플라스틱 재활용이 레이저의 도움으로 더 쉬워진다

전 세계적으로 증가하는 오염 수준은 저비용 재활용 서비스에 대한 수요를 지속적으로 촉진하고 있습니다. 안타깝게도 플라스틱 오염 물질은 다른 폐기물처럼 매립지에서 분해되지 않아 전 세계적으로 대규모 축적을 초래합니다. 다행히도 혁신적인 엔지니어 그룹이 이번 달에 플라스틱 폐기물을 보다 효율적으로 재활용할 수 있는 혁신적인 레이저 기반 시스템을 입증하는 연구를 발표했습니다. 알아야 할 내용은 다음과 같습니다.

플라스틱 오염

세계는 플라스틱 폐기물 관리를 위한 지속 가능한 해결책이 필요합니다. 플라스틱은 분해가 매우 어려워 매립지나 쓰레기 더미에 오래 머무르며 서서히 부패하고 환경을 파괴합니다. 이러한 오염 물질은 식수, 동물 및 식품 사슬의 다른 중요한 지점에서도 계속 나타납니다.

플라스틱 재활용 연구

최신 연구는 플라스틱을 유해하게 만들고 환경에서 분해되는 데 오랜 시간이 걸리는 화학 결합을 분해하기 위해 레이저를 활용하는 방법을 탐구합니다. 보고서는 이러한 레이저가 플라스틱 내 특정 분자를 분해하여 재사용 가능한 물질로 전환할 수 있음을 보여줍니다. 구체적으로, 팀은 C-H 활성화라는 과정을 이용해 고체 기판에 포획된 발광 탄소점(CD)을 만들었습니다.

플라스틱 재활용이 레이저의 도움으로 더 쉬워진다

C-H 활성화

C-H 활성화는 과학자들이 유기 분자 내 탄소-수소 결합을 분해할 수 있게 하는 혁신적인 화학 공정입니다. 이러한 결합은 구성에 따라 특정하게 표적화될 수 있어, 재사용 가능한 CD와 같은 기본 구성 요소로 선택적으로 합성될 수 있습니다.
C-H 활성화 과정은 특정 간격과 주파수로 저출력 광선을 도입합니다. 이러한 광선은 플라스틱을 생분해되지 않게 만드는 화학 결합을 분해하고 새로운 결합을 형성합니다. 구체적으로, 이 연구는 유기 장쇄 사중 암모늄 계면활성제를 발광 CD로 분해하는 방법을 조사하여 오염 감소, 재료 과학, 유기 화학 및 생물 의학 등 다양한 분야에서 새로운 기회를 열어줍니다.

탄소 기반 나노물질

탄소 기반 나노물질은 여러 이유로 폐플라스틱을 전환하는 이상적인 제품입니다. 첫째, 이 물질은 칩보드, 메모리 저장 장치 및 컴퓨터 산업의 다른 핵심 요소와 같은 고급 전자 부품을 만드는 데 사용될 수 있습니다. 이러한 물질은 높은 수요가 있으며 오늘날의 첨단 장치에 필수적입니다.

밀도 함수 이론 (DFT) 계산

연구원들은 전환 과정을 예측하고 사용되는 빛과 주파수의 양을 미세 조정하기 위해 밀도 함수 이론 계산의 변형을 개발했습니다. 엔지니어들에 따르면, DFT 계산은 VASP 코드를 기반으로 하며, 여기서 원자가 전자는 평면파 기반 집합의 Kohn‑Sham 파동 함수로 고려됩니다. 이 접근법을 통해 팀은 테스트를 다시 실행할 필요 없이 과정의 오류와 결함을 파악할 수 있었습니다. 구체적으로, 산화 상태와 오류가 수소 흡착 및 C–H 활성화 과정에 어떻게 영향을 미치는지를 결정할 수 있었습니다.

