가방에서 부로 - 플라스틱을 실용적인 제품으로 업사이클링

원문 링크 : https://www.theearthandi.org/post/upcycling-plastic-into-viable-products

플라스틱 재활용 기술은 발전했지만 여전히 많은 과제에 직면해 있습니다. 플라스틱 폐기물은 이제 자연 환경에서 흔히 볼 수 있으며, 현재 매년 약 4억 톤의 플라스틱 폐기물이 생산됩니다. 2017년 연구  에 따르면 1950년부터 2015년까지 생산된 플라스틱의 놀랍게도 91%가 재활용되지 않았습니다. 대신 이러한 플라스틱의 12%는 소각되었고, 대부분(79%)은 매립지로 보내지거나 환경에 방치되어  분해되는 데 수십 년에서 수천 년이 걸릴 수 있습니다.

또한 깨끗한 플라스틱(예: 음식 잔여물이 없는 플라스틱)만 재활용할 수 있으며, 재활용 과정 자체는 에너지 집약적이고 비용이 많이 듭니다. 즉, 제조업체의 경우 재활용 플라스틱을 사용하는 것보다 새롭고 저렴한 플라스틱을 사는 것이 종종 더 경제적입니다.

한편, 글로벌 플라스틱 시장은  2030년까지 연평균 성장률(CAGR) 4~5%로 크게 성장할 것으로 예상 됩니다. statistica.com 에 따르면 이는 2023년에 7,120억 달러였던 글로벌 플라스틱 시장 가치가 2033년 까지 1조 500억 달러 이상 으로 성장할 수 있다는 것을 의미합니다 .

플라스틱에 대한 끝없는 수요를 감안할 때, 새로운 재활용 기술에 대한 관심이 뜨겁습니다. Earth & I는 캘리포니아주 멘로파크에 있는 Novoloop CEO Miranda Wang  과 인터뷰  를 통해 이 회사의 플라스틱 폐기물 "업사이클링"에 대한 혁신적인 접근 방식과 이것이 대규모로 확립되면 재활용 산업에 미칠 수 있는 잠재적 영향에 대해 논의했습니다.

열가소성 플라스틱 대 열경화성 플라스틱

업사이클링을 이해하려면 플라스틱 풍경에 대한 간략한 검토가 필요합니다. 플라스틱에는 7가지 유형이 있으며 [ The Earth & I 2023 년 8월 기사 "Keeping Plastics Out of Landfills and Public Spaces" 참조 ], 각각 물리적 및 화학적 특성이 다릅니다.

플라스틱은 낮은 생산 비용, 가벼운 무게, 높은 화학적 안정성, 내구성, 높은 충격 저항성, 우수한 전기 절연성으로 인해 산업적 관점에서 유리합니다. 다재다능하기 때문에 다양한 제조품과 포장재 생산에 널리 사용됩니다.

생산되는 대부분의 플라스틱( 약 75% )은 열가소성 플라스틱으로, 고온에서 가단성이 있고 냉각되면 안정성이 있는 것으로 알려져 있습니다. 열가소성 플라스틱에는 일회용 플라스틱 형태의 폴리에틸렌과 폴리스티렌(PS)  과 폴리염화비닐(PVC)과 폴리카보네이트(PC)가 포함됩니다. 이론적으로 열가소성 플라스틱은 지속적으로 녹이고 재성형하여 재활용 플라스틱 소재를 생산할 수 있습니다.

그러나 실제로 열가소성 오염은 주요 환경 문제, 특히 물 순환( 미세 플라스틱 순환 에서와 같이)에서 미세 플라스틱의 유행으로 입증되고 있습니다. 열가소성 플라스틱을 소각하면 에너지를 생성할 수 있지만, 야외 환경에서 온실 가스 배출과 독성 물질이 발생합니다 .

나머지 25%의 플라스틱은 열경화성 플라스틱( 열경화성 수지 )으로, 일반적으로 가열하면 연소되기 때문에 재활용할 수 없습니다 . 열경화성 수지의 예로는 폴리에스터, 에폭시, 페놀 등이 있으며, 내구성과 내열성 이 뛰어나 자동차와 전기 제품에서 열경화성 수지를 찾을 수 있습니다. 첨가제  나 광중합 등을 통해 재활용 가능한 열경화성 수지를 생산하기 위한 연구도 진행 중입니다 . 열경화성 수지는 내구성이 뛰어나 열가소성 수지만큼 환경에 버려지지 않습니다.

