지속가능성
고분자 편집을 위한 CRISPR, 전 세계 재활용 노력을 재구성할 수 있다
Securities.io를 Google의 선호 소스에 추가
플라스틱 재활용의 잠금 해제
플라스틱은 1960년대 제조업에서 널리 채택된 뒤 일상 전반에 자리 잡았습니다. 그러나 관리되지 않은 폐플라스틱은 심각한 오염원이기도 하며, 전 세계 환경에서 발견되는 작은 파편인 미세플라스틱 문제를 일으킵니다.
미세플라스틱은 생물학적 체계에 영향을 줄 수 있으며, 연구에서는 항생제와의 상호작용 등을 조사했습니다. 입자는 인체 조직에서 보고됐고 해양 생물도 섭취합니다. 입자의 검출은 노출을 보여 주지만, 그 자체로 특정 질병이나 임상 위험을 입증하지는 않습니다.
기존 미세플라스틱 오염에 대응하기 위해 측정과 제품 설계 개선, 용매를 이용한 분리, 레이저 또는 광촉매를 이용한 전환 등이 연구되고 있습니다. 각 방법은 서로 다른 폐기물 흐름을 대상으로 하며 규모 확대나 경제성이 보장되지는 않습니다.
ExxonMobil을 포함한 플라스틱 생산자의 재활용 홍보 방식 (XOM )은 소송을 통해 문제 제기를 받았습니다. 소송의 주장은 최종 판결과 구분해야 합니다.
플라스틱 오염 대책 상당수는 비용과 특수 인프라를 필요로 합니다. 업사이클링은 폐기물의 가치를 높여 수거 유인을 만들 수 있지만, 실제 경제성은 선별, 전처리, 에너지, 용매, 촉매, 제품 품질과 시장 수요에 달려 있습니다.
오크리지 국립연구소(ORNL) 연구진은 일부 폐고분자를 새로운 재료의 첨가제로 사용하는 방법을 연구했습니다. 결과는 Journal of the American Chemical Society에 「Polyalkenamers as Drop-In Additives for Ring-Opening Metathesis Polymerization: A Promising Upcycling Paradigm」1이라는 제목으로 발표됐습니다. 이는 특정 고분자에 대한 실험실 규모의 개념 증명이지 모든 플라스틱에 적용되는 재활용 공정은 아닙니다.
전통적인 재활용이 충분하지 않은 이유는 무엇인가?
플라스틱은 이미 재활용되지만 기계적 재활용은 반복적인 용융과 가공 과정에서 재료를 열화시킬 수 있습니다. 연구진은 이를 단순화해 “녹인 뒤 잘되기를 바라는 방식”이라고 표현했습니다.
열, 산화, 서로 다른 등급의 혼합과 오염은 고분자 사슬을 짧게 만들거나 변화시킬 수 있습니다. 그 결과 강도, 색상, 내구성이 낮아질 수 있지만, 정도는 플라스틱 종류와 공정 관리에 따라 달라집니다.
일부 플라스틱은 여러 차례 기계적으로 재활용할 수 있으나 품질 저하와 첨가제가 반복 횟수를 제한합니다. 적절한 선별, 안정화와 용도 선택은 수명을 연장할 수 있습니다.
열경화성 수지, 다층 재료, 오염된 폐기물과 일부 탄성체는 특히 기계적 재활용이 어려워 소각 또는 매립되는 경우가 많습니다.
ORNL은 전 세계 플라스틱 폐기물의 약 9%가 재활용된다는 추정치를 인용했습니다. 비율은 국가, 고분자, 정의와 연도에 따라 달라지며, 지금까지 생산된 모든 플라스틱의 비율과 혼동해서는 안 됩니다.
재활용 대신 업사이클링
“업사이클링”은 폐기물 흐름보다 더 높은 가치나 유용한 성능을 가진 제품을 만들려는 접근입니다. 모든 특성에서 원료 수지보다 우수하다는 뜻은 아닙니다.
ORNL 방법은 고분자 사슬의 반응을 제어합니다. DNA를 편집하는 CRISPR와의 비교는 설명을 위한 비유일 뿐, 화학적 메타세시스가 생물학적 유전자 편집이라는 뜻은 아닙니다.
연구진은 고무 제품에 쓰이는 폴리부타디엔과 완구, 키보드, 배관, 보호 장비, 자동차 부품, 가전제품 등에 쓰이는 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS)을 사용했습니다. 이 폐기물은 재활용률이 낮지만 연구가 모든 완제품을 직접 시험한 것은 아닙니다.
“이 기술은 폐기물 흐름의 상당 부분을 다룹니다. 현재 매립되는 재료의 질량과 에너지를 보존한다는 점만으로도 큰 영향을 줄 수 있습니다.”