시험 단계

과학자는 고체 CTAC의 얇은 층을 만들면서 시험을 시작했습니다. 이 층은 이후 단층 WSe2로 코팅되었습니다. 특히, 이 코팅은 화학 기상 증착(CVD) 방법을 사용해 실험을 위해 특별히 성장되었습니다. 전이 금속 이칼코겐화물이라고 불리는 이 층들은 저출력 연속파 레이저 조사에 노출되면 화학 반응을 촉진합니다. 팀은 약 0.2~5 mW 범위의 다양한 레이저를 사용했습니다.

변화 모니터링

엔지니어들은 여러 다른 조명 상황에서 과정을 시도했습니다. 특히, ×100 오일 객관 렌즈를 사용한 Nikon TiE 역현미경과 12 V, 100 W 등급의 할로겐 백색광원이 실험을 가능하게 했습니다. 또한, 팀은 레이저 조사 추적을 성공적으로 수행하기 위해 다크 필드 콘덴서(NA 1.20–1.43)를 사용했습니다.
사용된 레이저에는 Coherent사의 Genesis MX STM-1 W 연속파 660 nm 레이저(Laser Quantum)가 포함되었습니다. 흥미롭게도, 엔지니어들은 Thorlabs GBE05-A를 사용해 빔을 확장하여 효율성을 높였으며, 이는 시험 중 현미경을 통해 조정되었습니다.

결과는 더 친환경적인 미래에 대한 가능성을 보여줍니다

연구 결과는 산업계에 큰 기대감을 줍니다. 구체적으로, 팀은 장쇄 사중 암모늄 계면활성제인 세틸트리메틸암모늄 클로라이드(CTAC, C19H42ClN)를 2D WSe2 단층 위에 조직적이고 공간적으로 구분된 패턴으로 발광 CD로 전환하는 데 성공했습니다. 이 과정은 최적화되었으며 플라스틱 폐기물 감소에 즉시 적용될 수 있습니다.
프로세스가 효율적으로 완료되었는지 확인하기 위해 과학자들은 근접장 나노스케일 푸리에 변환 적외선 분광법(nano‑FTIR)을 사용해 진행 상황을 모니터링했습니다. 약 1660 cm⁻¹에서 뚜렷한 흡수 밴드를 관찰했으며, 이 범위는 CD 내 C=C 결합의 효율을 높였습니다. 또한, 팀은 Renishaw 시스템을 이용한 라만 스펙트럼 및 매핑을 통해 진행 상황을 추적했습니다. 특히, 라만 스펙트럼은 폐기물에서 CD로의 전환이 완료되었음을 보여주었습니다.

혜택

이 연구가 제공하는 혜택은 많습니다. 플라스틱 오염 물질은 이미 매년 수백만 명의 삶에 영향을 미치는 주요 문제입니다. 기능성 유기 복합체와 화석 연료 폐기물과 같은 환경 오염 물질을 재생 가능한 화학 물질로 합성할 수 있는 능력은 폐기물이 반복적으로 가치 있는 제품이 되는 순환 경제의 문을 엽니다.

보다 효율적

이 과정의 가장 큰 장점 중 하나는 현재 어떤 방법보다도 더 효율적이라는 점입니다. 오늘날 사용되는 기술은 많은 에너지를 필요로 하고 비용이 많이 들며 환경에 추가적인 피해를 줄 수 있습니다. 따라서 이 접근법은 이러한 폐기물을 보다 깨끗하게 재활용할 수 있는 길을 열어줍니다.

유연함

이 연구의 또 다른 큰 장점은 현재 환경을 괴롭히는 다양한 화학 오염 물질에 적용될 수 있다는 점입니다. 연구자들은 이 과정이 방대한 종류의 장쇄 유기 화합물에 적용될 수 있다고 밝혔습니다. 따라서 이 전략은 폴리에틸렌 및 계면활성제와 같은 증가하는 폐기물 종류와 싸우기 위해 전 세계적으로 구현될 수 있습니다.

