- 저온에서 폐 PET를 완전분해할 수 있는 해중합 기술 및 고부가 유도품 제조 플랫폼 기술개발

최근 전 세계가 탄소 배출량 감축을 위한 환경규제 강화와 플라스틱 순환 경제 체제 전환을 추진하고 있는 가운데, 국내 연구진이 상온에서 폐플라스틱을 화학적으로 분해하여 플라스틱 합성 이전 원료로 완벽하게 되돌릴 수 있는 핵심 원천기술을 개발하여 기술이전을 한다.

한국화학연구원(원장 이미혜)은 ㈜리뉴시스템(대표 이종용)과 지난 2월 23일, 화학연에서 저온에서 폐 PET를 완전분해할 수 있는 해중합 기술이전 협약식을 개최하였다. 이날 행사에는 화학연 이미혜 원장, ㈜리뉴시스템 이종용 대표 등 관계자들이 참석했다.

‘폐 PET의 메탄올리시스를 통한 재생 단량체 및 테레프탈레이트 유도체 제조’ 기술이전 협약식에 참석한 각 기관 참석자들

화학연 조정모 박사 연구팀은 폐플라스틱 재활용 분야에서 해중합 기술 상용화에 최대 걸림돌이었던 에너지 사용량과 경제성 문제를 극복할 수 있는 ▲ 저온 해중합 기술*과 ▲이를 연계하여 적은 양의 에너지만으로 다양한 고수율·고순도·고부가 단량체를 제조 가능한 플랫폼 생산 기술 개발에 성공했다.

* 해중합 기술: 수백 개 이상의 단위체가 서로 결합하여 이루어진 고분자를 화학적으로 분해하여 소재 합성 이전의 원료로 되돌릴 수 있는 기술

㈜리뉴시스템은 이번 계약에 따라 석유화학 기반 플라스틱의 원료를 대체할 수 있는 재생 단량체 제조에 응용할 계획이며, 다양한 특수 플라스틱 합성을 위한 고부가 첨가제 원료 제조기술로 활용할 예정이다.

현재, 폐 PET 재활용 산업에서는 기존 플라스틱의 화학 구조를 유지한 채 오염된 플라스틱을 분류·파쇄·세척하는 과정을 거쳐 물리적으로 재가공하는 ‘비 순환형 재활용 기술’이 주로 활용되고 있었다. 하지만 이런 ‘기계적 재활용’ 기술은 기존 플라스틱 제품보다 품질이 떨어지고 재활용할 수 있는 횟수도 제한적인 단점이 있다.

이 때문에 기존 플라스틱 제품과 동등한 품질을 가지면서도, 소재 합성 이전의 원재료로 완전히 되돌려 무한 반복 재활용이 가능한 ‘화학적 재활용’ 기술이 대안으로 주목받고 있다. 다만, 고온·고압 반응조건에서 수행되는 해중합 반응 특성과 오염물질 제거를 위해 많은 에너지가 요구되는 공정의 특성상 채산성이 낮아 상용화가 더디게 이루어지고 있다.

이에 연구팀은 폐플라스틱 중 일상생활에서 흔히 접할 수 있는 폐P ET병이나 폐폴리에스터 섬유를 상온에서 매우 적은 양의 에너지만으로도 완전히 분해하여 재원료화함으로써, 기존 석유 유래 제품을 완벽하게 대체할 수 있는 자원 재순환형 기술(메탄올리시스 반응기술*)을 개발하였다.

* 메탄올리시스 반응기술: 반응물로 메탄올을 사용하여 고분자 구조를 이루고 있는 결합을 분해하는 반응기술

상온·상압 PET 해중합 기술

화학연 연구팀은 매우 적은 양의 에너지만을 사용하여 상온·상압에서 PET를 완전하게 분해할 수 있는 저온 메탄올리시스 반응기술을 개발하였다. 고분자인 PET를 분해하는 데 있어서, 고분자 사슬 말단의 연쇄적 분해를 유도할 수 있는 공용매와 특이한 반응성을 나타내는 저가 불균일계 촉매를 적용하여 상온(10–35℃의 범위)에서도 완전히 단량체로 분해될 수 있는 새로운 해중합 반응 메커니즘을 학계에 제시하였다.

연구팀은 기존 해중합 기술이 고온·고압 조건에서 수행되기 때문에 에너지 소비가 심하고, 오염물질에 의한 단량체 제품의 수율이 낮아지는 문제 극복을 위해 상온에서 높은 반응성을 나타내는 저가 촉매를 반응에 적용하고 부반응을 제어할 수 있는 공정기술을 도입해 고부가 단량체인 디메틸테레프탈레이트(dimethyl terephthalate, ‘DMT’)를 고수율·고순도로 제조할 수 있는 기술을 개발하였다.

폐 PET 원료 및 해중합을 통해 제조된 고부가 재생 단량체

(왼쪽부터) 메탄올 기반 해중합 기술의 반응원료인 폐 PET, 제조된 재생 단량체(DMT) 및 이를 중간체로 제조된 테레프탈레이트 유도체 화합물의 예(BHET, BHPT, BHBT, DOTP)

또한, 제조된 DMT를 반응중간체로 사용하여 100℃ 이하의 저온에서 다양한 고부가 재생 단량체를 제조할 수 있는 플랫폼 기술을 개발하였다. 

이는 최소한의 공정변수 조절과 투입원료의 변경만으로 동일한 공정에서 다양한 제품을 생산할 수 있는 운전 특성으로, 재생원료의 가격이나 시장수요의 변동에 유연하게 대처할 수 있는 다목적 친환경 소재 제조공법이다.

연구팀은 그 외에도 유색·저급 PET 및 폐폴리에스터 섬유 등을 재활용할 수 있는 다양한 기술을 개발하여, 폐플라스틱 화학적 재활용 기술의 국산화뿐만 아니라 해외 기술시장 진출까지 노릴 수 있는 상용 해중합 공정기술 개발에 박차를 가하고 있다.

한국화학연구원 이미혜 원장은 “이번 성과는 전 세계적으로 대두되고 있는 폐플라스틱의 환경오염 문제를 완화하고, 전량 수입에 의존하던 기존 석유화학제품 원료를 폐자원으로부터 얻을 수 있다는 점에서 큰 의미가 있는 만큼, 국내 플라스틱 화학산업의 지속 가능성 확보와 세계시장 진출 또한 가능한 해중합 기술이 될 것으로 전망한다”라고 말했다.

화학연은 이번 연구성과를 ㈜리뉴시스템에 기술 이전하여, 파일롯 규모의 연속 실증설비(PET 처리 기준, 연간 10,000톤 규모) 구축을 진행하고 있다. ㈜리뉴시스템은 연내 공정 최적화를 마무리할 예정이며, 축적된 시제품 생산 경험을 바탕으로 2023년에는 안정적인 생산설비의 개념 완성과 함께 본격적인 사업화를 준비할 계획이다.

이번 연구는 한국화학연구원 주요 사업의 지원을 받아 수행됐다.

영국왕립화학회(RSC)의 저널 ‘Green Chemistry’ 2021년 1월호에 출간

< 에너지를 거의 사용하지 않는 폐 PET의 해중합 기술>

- 논문명(영): Low-energy catalytic methanolysis of poly(ethyleneterephthalate)

- 논문명(국): PET의 저에너지 메탄올리시스 촉매 반응

< 연구자 이력 소개 >

조정모 책임연구원

○ 소속: 화학공정연구본부 그린탄소연구센터 ○ 전화: 042-860-7699 ○ 이메일: jmcho@krict.re.kr