Jeffrey Foster, Alvin M. Weinberg Distinguished Staff Fellow
조사된 반응은 높은 “원자 경제성”을 보였으며, 폴리알케나머가 합성 재료에 정량적으로 포함됐습니다. 이는 혼합 폐기물 전체를 손실이나 전처리 없이 회수한다는 의미가 아닙니다.
작동 원리
폐고분자는 개환 메타세시스 중합에서 사슬 전달 성분으로 사용돼 새 재료의 분자량, 조성과 성능에 영향을 주었습니다.
연구진은 합성 또는 상업용 폴리부타디엔과 ABS를 잘게 자르고 디클로로메탄에 용해했습니다. 반응은 40°C에서 두 시간 미만 진행됐습니다. 디클로로메탄은 휘발성과 유해성이 있는 용매이므로 규모 확대 시 회수, 배출 관리와 더 안전한 대체 용매가 중요합니다.
중합에는 루테늄 촉매가 사용됐습니다. 메타세시스 화학에서 잘 알려진 촉매지만, 산업 공정에서는 가격, 금속 회수, 잔류량과 수명을 평가해야 합니다.
촉매는 이중결합의 절단과 형성을 촉진해 고분자 조각이 교환되고 성장 사슬에 들어가게 합니다. 루테늄 원자가 플라스틱 조각을 문자 그대로 “운반”하는 것은 아니며, 이는 단순화된 설명입니다.
메타세시스는 탄소-탄소 이중결합 주변의 결합을 재배열합니다. 사슬에 반응성 작용기가 있어야 하지만, 그것만으로 모든 플라스틱에서 높은 전환율이 보장되지는 않습니다.
개환 메타세시스 중합은 고리형 올레핀을 열어 고분자 사슬을 만듭니다. 교차 메타세시스는 불포화 분자 사이의 조각을 교환할 수 있습니다. 이 연구에서는 폐고분자가 새 공중합체의 사슬 전달제와 첨가제로 작용했습니다.
출처: Sigma Aldrich
연구는 중합 최적화, 핵자기공명(NMR)을 이용한 실시간 반응 분석, 최종 재료의 기계적·열적 특성 시험을 결합했습니다.
강력한 결과
ORNL은 이 실험실 공정이 기존 재활용보다 에너지를 적게 쓰고 배출량도 낮다고 설명했습니다. 이 주장은 용매 회수, 촉매, 전처리와 폐기물을 포함한 산업 규모의 비교 가능한 전과정평가로 확인할 필요가 있습니다.
합성된 재료는 폐고분자의 일부 특성을 이어받아 유망한 열·기계적 성능을 보였습니다. “더 우수하다”는 평가는 비교 대상과 특성에 따라 달라지며, 모든 용도에서 우월함을 입증한 것은 아닙니다.
플라스틱 업사이클링의 다음 단계
모든 플라스틱 업사이클링
이 방법은 폴리부타디엔과 ABS 같은 폴리알케나머를 특정 ROMP 반응의 사슬 전달제로 사용하는 데서 입증됐습니다. 다른 고분자로 확대하려면 적절한 반응성 작용기가 필요하며, 환경 부담이 더 낮은 용매도 중요한 연구 과제입니다.
“이 개념은 반응할 수 있는 주사슬 작용기를 가진 모든 고분자로 확장할 수 있다는 것이 우리의 비전입니다.
규모를 키우고 다른 첨가제로 확장할 수 있다면, 더 넓은 종류의 폐기물을 분자 빌딩 블록으로 활용해 처리하기 어려운 플라스틱의 환경 영향을 크게 줄일 수 있습니다.”
Jeffrey Foster, Alvin M. Weinberg Distinguished Staff Fellow
공정 경제성은 아직 입증되지 않았습니다. 낮은 반응 온도와 짧은 시간은 유리하지만 선별, 용매, 루테늄, 정제, 안전, 설비와 품질 관리 비용이 중요합니다.
플라스틱을 넘어
원리는 다른 불포화 고분자와 화학 원료에 연구할 수 있지만, 각각의 폐기물 흐름은 별도 검증이 필요합니다.
연구진은 에폭시, 가황 고무, 폴리우레탄과 실리콘을 포함한 열경화성 수지로 연구를 확장하는 데 관심을 보였습니다. 이는 향후 연구 목표이며, 발표된 연구에서 이미 입증한 결과는 아닙니다.
열경화성 재료는 가교 구조 때문에 경화된 뒤 일반적으로 다시 녹이거나 성형할 수 없어 기존 방식의 재활용이 어렵습니다.