연구원

플라스틱 오염 물질 연구는 학계와 과학 분야의 가장 뛰어난 인재들을 모았습니다. 이 프로젝트는 Jingang Li가 공동 저술했으며, 캘리포니아 대학교, 일본 도호쿠 대학, 로렌스 버클리 국립 연구소, 펜실베이니아 주립대학, 그리고 베일러 대학교 연구원들의 도움을 받았습니다. 연구 자금은 국립보건원(NIH), 히로세 재단, 중국 국가 자연과학 기금, 미국 국립 과학 재단(NSF), 그리고 일본 학술진흥회로부터 지원받았습니다.

응용

이 기술에는 다양한 응용 분야가 있습니다. 플라스틱 폐기물 감소는 단순한 우려에서 즉각적이고 지속적인 주의가 필요한 중대한 위험으로 변했습니다. 최신 발견은 플라스틱 폐기물을 가치 있고 재사용 가능한 CD로 전환함으로써 이러한 위험을 감소시키는 데 도움을 줍니다. 따라서 광자 재료, 유기 화학, 환경 복원 분야에서 거의 무한에 가까운 응용이 가능합니다.

이 연구로 혜택을 받을 수 있는 기업

시장을 살펴보면, 여러 기업이 이 기술을 즉시 통합함으로써 혜택을 받을 수 있다는 것이 명확합니다. 이 기업들은 오랫동안 폐기물 관리, 재활용 및 환경 개선을 선도해 왔습니다. 따라서 이들은 빠르게 성장하는 분야에 투자자들이 노출될 수 있는 독특한 기회를 제공합니다.

1. Waste Management

WCN 가격 차트

Waste Management (WM ) 은 1987년에 시장에 진입하여 커뮤니티에 폐기물을 보다 효율적으로 처리할 수 있는 방법을 제공하고자 했으며, 회사는 곧 재활용 서비스를 포함하도록 사업을 확대했습니다. 오늘날 텍사스에 본사를 둔 이 기업은 이러한 서비스의 주요 제공업체 중 하나입니다.

포괄적인 폐기물 관리 서비스를 제공하는 선도 기업으로서 Waste Management은 현명하게 자리 잡고 있습니다. 직원 수는 28,000명 이상이며, 재활용, 폐기물 관리, 재생 에너지 및 기타 핵심 시장에서 혁신을 이루었습니다. 특히 2023년 매출은 206억 9천만 달러를 기록했습니다.

트레이더들은 WCN을 강력한 ‘매수’ 대상으로 고려할 수 있습니다. 이 기업은 미국에서 매립 가스‑에너지 서비스의 선도적인 개발자, 소유자 및 운영자이며, 따라서 주식은 5년 수익률이 107.63%에 달하고 있습니다. 특히, IPO 이후 주가는 2,137% 상승했습니다.

2. Waste Connections

WCN 가격 차트

Waste Connections (WCN ) 는 1997년에 시장에 진입했습니다. 원래 캘리포니아에 기반을 두었으나, 전국 서비스를 개선하기 위한 전략의 일환으로 텍사스로 이전했습니다. 오늘날 Waste Connections는 19,000명 이상의 전문가를 고용하고 있으며, 미국 내 폐기물 수집, 운송, 처리 및 재활용 서비스의 주요 제공업체입니다.

특히, Waste Connections가 연구원들이 제시한 새로운 레이저 플라스틱 재활용 시스템을 성공적으로 통합한다면 역량과 매출이 크게 상승할 수 있습니다. 이 업그레이드를 통해 기업은 고객에게 CD를 제공함으로써 추가 수익을 창출할 수 있게 됩니다.

Waste Connections의 시가총액은 468억 5천만 달러 이상이며, 기업은 강력한 ‘보류’ 등급을 받고 있습니다. 이는 기업의 포지셔닝과 수년간 수행한 다수의 대규모 인수 덕분입니다. 안정적인 주식과 높은 상승 잠재력을 찾는 투자자들은 Waste Connections를 고려해야 합니다.