플라스틱 재활용 유형

현재 재활용 산업은 기계적 재활용을 플라스틱 폐기물 재활용의 가장 중요한 접근 방식으로 간주합니다. 기계적 재활용은  폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 및 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)과 같은 열가소성 플라스틱을 재활용하는 데 사용됩니다. 여기에는 수거, 세척, 1차 및 2차 분류, 파쇄 및 압출(플라스틱 펠릿으로 재형성)이 포함됩니다. 이러한 펠릿은 그런 다음 새로운 제품을 제조하는 데 사용됩니다. 기계적 재활용의 과제에는  폴리머 분열, 대규모 분류 방법 부족, 일관되지 않은 제품 품질이 포함되지만 시간, 경제적 비용 및 환경 영향 측면에서 가장 효과적일 수 있습니다.

화학적 재활용은  운영의 확장성으로 인해 점점 더 인기를 얻고 있습니다. 이 접근 방식은 PET, 나일론(PA), 폴리우레탄(PU), 폴리프로필렌(PP)과 같은 플라스틱의 화학 구조가 변경되는 열분해, 기화, 수소 분해 및 탈중합을 포함한 여러 기술을 활용합니다. 용매에 플라스틱을 용해하는 것( 가용매 분해 )도 가수분해, 당분해(에틸렌 글리콜), 산분해(산), 알코올 분해(메탄올)와 같은 탈중합에 포함 됩니다 . 화학적 재활용의 과제에는  환경으로 방출되는 잠재적인 독성 및 유해 부산물이 포함됩니다.

마지막으로 유기 재활용  (또는 생물학적 재활용)은 호기성 환경(퇴비화 과정) 또는 혐기성 환경(바이오가스화 활용)에서 미생물 처리를 활용합니다. 생물학적 재활용의 과제  로는 높은 시작 비용, 효소의 제한된 적용, 효소 사용의 잠재적 위험이 있습니다.

플라스틱 업사이클링과 노볼루프

재활용만으로는 한계가 있기 때문에 업사이클링( 부산물이나 폐기물을 가치 있고 새로운 소재로 전환하는 것 )에 대한 연구가 진행 중이며, 이를 통해 소비자가 사용한 플라스틱 폐기물을 신발, 자동차 소재, 스포츠 용품과 같은 가치 있는 제품으로 전환할 수 있습니다 . 화학적 업사이클링 방법에 대한 검토 에서 고압 조건에서 금속 촉매를 사용하여 탈중합하는 사례가 많이 있었습니다.

Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, Nikolaivits et al. (2021) (CC BY 4.0 DEED)에서 발췌

한편, 왕은 회사가 지난 8년 동안 폴리에틸렌 업사이클링에 노력해 왔으며, 이제 첫 번째 산업 시설에 대한 계획 단계가 거의 완료되었다고 밝혔습니다  . ATOD(accelerated thermal-oxidated decomposition)라는 독점적인 4단계 공정을 사용하여 폴리에틸렌에서 신발 및 본딩 제품 소재를 생산합니다.

E&I: Novoloop의 플라스틱 폐기물 재활용 혁신은 무엇입니까?

미란다 왕: "Novoloop는 재활용하기 어려운 플라스틱 폐기물을 성능 소재로 전환하는 새로운 화학 기술의 최초 개발자입니다. 폴리에틸렌을 산화시켜 화학적 구성 요소로 만든 다음, 수확, 정제하여 화석 연료로 만든 일반 플라스틱과 구별할 수 없는 소재 플랫폼으로 다시 만듭니다. 단량체의 형성은 산소를 추가하여 달성되므로 생산되는 단량체의 질량이 공정에 들어가는 플라스틱 폐기물의 질량을 초과할 수 있습니다. Novoloop는 ATOD 공정을 사용하여 100% 수율을 재현 가능하게 초과할 수 있음을 입증했습니다." "폴리에틸렌을 소화하여 단량체를 만든 후, 추가 처리를 위해 순수 품질의 단량체를 수확할 수 있는 강력한 정제 공정을 구현합니다. 순수 품질의 단량체로 중간체와 중합체를 만들기 때문에 제품의 품질은 고성능이며 일관적입니다."

