탄소를 플라스틱으로 변환하여 격리하는 방법

원문 링크 : https://www.theearthandi.org/post/how-to-sequester-carbon-by-turning-it-into-plastic

이 프로세스를 대규모로 달성할 수 있는가?

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현대 세계에서 널리 쓰이는 인공 요소인 플라스틱은 인간 사회에 엄청난 혜택을 주었습니다. 플라스틱은 현재 식품 포장, 자전거 헬멧, 차량 에어백, 휴대전화, 컴퓨터, 지붕, 단열재, 의료 분야의 멸균 포장 등 거의 모든 용도로 사용됩니다.

그러나 플라스틱은 기후 변화의 원인으로 지목되기도 하는데, 플라스틱 생산으로 인해 온실 가스가 배출되기 때문입니다.

그러면 이런 의문이 제기된다. 기후 변화를 악화시키지 않는 방식으로 플라스틱을 생산할 수 있을까?

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어떤 사람들은 플라스틱 의 다양한 유형을 알지 못한 채 플라스틱을 단일 물질로 볼 가능성이 높습니다 . 플라스틱에 대한 공통된 이해를 얻으려면 차이점을 이해하는 것이 중요합니다.

플라스틱(또는 폴리머)은 수백 가지의 다른 유형을 포함하는 포괄적인 용어입니다. 대부분의 사람들은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)와 같이 식품 포장 및 폴리에스터 원단에 자주 사용되는 것, 고밀도 및 저밀도 폴리에틸렌, 폴리염화비닐(PVC), 폴리프로필렌, 폴리스티렌(스티로폼이라고도 함)과 같이 소수의 플라스틱만 사용합니다.

PVC와 폴리스티렌은 전체 수명주기에 걸쳐 환경으로 독소를 침출할 수 있다는 심각한 부작용이 이미 발견되었다는 점에 유의하는 것이 중요합니다.

플라스틱의 또 다른 바람직하지 않은 특징은 플라스틱이 화석 연료에서 생산된다는 것입니다. 따라서 플라스틱 생산은 인위적인(인간이 만든) 기후 변화의 주요 원인입니다.

화석 연료에 대한 의존도를 줄이기 위한 한 가지 가능한 해결책은 이산화탄소(CO2)에서 직접 플라스틱을 생산하는 것입니다. 이를 통해 대기 중의 CO2 존재를 줄이고 기후 변화에 대응하는 데 도움이 됩니다.

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기존 플라스틱 생산

플라스틱은 주로 석유와 천연 가스와 같은 화석 연료 나 식물(바이오 플라스틱의 경우)로 만들어집니다. 이러한 원료는 에탄이나 프로판으로 정제된 후 "크래킹"이라는 공정에서 높은 수준의 열에 노출됩니다. 크래킹은 이를 에틸렌과 프로필렌과 같은 단량체로 전환합니다. 그런 다음 이러한 단량체를 촉매와 결합하여 분말처럼 보이는 중합체 "플러프"를 만듭니다. 이 분말 중합체는 압출기에 공급되어 녹고 파이프를 통해 흐르면서 냉각되면서 긴 튜브를 형성합니다. 그런 다음 튜브를 조각으로 잘라 펠릿을 형성하고 펠릿은 공장으로 보내져 제품으로 만들어집니다.

바이오플라스틱은 기후 변화에 대한 해결책이 아니다

바이오플라스틱은 플라스틱 생산을 위한 화석 연료 사용에 대한 실행 가능한 대안으로 보일 수 있습니다. 최근 몇 년 동안 이에 대한 논의가 많이 있었는데, 감자로 만든 일회용 칼이나 옥수수로 만든 플라스틱 병과 같은 것을 생산하기 위해 폴리락타이드(PLA)와 같은 바이오플라스틱을 사용하는 것에 초점을 맞추었습니다.

그러나 바이오플라스틱은 실제로 실행 가능한 솔루션이 아닙니다 . 우선, 바이오플라스틱은 쉽게 생분해되지 않으며 일반적으로 가공 또는 재활용을 위해 산업용 퇴비화기에 넣어야 합니다. 바이오플라스틱 생산에는 또한 상당히 에너지 집약적이며, 일부 바이오플라스틱은 이러한 이유로 일반 플라스틱보다 실제로 탄소 발자국이 더 큽니다. 셰필드 대학의 연구자들은 비료 비용, 운송 및 수확을 고려할 때 바이오플라스틱이 최악의 선택이며, 그 부정적인 영향은 화석 연료로 만든 것보다 더 크다는 것을 발견했습니다. 게다가 바이오플라스틱을 생산하는 데 사용되는 물과 비료는 강과 하구의 부영양화와 오염에 기여할 수 있습니다.

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플라스틱 생산을 위한 CO2 활용

이산화탄소(CO2)를 플라스틱으로 전환하려면 두 가지가 필요합니다. 포집된 CO2의 대량 저장소와 여러 개의 영리하게 설계된 촉매입니다. 촉매는 어떤 식으로든 영향을 받지 않고 화학 반응을 일으키는 물질 또는 화학 물질입니다. 많은 금속을 촉매로 사용할 수 있지만, CO2를 플라스틱으로 전환하려고 할 때 구리가 특히 유용합니다.

영국 이산화탄소 활용 센터(CDUUK)의 피터 스티링 교수에 따르면, 현재 잠재적인 플라스틱 생산에 사용할 수 있는 탄소의 대부분은 수소 생산에서 나오지만, 연구자들은 산업 배출물의 포집도 조사하고 있습니다. CDUUK는 CO2에서 폴리아크릴아마이드(나일론)를 만드는 방법을 발견했습니다.

