구에 대해서는 전문매체 쿨다운, 인터레스팅엔지니어링,웹사이트 PHYS.org 등 다수 매체가 다루었다. 연구의 공동 교신 저자인 노스웨스턴 대학 조교수인 요시 크라티쉬 연구원은 보도자료를 통해 "본 연구의 가장 획기적인 성과는 플라스틱 분해에 공기 중 습기를 활용하여 매우 깨끗하고 선택적인 공정을 달성했다는 점"이라고 말했다. 크라티쉬 연구원은 "미국은 1인당 플라스틱 오염국 1위이며, 우리는 그 플라스틱의 5%만 재활용한다"면서 "다양한 유형의 플라스틱 폐기물을 처리할 수 있는 더 나은 기술이 절실히 필요하다. 오늘날 우리가 가진 대부분의 기술은 플라스틱 병을 녹여서 품질이 낮은 제품으로 다운사이클한다"고 밝혔다. 이어 "우리 연구에서 특히 흥미로운 점은 공기 중의 수분을 이용해 플라스틱을 분해하여 매우 깨끗하고 선택적인 공정을 달성했다는 것이다. PET의 기본 구성 요소인 단량체를 회수함으로써 재활용하거나 더 가치 있는 재료로 업사이클할 수도 있다"고 강조했다. 플라스틱 지속 가능한 해결책 제시 연구팀은 플라스틱 폐기물을 분해하기 위해 몰리브덴 촉매와 활성탄을 사용했다. 이 두 물질은 모두 저렴하고 풍부하며 무독성이라는 장점을 지닌다. 실험 과정은 다음과 같다. 먼저 PET 플라스틱과 촉매, 활성탄을 혼합한 후 가열한다. 폴리에스터 플라스틱은 화학 결합으로 연결된 반복 단위의 거대 분자(폴리머)로 구성되어 있다. 가열 과정을 통해 이 화학 결합이 단시간내 끊어지는 것이다. 다음으로 연구진은 분해된 물질을 공기에 노출시켰다. 놀랍게도 분해된 물질은 극소량의 습기만으로 폴리에스터의 고부가가치 전구체인 테레프탈산(TPA)으로 변환됐다. 부산물은 상업적 가치가 있는 산업용 화학물질인 아세트알데히드뿐이었다. 이는 쉽게 제거할 수 있다. 연구의 제1 저자인 나빈 말라크 연구원은 "상대적으로 건조한 환경에서도 대기 중에는 평균 1만~1만5000㎦의 물이 존재한다"며 "대기 중 습기를 활용함으로써 대량의 용매를 제거하고 에너지 투입량을 줄이며, 공격적인 화학 물질 사용을 피할 수 있어 더욱 깨끗하고 환경 친화적인 공정이 가능하다"고 설명했다. 크라티쉬 연구원은 시스템이 완벽하게 작동했지만, 과도한 양의 물을 첨가했을 때 기능이 오히려 저하됐다고 밝혔다. 이는 폐플라스틱 분해에 적절한 균형 유지가 중요하며, 결국 자연적인 공기 중 습도가 플라스틱 폐기물 분해에 최적의 양을 제공했다는 것이다. 심각한 플라스틱 오염 문제 PET 플라스틱은 식품 포장재 및 음료 용기에 광범위하게 사용되며, 전 세계 플라스틱 소비량의 12%를 차지한다. 자연 분해가 잘 안 돼 플라스틱 오염의 주범으로 꼽힌다. 사용 후 매립되거나 미세 플라스틱 또는 나노 플라스틱으로 분해되어 토양과 하수, 수로를 오염시킨다. 플라스틱 재활용은 중요한 연구 분야이지만, 기존 방식은 고온, 고에너지 소비, 유해 용매 사용 등 극단적인 조건에 의존하며 독성 부산물을 생성하는 경우가 많다. 더욱이 백금, 팔라듐과 같은 촉매는 고가이며 독성이 있어 더욱 유해한 폐기물을 생성한다. 반응 완료 후에는 재활용 물질을 용매로부터 분리해야 하는데, 이 과정 또한 시간과 에너지가 많이 소모된다. 크라티쉬 연구원은 "용매 대신 공기 중 수증기를 사용했다. 