통계가 어두운 그림을 그린다

플라스틱은 세계의 상거래 방식을 혁신했으며 일상 생활의 핵심 요소로 남아 있습니다. 1950년 도입 이후 전문가들은 플라스틱 사용이 기하급수적으로 증가했다고 언급합니다. 안타깝게도 이 플라스틱의 대부분이 폐기물로 남아 있습니다. 환경 연구에 따르면 전 세계는 매년 200만 톤의 플라스틱 오염 물질을 환경에 배출하고 있으며, 이는 이미 순환 중인 70억 톤에 추가됩니다.
이러한 오염 물질이 시장에 진입하는 경로는 명확합니다. 연구에 따르면 플라스틱 폐기물의 최대 50%가 일회용 포장재에서 비롯됩니다. 가장 심각한 점은 분석가들이 향후 몇 년간 오염 수준이 급격히 상승하여 건강 및 환경 위험이 크게 증가할 것으로 예측한다는 것입니다. 안타깝게도 이 상황은 심각한 결과를 초래했습니다.

해양이 고통받는다

해양은 이러한 오염 물질에 특히 취약합니다. 안타깝게도 연간 75~99톤의 플라스틱이 해양으로 유입되어 거대한 쓰레기 섬을 형성하고 치명적인 오염 물질을 유출합니다. 현재 속도로 인간은 매년 330억 파운드(약 150억 톤)의 플라스틱 폐기물을 해양에 배출하고 있습니다. 이번 최신 개발은 이러한 우려를 완화하고 보다 지속 가능한 경제로 전환하는 데 도움이 될 수 있습니다.

전 세계 최대 오염국

모든 국가가 폐기물 문제에 동등하게 책임이 있는 것은 아니라는 사실은 놀라운 일이 아닙니다. 예상대로, 주요 기여국은 거대한 경제 및 제조 부문을 가진 국가들입니다. 2023년 중국은 약 59,079,741 메트릭 톤의 폐기물로 선두를 차지했으며, 미국이 37,825,550톤으로 근소하게 뒤를 이었습니다. 독일, 브라질, 일본도 상위 기여국이지만, 중국과 미국에 비해 규모는 훨씬 작습니다.

팀의 노력

플라스틱 폐기물 감소에 대한 요구는 전 세계 여러 연구팀이 다양한 개념을 제시하도록 이끌었습니다. 이러한 아이디어는 폐기물을 우주로 보내는 것부터 오늘날의 첨단 전자 제품에 재활용하는 것까지 다양합니다. 흥미로운 연구에 따르면 스티로폼 폐기물을 분해하여 가치 있는 전자 부품을 만들 수 있다고 밝혀졌습니다. 스티로폼은 플라스틱 폐기물과 마찬가지로 분해 기간이 길고 야생동물에 위험을 초래하는 큰 문제입니다.

규제

또 다른 중요한 요소는 증가하는 규제 반발입니다. 입법자들은 현재 상황이 지속 가능하지 않다는 것을 인식했습니다. 일회용 플라스틱의 대규모 사용 및 기타 요인으로 인해 근본적인 변화가 필요해졌습니다. 따라서 전 세계적으로 새로운 법률이 도입되었습니다. 예를 들어, 뉴사우스웨일스, 빅토리아, 퀸즐랜드는 2023년에 일회용 사용 금지를 시행했습니다. 현재 캘리포니아는 제조업체가 플라스틱 폐기물 정화에 책임을 지도록 요구하고 있습니다.

플라스틱 폐기물 재활용과 세계 안전 확보

환경에 돌이킬 수 없는 피해를 입힌 플라스틱 폐기물을 가치 있는 CD로 재활용하는 것은 매우 타당합니다. 이 개발은 산업계에 즉각적이고 장기적인 예방 효과를 가져올 수 있습니다. 현재 이 엔지니어 팀은 앞으로 수백만 명의 생명을 구할 잠재력을 가진 발견으로 인정받아 마땅합니다.

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