화학자들, 혼합 플라스틱을 재활용하는 새로운 방법 개발

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플라스틱을 재활용하는 것은 비효율적인 사업입니다. 2022년 8월 에너지부 보고서에 따르면 2019년 재활용을 위해 처리된 플라스틱 폐기물 약 4,400만 톤 중 실제로 재활용된 것은 5%에 불과합니다. 나머지는 매립되거나 소각되었습니다.

플라스틱은 모든 종류가 화학적으로 서로 호환되지 않기 때문에 재활용이 어렵습니다. 일부 플라스틱은 개별 원자가 동일하게 전자를 공유하는 공유 결합으로 형성됩니다. 다른 플라스틱은 개별 원자가 전자를 동일하게 공유하지 않는 비공유 결합으로 형성됩니다. 예를 들어, 공유 결합된 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)으로 구성된 샌드위치 백과 비공유 결합된 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)로 구성된 샐러드 드레싱 병을 결합하면 용도가 제한된 약한 혼합 플라스틱이 됩니다.

콜로라도 주립대학과 컬럼비아 대학의 연구원들이 설계한 새로운 화학 공정은 혼합 플라스틱 폐기물의 재활용을 더욱 실현 가능하게 만들 수 있습니다. 과학자들은 화학 물질 사이에 다리를 형성하는 작은 분자인 가교제를 사용하여 화학적으로 다른 플라스틱을 호환 가능하게 만들 수 있었습니다. 그들의 연구는 4월 26일 Nature에 게재되었습니다.

실험실 테스트를 통해 가교제 기술의 놀라운 효율성이 입증되었지만 실제 적용은 아직 멀었습니다. 가장 큰 문제는 해당 기술이 새로운 플라스틱 생산에 비해 비용 효과적인지 여부이다.

연구진은 가교결합제인 비스-디아지린을 사용하여 혼합 플라스틱을 가열하고 가공했습니다. 주사 전자 현미경 이미지는 생성된 물질의 우수한 구조를 보여줍니다. 얼룩처럼 생긴 불규칙한 표면의 순수 혼합 플라스틱과 비교하여 가교 플라스틱은 매끄럽고 균질한 표면을 가졌습니다. 수석 저자이자 Columbia University의 화학 교수인 Tomislav Rovis는 가교결합제를 벨크로와 비교했습니다. 이들은 다양한 폴리머 구성의 플라스틱을 함께 꿰매는 데 후크 앤 루프 패스너 역할을 합니다.

Rovis는 "교차결합된 재료는 시간이 지나도 다른 모든 물리적 테스트를 거쳐도 분해되지 않는다는 점에서 고유한 개별 순수 폴리머와 마찬가지로 거동합니다."라고 말했습니다. 그는 변형에 저항하는 폴리머의 능력을 측정하는 응력 테스트가 가교된 혼합 플라스틱과 개별 폴리머에 대해 유사한 강도 프로파일을 보여주었다고 강조했습니다.

과학자들은 호환되지 않는 플라스틱인 LDPE와 폴리 L-락트산(PLLA)의 혼합물을 성공적으로 만든 다음 이 두 플라스틱을 아이소택틱 폴리프로필렌(iPP)과 혼합했습니다. 수석 저자이자 컬럼비아 대학교 화학공학과 교수인 Sanat Kumar는 이 세 가지 플라스틱에 초점을 맞추기로 결정했다고 말했습니다. 왜냐하면 이 세 가지 플라스틱은 전통적인 플라스틱 폴리머(LDPE 및 iPP)와 새로운 종류의 바이오 기반 폴리머(PLLA)를 모두 대표하기 때문입니다.

Kumar와 Rovis는 그들의 화학이 어떻게 플라스틱 재활용을 변화시킬 수 있는지 설명했습니다. 전통적인 방법으로 성공적으로 재활용된 플라스틱 폐기물의 5%는 품질이 낮은 제품으로 격하됩니다. 우유 용기와 같은 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 제품은 피크닉 테이블 및 플라스틱 목재와 같은 품목으로 변환됩니다. 음료수병을 포함한 PET 제품은 양털 재킷이나 카펫과 같은 품목으로 변환됩니다. 그러나 가교제를 사용하여 형성된 새로운 물질은 분해된 제품을 더 높은 품질의 물질로 변환하는 데 사용될 수 있습니다.

Rovis는 "이 기술의 장점은 품질이 저하된 물병이나 품질이 저하된 타이어를 다시 용융물에 넣고 이러한 가교제가 포함되어 있기 때문에 이러한 결함 없이 무언가를 다시 만들 수 있다는 것"이라고 말했습니다.

Palm Beach Atlantic University의 화학 강사이자 Cornwall Alliance for the Stewardship of Creation의 겸임 학자인 Gregory Rummo는 폴리머 가교제가 잠재력을 가지고 있다고 생각합니다. 그러나 Rummo는 이들의 사용이 경제적으로 실현 가능해야 한다고 경고했습니다. 그는 새로운 기술을 위해서는 가교제 공정을 수행하기 위한 공간을 마련하기 위해 재활용 시설이 필요할 것이라고 지적했습니다. 그는 이 공정이 일단 규모가 확대되면 새로운 플라스틱을 생산하는 것보다 비용이 더 많이 들 것인지 의문을 제기했습니다.