이것은 플라스틱 재활용 문제를 해결하는 훨씬 더 우아한 방법"이라고 강조했다. 빠르고 효율적인 공정 새로운 공정은 빠르고 효율적이다. 단 4시간 만에 가능한 TPA의 94%를 회수한다. 개발된 촉매는 내구성이 뛰어날 뿐만 아니라 재활용이 가능하며, 반복 사용에도 효과를 유지한다. 또한 이 방법은 혼합 플라스틱에도 적용 가능하도록 설계되어 선택적으로 재활용 할 수 있다. 이러한 선택성은 재활용 산업에 상당한 경제적 이점을 제공하는 전처리 분류의 필요성을 없애준다. 실제 플라스틱 병, 의류, 혼합 플라스틱 폐기물 등 실제 재료에 대한 테스트에서도 이 공정은 매우 효과적이었으며, 색깔있는 플라스틱까지 순수하고 투명한 무색의 TPA로 분해됐다. 연구팀은 향후 산업적 응용을 위해 공정 규모를 확대해 대량의 플라스틱 폐기물을 효율적으로 관리할 수 있도록 노력할 계획이다. 이번 연구 결과는 왕립화학회(Royal Society of Chemistry)에서 발행하는 학술지 '그린 케미스트리(Green Chemistry)'에 최근 게재됐다.
- ESGC
2025-03-14 09:55:00
[신소재 신기술(56)] 탄소 포집 혁신, 전기 스펀지로 CO₂ 직접 흡수

이산화탄소(CO²)가 그 어느 때보다 빠르게 대기 중에 축적되고 있는 가운데 영국 과학자들이 전기 스펀지로 공기 중에서 직접 탄소를 포집하는 기술을 개발했다. 미국 국립해양대기청(NOAA)에 따르면 NOAA의 글로벌모니터링연구소가 마우나 로아 대기 관측소에서 측정한 이산화탄소 수준은 지난 5월 427ppm으로 급상승하며 동월 기준 최고치를 기록했다. 매년 5월은 이산화탄소가 북반구에서 가장 높은 수준에 도달하는 달이다. 이번 측정 수치는 2023년 5월에 비해 2.9ppm 증가한 것이며 NOAA의 50년 기록 중 5번째로 큰 폭의 증가이기도 하다. 2023년의 3.0ppm 증가를 고려하면, NOAA가 측정을 시작한 이래 2022~2024년까지 2년 동안의 상승폭으로도 최고 기록이다. 이처럼 이산화탄소의 축적이 역대급인 가운데 에너지가 적게 느는 혁신적인 공기중 직접 탄소 포집 기술이 개발돼 주목을 끌고 있다. 케임브리지 대학 연구원들은 충전된 활성탄을 사용해 기존 방법보다 더 효과적으로 공기 중 이산화탄소를 직접 흡수할 수 있는 저에너지 탄소 포집 기술을 개발했다고 사이테크데일리가 9일(현지시간) 보도했다. 연구팀은 가정용 정수 필터에 일반적으로 사용되는 활성탄에 에너지를 공급하기 위해 배터리 충전 기술을 적용했다. 연구팀은 활성탄 '스폰지'를 CO₂와 가역적인 결합을 형성하는 이온을 충전함으로써, 이 충전된 물질이 공기에서 직접 CO₂를 성공적으로 포집할 수 있다는 사실을 발견했다. 연구를 주도한 유수프 하미드 화학과(Yusuf Hamied Department of Chemistry)의 알렉산더 포스 박사는 “대기 중 탄소 배출을 포집하는 것은 최후의 수단이지만 기후 위기의 심각성을 고려할 때 반드시 탐구해야 할 사항”이라고 말했다. 공기 직접 탄소 포집(DAC) 기술 스폰지와 같은 재료를 사용해 이산화탄소를 제거하는 공기 직접 탄소 포집(DAC) 기술은 탄소 포집을 위한 잠재적인 접근 방법 중 하나다. 그러나 현재의 접근 방식은 비용이 많이 들고 고온과 천연 가스 사용이 필요하며 안정성 부족 등의 단점이 잇다. 