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전지구적 ‘골칫거리’ 플라스틱 해법, 발상을 바꾼다

아프리카 가나 해변에 플라스틱 폐기물이 쌓여 있는 모습. 위키미디어 제공
아프리카 가나 해변에 플라스틱 폐기물이 쌓여 있는 모습. (위키미디어 제공)


영국 왕립조류보호협회(RSPB)는 이달 6일(현지시간) 제7차 유엔생물다양성과학기구(IPBES) 총회가 ‘전지구 생물다양성 및 생태계서비스 평가에 대한 정책결정자를 위한 요약보고서’를 채택할 당시 충격적인 사진을 게재했다. 미세플라스틱을 포함한 해양쓰레기 더미 위에 ‘부비새’가 신음하는 모습이었다. 배경은 새들의 천국으로 불리며 영국 왕실의 보호구역으로 지정된 웨일즈 그래스홀름 섬이다. RSPB는 영국 BBC를 통해 “해양 쓰레기는 새들의 천국을 ‘살아있는 지옥’으로 바꾸고 있다”고 밝혔다. 

 



1868년 상아로 만든 당구공 대용품으로 개발된 플라스틱이 150여년만에 지구에서 가장 ‘골칫거리’가 됐다. 생태계 파괴는 물론 방치했다간 눈에 보이지 않는 미세 플라스틱이 인간의 입으로 들어갈 수도 있다는 경고가 나온다. 

 



과학자들은 플라스틱 쓰레기를 줄이기 위한 해법으로 잘 분해되는 플라스틱 연구를 하고 있다. 자연에서 분해가 잘 되는 ‘생분해성 플라스틱’이 대표적이다. 이와 달리 아예 발상을 바꿔 재활용을 손쉽게 할 수 있는 연구도 속속 나오고 있다. 분해에 초점을 맞추기보다는 근본적인 ‘재활용’을 쉽게 하는 구조를 설계하는 것이다. 

 










● 기존 플라스틱 물질 그대로 회수하는 ‘플라스틱’

 


우리가 사용하는 플라스틱에는 염료나 난연제 등 다양한 첨가제가 들어간다. 이 때문에 재활용할 경우 기존 특성이나 형태를 유지하기 쉽지 않다. 흔히 사용되는 페트(PET, 폴리에틸렌 테레프탈레이트)의 경우 재활용률이 20~30%에 그친다. 나머지는 소각장이나 매립지, 또는 쓰레기로 버려진다. 분해되는 데만 수백년이 걸린다. 

 



미국 에너지부(DOE) 산하 로렌스버클리국립연구소(LBNL) 연구진은 마치 레고처럼 분자 수준에서 부품으로 분해돼 재조립할 수 있는 재활용 플라스틱을 개발하는 데 성공했다. ‘PDK(poly diketoenamine)’로 이름붙여진 이 물질은 다양한 형태나 질감, 색상을 지닌 플라스틱으로 재조립해도 성능이나 품질이 달라지지 않는 게 특징이다. 연구결과는 국제 학술지 ‘네이처 케미스트리(Nature Chemistry)’ 4월 22일자에 게재됐다. 

 



연구논문의 주저자인 피터 크리스텐슨 LBNL 박사후연구원은 “플라스틱 대부분은 우리가 알고 있는 것과 달리 새로운 형태로 재활용되기 어렵다”며 “이번 연구는 분자 수준에서 플라스틱 재활용을 고려한 새로운 물질을 찾아낸 것”이라고 말했다.  

 



모든 플라스틱은 단량체로 불리는 탄소 함유 화합물의 고분자 중합체인 ‘폴리머’로 만들어진다. 연구진에 따르면 문제는 플라스틱 소재를 견고하게 만들거나 다양한 물리적 특성을 구현하기 위해 첨가제를 넣게 되는데 이 화학물질이 단량체에 단단하게 결합된 구조가 되면서 재활용을 어렵게 만든다. 플라스틱 재활용 공정에서 나오는 다양한 첨가제 물질이 혼합되면서 새로운 플라스틱 재료를 만들 때 원하는 특성을 맞추기가 쉽지 않다는 설명이다. 첨가제와 단단히 결합되기 전의 원래 단량체를 그대로 회수하는 게 관건이다. 