연구진은 메타세시스 화학과 다른 첨가제를 새 열경화성 재료에 활용할 수 있는지 조사할 계획입니다. 현재 연구는 경화된 가교 열경화성 폐기물을 같은 공정으로 이미 재활용할 수 있음을 보여 주지 않습니다.
조절 가능한 중합은 더 유연하거나 쉽게 경화되는 등 다른 특성의 재료를 만들 수 있습니다. 성능은 강도, 수명, 독성, 재활용성, 비용 요건에 맞춰 검증해야 합니다.
결론
업사이클링은 일부 플라스틱 폐기물의 가치를 높여 수거 유인을 강화할 수 있습니다. 그러나 혼합, 오염, 제품 설계와 낮은 세계 재활용률 문제를 단독으로 해결하지는 못합니다.
플라스틱 사용 감축, 수거 개선, 미세플라스틱 제거, 바이오 기반 또는 순환형 재료(「상위 5개 바이오플라스틱 기업」 참조), 기계적·용매 기반·화학적 재활용이 함께 해법을 구성할 수 있습니다.
순환경제의 목표는 신규 자원 투입, 폐기물, 배출과 환경 유출을 줄이는 것입니다. “더 자원 집약적”이어야 하는 것이 아니며, 순효과는 전 생애주기로 평가해야 합니다.
재활용 기업
PureCycle Technologies
PCT 가격 차트
PureCycle Technologies는 폴리프로필렌(PP) 폐기물에서 냄새, 색과 오염물질을 줄인 재생 PP를 생산하는 용매 기반 정제 기술을 개발하고 있습니다.
회사는 Procter & Gamble이 개발한 라이선스 정제 공정을 사용해 PP 원료에서 색, 냄새와 오염물질을 분리합니다. ORNL 방법과 같은 방식으로 폐기물을 재중합하는 공정은 아닙니다.
이 공정은 기계적 재용융과 다르고 일부 불순물을 처리할 수 있지만, 제품 품질은 여전히 원료, 선별, 운전 상태와 고객 인증에 좌우됩니다.
화학적 재활용과 용매 기반 정제에는 에너지, 배출과 비용 특성이 매우 다른 여러 공정이 포함됩니다. 비교 가능한 전과정평가 없이 모두 비경제적이거나 친환경적이라고 일반화할 수 없습니다.
PureCycle은 특정 용도와 원료 조건에 대해 FDA의 이의 없음 서한을 받았습니다. 모든 제품에 대한 포괄적 FDA 승인이 아니며, 각 식품 접촉 및 포장 용도는 관련 요건과 고객 인증을 충족해야 합니다.
회사는 의뢰한 전과정평가를 근거로 원료 PP보다 에너지 사용과 온실가스 배출이 낮다고 설명했습니다. 79%와 35% 같은 수치는 모델 가정, 공장 가동률과 시스템 경계에 좌우되며 ORNL 연구 결과가 아닙니다.
Ironton 시설은 2023년 6월 첫 펠릿을 생산했으나 상업 규모 증산은 길고 어려운 과정이었습니다. 회사는 2026년 1분기에 840만 파운드의 분기 최고 생산량을 보고하고 신뢰성, 생산 속도와 품질을 개선하기 위한 정기 보수를 진행했습니다.
PureCycle은 추가 확장을 계획하지만 일정, 자금 조달과 지역은 바뀌어 왔습니다. 2026년 회사는 태국 시설의 2028년 가동을 계획했습니다. 투자자는 북미, 유럽, 일본, 한국 또는 2027년 총생산능력에 대한 과거 목표보다 최신 공시를 확인해야 합니다. SK geo centric과의 협력도 완공된 생산능력을 뜻하지 않습니다.
2024년 3분기 350만 파운드 생산은 당시의 증산 이정표였습니다. 이후 분기 생산량은 더 높아졌지만, 간헐적 기록이 안정적인 설계 생산능력, 양의 마진 또는 수익성을 입증하지는 않습니다.
PureCycle은 고도 PP 정제에 대한 상장사 투자 기회를 제공하지만 투기적입니다. 주요 위험은 Ironton의 증산과 가동률, 품질, 고객 인증, PP 가격, 원료, 현금 소진, 부채, 자금 조달, 희석, 신규 시설, 규제와 경쟁입니다. ORNL 연구는 별개이며 PureCycle이 해당 방법에 대한 권리를 가진다는 근거는 없습니다.
연구 참고:
1. Jeffrey C. Foster, et al. (2024) Polyalkenamers as Drop-In Additives for Ring-Opening Metathesis Polymerization: A Promising Upcycling Paradigm. Journal of the American Chemical Society 146 (48), 33084–33092. DOI: 10.1021/jacs.4c10588