포스 박사는 "대기로부터 탄소 포집을 위해 다공성 물질을 사용하는 몇가지 유망한 연구가 진행됐다"며 "활성탄은 저렴하고 안정적이며 대량으로 생산되기 때문에 우리는 활성탄이 옵션이 될 수 있는 지 확인하고 싶었다"고 설명했다. 또한 충전된 활성탄 스폰지는 포집된 CO₂를 제거해 저장할 때 기존 방법보다 훨씬 낮은 온도를 필요로 하기 때문에 현재의 탄소 포집 방법보다 더 에너지 효율적일 수 있다. 연구 결과는 '네이처(Nature)' 저널에 게재됐다. 포스 박사는 "우리가 가장 시급하게 해야 할 일은 전 세계적으로 탄소 배출량을 줄이는 것이지만, 온실가스 순배출 제로를 달성하고 기후 변화의 최악의 영향을 제한하기 위해서는 온실가스 제거도 필요하다. 현실적으로 우리는 할 수 있는 모든 일을 해야 한다"고 말했다. 탄소 포집에서 활성탄의 역할 활성탄은 정수기 필터와 같은 많은 정제 응용 분야에서 사용되지만 일반적으로 공기 중에서 탄소를 흡수하고 보관하지는 못한다. 포스 박사 팀은 활성탄을 배터리처럼 충전할 수 있다면 탄소 포집의 적절한 재료가 될 수 있다고 제안했다. 연구팀은 활성탄을 수산화물이라는 화합물로 충전하면 이산화탄소와 가역 결합을 형성하기 때문에 탄소 포집에 적합할 것이라는 가설을 세웠다. 배터리를 충전할 때는 충전된 이온이 배터리 전극 중 하나에 삽입된다. 이후 연구팀은 배터리와 유사한 충전 프로세스를 사용해 저렴한 활성탄 천을 수산화물 이온으로 충전했다. 이 과정에서 천은 본질적으로 배터리의 전극과 같은 역할을 하며 수산화물 이온이 활성탄의 작은 기공에 축적된다. 충전 과정이 끝나면 활성탄을 배터리에서 제거해 세척해서 말린다. 연구팀은 충전된 활성탄 스폰지 테스트 결과 수산화물의 결합 메커니즘 덕분에 공기 중에서 직접 이산화탄소를 성공적으로 포집할 수 있는 것을 확인했다. 포스 박사는 "이것은 배터리와 같은 프로세스를 사용해 새로운 재료를 만드는 방법"이라면서 "CO₂ 포집 속도는 기존 방법과 비슷하다. 이 방법이 유망하다고 보는 것은 에너지를 훨씬 더 적게 사용한다는 점이다"라고 설명했다. 저온에서 수산화물-CO₂ 역전 포집된 CO₂를 정제하고 저장할 수 있도록 활성탄에서 탄소를 회수하기 위해서는 활성탄을 가열해 수산화물-CO₂를 역전시켜야 한다. 대기로부터 CO₂를 포집하는 데 현재 사용되는 대부분의 재료에서는 900°C와 같은 높은 온도까지 가열해야 하며 종종 천연 가스를 사용해야 한다. 그러나 케임브리지 팀이 개발한 충전된 활성탄 스폰지는 90~100°C만 가열하면 되며 이는 재생 에너지로 달성할 수 있는 온도다. 재료는 저항 가열을 통해 가열되며, 이는 본질적으로 재료를 안팎으로 가열해 프로세스를 더 빠르고 에너지 효율적으로 만든다. 하지만 아직 재료의 한계도 있다. 포스 박사는 "우리는 현재 포집할 수 있는 이산화탄소의 양을 늘리는 데 노력하고 있으며, 특히 성능이 저하되는 습한 조건에서 이산화탄소의 포집 양을 늘이기 위해 더욱 애쓰고 있다"고 말했다. 연구원들은 이 접근 방식이 탄소 포집 분야를 넘어 활용될 수 있다고 말했다. 기공과 활성탄에 삽입된 이온을 미세 조정해서 다양한 분자를 포집할 수 있기 때문이다.
- 포커스온
2024-06-10 13:13:00