현재 전 세계 여러 곳에서 CO2를 플라스틱으로 전환하는 데 필요한 공정을 개발하기 위한 여러 연구 프로젝트가 진행 중입니다. 현재 전 세계 플라스틱의 약 절반이 에틸렌으로 만들어졌다는 점을 감안할 때, 이러한 프로젝트 중 일부는 CO2에서 에틸렌을 만드는 방법을 조사하고 있으며, 이를 플라스틱으로 전환할 수 있습니다.

뉴저지(미국)의 러트거스 대학에서 과학자들은 니켈과 인을 함유한 특수 전기 촉매를 CO2와 물, 전기를 결합하는 공정에 사용하고 있습니다. 그러면 복잡한 탄소 함유 분자가 생성되고, 이를 사용하여 플라스틱과 기타 제품을 생산할 수 있습니다. 연구팀은 이를 "인공 광합성"의 한 형태라고 설명합니다.

웨일즈의 스완지 대학교 에너지 안전 연구소와 토론토 대학교의 테드 사전트 그룹 에서는 CO2와 물, 전기의 결합을 조사하고 구리를 촉매로 사용하는 다른 연구 프로젝트가 진행 중입니다.

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독일 회사인 코베스트로 는 CO2가 에폭사이드(고리 모양의 분자로 구성된 유기 화합물인 순환 에테르의 한 형태)와 반응하여 "폴리에테르 폴리카보네이트 폴리올"이라는 화학 물질 계열을 생산할 수 있는 촉매를 설계했습니다. 이러한 물질은 폴리우레탄을 만드는 데 사용할 수 있으며, 독일의 코베스트로 공장은 현재 20% 포집된 이산화탄소를 사용하여 매트리스를 생산하고 있습니다. 영국에서 Econic은 이산화탄소에서 폴리우레탄을 생산하고 있으며 2년 내에 상용화가 가능한 폼 제품, 코팅제, 실런트, 엘라스토머를 생산할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.

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바스 대학의 지속 가능한 화학 기술 센터는 이산화탄소를 크실로스와 같은 당과 결합하여 폴리카보네이트를 생산하고자 합니다.

독일의 프라운호퍼 연구소는 이산화탄소로부터 포름산과 메탄올을 생산한 후, 특히 메탄올영양세균과 효모와 같은 미생물을 통한 발효를 통해 이를 폴리머 및 유사 물질의 생산을 위한 구성 요소로 전환했습니다.

두 가지 공정이 사용되었습니다. 이종 화학 촉매는 CO2를 메탄올로 전환하는 데 사용되었고, 전기화학은 또한 CO2에서 포름산을 생산하는 데 사용되었습니다. 메탄올과 포름산은 폴리머 블록을 만드는 데 사용될 수 있으며, 다른 미생물에 "먹이"를 주어 다른 제품을 생산하는 데 사용될 수도 있습니다. 이 프로젝트에서 연구자들은 미생물에 유전자를 도입하여 효소에 대한 청사진을 제공했습니다. 이 공정은 대사 공학이라고 알려져 있습니다. 효소는 이후 촉매로 사용될 수 있습니다.

정부의 개입

미국에서는 에너지부(DOE) 화석 에너지 및 탄소 관리국도 CO2에서 플라스틱을 생산하는 연구에 참여했습니다. 2013년에 이 기관은 폐CO2를 사용하여 세계 최초로 폴리프로필렌 카보네이트(PPC) 폴리머를 대량으로 생산하는 데 자금을 지원했다고 발표했습니다 .

이 프로젝트는 실제로 Novomer Inc.가 Albemarle Corporation과 협력하여 사우스캐롤라이나주 오렌지버그에 있는 제조 공장을 사용하여 수행했습니다. Novomer의 촉매 기술 확장을 테스트한 결과, 회사의 기존 시설에 사소한 수정만 하면 40% 이상의 CO2를 함유한 7톤의 폴리머를 생산할 수 있다는 것을 발견했습니다.

화석 에너지 사무소는 National Energy Technology Laboratory에서 관리하는 Carbon Capture and Storage 프로그램을 통해 포집된 CO2를 제품으로 전환하는 다른 접근 방식에 관여하고 있습니다 . Novomer는 이 프로젝트를 계속하는 것으로 보이며,

Packaging Europe 웹사이트에 따르면, 다른 회사들도 이 연구 분야에 참여하고 있습니다 .

CO2로 인한 플라스틱 생산의 예상 영향

Fraunhofer의 연구팀이 사용하는 프로세스는 중장기적으로, 예를 들어 10년 정도에 걸쳐 구현할 수 있지만, 업계는 더 빨리 구현할 수 있는 다른 프로세스를 찾아야 하는 압박을 받고 있습니다. 그러나 IDTechEx는 이 부문이 확장될 것으로 예상하지만 탄소 배출을 줄이는 이 접근 방식의 잠재력은 제한적이라고 봅니다 . 핵심 요구 사항은 이러한 탄소 활용 전략에 CO2를 공급하기 위한 탄소 포집 인프라의 확장입니다.

그러나 이러한 프로세스는 업계와 일부 연구 기관이 주장하는 만큼 효과적이지 않을 수 있습니다. 일부 환경 기관은 탄소 포집 및 저장(CCS)이 실행 가능한 솔루션으로 입증되지 않았으며 운영 중인 프로젝트는 비효율적이고 비용이 많이 든다고 경고합니다. 이것이 사실로 판명되면 연구자들은 배출량을 줄이기 위한 새로운 방법을 계속 찾아야 할 것입니다.

*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.