난연제 25%가 포함된 PDK와 섬유유리로 만든 옷을 고농도 산성용액에 담가 섬유와 난연제, PDK의 단량체인 TK-6로 분리되는 모습. ′네이처 케미스트리′ 제공.
난연제 25%가 포함된 PDK와 섬유유리로 만든 옷을 고농도 산성용액에 담가 섬유와 난연제, PDK의 단량체인 TK-6로 분리되는 모습. ('네이처 케미스트리' 제공.)


연구진은 PDK로 접착제를 만들어 산성액이 도포된 유리 제품에 적용하면서 접착제의 조성이 바뀌는 사실에 주목했다. 보다 자세히 관찰하기 위해 ‘핵자기공명(NMR)’ 분광기로 분자 구조를 분석했다. 그 결과 산성액이 묻은 접착제에서 PDK를 구성하는 원래 단량체가 생성됐다. 이를 통해 기존 플라스틱과 달리 PDK는 고농도 산성용액에서 대부분의 혼합 첨가제를 제거할 수 있다는 사실을 알아냈다. 산성 용액이 단량체와 첨가제 결합을 분리하는 역할을 한다. 

 



연구진은 또 회수된 PDK 단량체가 다시 고분자 플라스틱으로 재조립될 수 있음을 입증했다. 연구진은 플라스틱 접착제, 휴대전화 케이스, 시계 밴드, 신발, 컴퓨터 부품 및 열경화 플라스틱 제품 등 다양한 분야에서 PDK를 응용할 수 있을 것으로 보고 있다. 

 



연구진은 “향후 다양한 열적, 기계적 특성을 지닌 PDK 플라스틱 제조 방법을 개발할 계획”이라며 “현재 일상에서 사용되는 플라스틱 중 재활용이 어려운 상당수 플라스틱의 대안이 될 것”이라고 기대했다. 

 










● 분해 잘되는 플라스틱·페트병 이용한 에어로겔 등 다양한 연구 쏟아져

 


국내에서는 분해가 잘 되는 플라스틱 연구가 주를 이루고 있다. 한국화학연구원 바이오화학연구센터 연구진은 페트 대체용 바이오플라스틱인 ‘페프(PEF)’의 원료를 대량생산할 수 있는 촉매를 개발하고 국제학술지 ‘미국화학회(ACS) 지속가능화학 및 공학’ 2월호에 발표했다. 

 



페트를 대체할 수 있는 유력한 바이오플라스틱인 PEF는 원료를 얻기 어려워 활용하는 데 한계가 있었다. PEF는 에틸렌글리콜과 2,5-FDCA라는 원료로 합성된다. 이 중 2,5-FDCA라는 원료는 목재에서 유래한 물질을 변환해 만드는데 이 과정에서 부산물이 많이 나와 생산 효율에 문제가 있었다. 화학연 연구진은 게나 새우 등 갑각류의 껍데기에 많이 포함된 ‘키토산’을 이용해 목재 유래 물질에서 2,5-FDCA만을 얻는 고효율 촉매를 개발한 것이다. 

 



재활용되지 않고 버려지는 페트병을 이용해 에어로겔을 만드는 기술도 등장했다. 싱가포르국립대 연구진은 지난해 페트병 쓰레기로 미세한 섬유를 만들고 실리카 계열 소재를 입혀 에어로겔을 만드는 방법을 개발했다. 연구진은 “페트 소재로 만든 에어로겔은 단열과 방음이 좋아 건축 소재로 이용될 수 있다”며 “플라스틱 재활용 문제를 해결하는 또다른 해법이 될 것”이라고 밝혔다. 








출처 : 동아사이언스(http://www.dongascience.com)

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