E&I: ATOD는 얼마나 효과적인가요?

미란다 왕: “ATOD는 폴리에틸렌을 3~4시간 동안 소화하여 성능 소재를 위한 화학적 단량체를 안정적으로 만듭니다. 우리는 이 화학 공정을 다양한 규모로 실험실에서 1,000회 이상 성공적으로 실행했으며, 3개의 별도 계약 제조업체에서 성공적으로 복제했습니다. 지금은 이를 위한 연속 통합 파일럿 플랜트와 비용 경쟁력 있는 운영을 가능하게 하는 지원 시스템을 구축하고 있습니다.”

E&I: ATOD의 독특한 점은 무엇인가요?

미란다 왕: "기존 재활용 솔루션과 차별화되는 점은 일반 플라스틱 폐기물을 40배 더 가치 있는 순수 품질 성능 소재로 업그레이드할 수 있는 능력입니다. 우리는 화석 기반 순수 소재와 동등한 품질과 가격으로 화학적으로 업사이클된 제품을 제공하는 동시에 상당한 탄소 감소를 제공합니다. Novoloop은 전 세계적으로 51개의 특허를 보유하고 있으며 다른 화학적 재활용에 비해 독보적인 이점을 가지고 있습니다."

“Novoloop은 디카르복실산 모노머, 폴리올 중간체, 열가소성 폴리우레탄 수지 등 다양한 제품을 제공합니다. 이러한 제품은 모두 ATOD 기술을 사용하여 Lifecycling 사후 소비자 폴리에틸렌을 통해 만들어집니다. 당사의 모노머와 중간체는 다양한 폴리우레탄, 코팅, 나일론을 포함하여 총 주소 지정 가능 시장이 1,400억 달러인 제품을 만드는 데 사용할 수 있습니다.”

E&I: 귀사의 공정은 산업적 규모로 어떻게 구현될 예정인가요?

미란다 왕: "우리는 그 지역의 플라스틱 폐기물을 단량체로 변환하기 위해 전 세계에 화학 작업(공장)을 건설하고 있습니다. 그런 다음 업계의 기존 용량 네트워크와 협력하여 이러한 단량체를 다양한 화학 및 성능 소재 제품으로 다시 구축하여 전 세계에 판매합니다. 우리는 첫 번째 상업 공장을 계획하는 초기 단계에 있습니다. 잠정적인 일정은 2027년에 첫 번째 프로젝트를 가동할 예정입니다."

E&I: 귀하의 공정과 공장에 대해 어떤 환경적 고려 사항을 두었습니까? 공장이 가동되면 어떤 의미가 있습니까?

미란다 왕: "ISO 규정을 준수하는 수명 주기 평가에 따르면, 20,000미터톤(플라스틱 흡입 용량)의 배치는 우리의 영향을 증가시켜, 추가로 20,000톤의 플라스틱 폐기물을 분산시키고, 120,000톤의 탄소 배출을 방지하며, 연간 66,000L(약 17,435갤런)의 물을 절약합니다. Novoloop는 주요 폐기물을 회수하여 시스템으로 다시 재활용합니다."

절실한 도전

플라스틱 산업의 성장률과 현재 재활용 접근 방식의 상대적 비효과성을 감안할 때, 폐기물 없는 세상이라는 생각에 낙담하기 쉽습니다. 그러나 Novoloop이 새롭고 혁신적인 접근 방식으로 재활용 산업에 진출한 것은 인류가 글로벌 쓰레기 문제를 해결하는 새로운 방법을 적응하고 개발할 수 있는 능력이 고갈되지 않았다는 것을 보여줍니다.

*Robin Whitlock is an England-based freelance journalist specializing in environmental issues, climate change, and renewable energy, with a variety of other professional interests, including green transportation.