▲ 다양한 재질로 구성된 폐섬유나 폐플라스틱으로부터 색소(염료·안료)를 제거하여 폴리에스터(PET) 재질을 선택적으로 분리하는 과정

국내 연구진이 심각한 환경오염을 일으키는 주범 중 하나인 폐합성섬유를 화학적으로 선별해 플라스틱 원료인 단량체로 전환하는 기술을 개발했다.

한국화학연구원(원장 이미혜) 조정모 박사 연구팀은 폐의류 내 염료의 화학적 성질을 이용해 재활용 원료를 분리할 수 있는 선별 기술과 선별한 폐합성섬유를 합성 이전의 단량체 원료로 되돌리는 화학적 재활용 기술을 동시에 개발했다고 18일 밝혔다.

버려졌던 폐의류를 화학적으로 재활용하는 자원 순환형 기술인 이번 개발 기술은 유색섬유나 혼방섬유를 합성 이전의 원료로 전환할 수 있어 의류 폐기물 발생량을 획기적으로 감소시킬 수 있다.

의류산업에 의해 배출되는 온실가스는 지구 전체 배출량의 10%를 차지한다. 글로벌 의류 생산량은 매년 증가하고, 대부분 소각되거나 버려져 환경을 위협하고 있다. 특히 의류 생산량의 60% 이상을 차지하는 합성섬유는 플라스틱처럼 잘 썩지 않아 환경오염의 주범이다.

섬유 폐기물은 별도 수거 방법 없이 여러 재질이 혼합 폐기되고 있어, 재활용을 위해서는 재질별로 분류해야 한다. 이 작업은 대부분 수작업으로 이뤄지거나, 물에 뜨고 가라앉는 것으로 구분하는 등 매우 비효율적이며, 분류 후 여전히 각종 이물질이 포함된 경우가 많아 물리 또는 화학적 재활용에 한계가 있다.

이에 연구팀은 특정 소재에만 선택적으로 작용하는 저가의 화합물을 활용하여 혼합 폐섬유로부터 ‘폴리에스터(PET)’ 소재만을 골라내는 ‘화학적 선별 기술’과, 분류된 폴리에스터 섬유를 저온 분해하여 합성 이전의 단량체 원료로 되돌리는 ‘화학적 재활용 기술’을 동시 개발했다.

연구팀이 개발한, 오직 폴리에스터에만 작용하는 ‘추출제’를 혼합 폐섬유에 접촉해 색 변화가 일어나는 폴리에스터 섬유을 골라내는 방식이다. 혼합 폐섬유로부터 먼저 색이 있는 섬유만 구분하고, 연구팀이 개발한 추출제를 적용해 탈색이 일어나는 섬유만을 폴리에스터로 판별해 분리할 수 있다. 이때 발생하는 염료 폐액을 원래 색이 없었던 섬유에 적용 시 상기 과정과 반대로 염색이 일어나는 섬유만을 폴리에스터로 분리하는 방식이 사용된다.

이 방식은 오차율이 매우 낮고, 기존에는 분리가 어려웠던 염료까지 제거가 가능해 고품질 폴리에스터 소재만을 선별할 수 있다. 또한 폐섬유 선별 및 탈염료화 과정에 생분해성 화합물이 사용되고, 사용 후 염료가 포함된 추출제 또한 회수 후 재사용하는 등, 경제적이고 자연 친화적인 선별기술이다.

더불어, 연구팀에서는 유색 폐PET나 폐폴리에스터 섬유를 빠르게 분해하여 고부가 단량체를 제조할 수 있는 저온 글라이콜리시스 반응 기술 개발에 성공했다. 본 기술은 200℃ 이상 고온 조건의 폐PET 분해공정과 달리 150℃의 저온 반응에서도 원료의 구조나 형태에 상관없이 2시간 이내 완전히 분해할 수 있다.

이를 화학적 선별기술을 연계하면 반응 및 정제의 부담을 크게 줄일 수 있을 뿐만 아니라 에너지 사용량도 획기적으로 낮출 수 있어, 기술 상용화에 높은 경쟁력을 갖출 수 있을 것으로 전망했다.

화학연 이미혜 원장은 “이번 성과는 그동안 재활용이 어려웠던 저급 유색 폐섬유까지 고품질 단량체 제조를 위한 원료로 적용할 수 있어서, 의류 폐기물 발생량을 획기적으로 감소시킬 수 있는 자원 순환형 재활용 기술이 될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

화학연은 관련 기술을 ㈜리뉴시스템에 이전해 해중합 설비 구축 및 상용화를 추진하고 있다. 2024년 말까지 PET 처리 기준 연간 10,000톤 규모의 실증 플랜트 구축을 추진하고 있으며, 2025년부터 본격적인 재생 단량체의 양산 돌입과 함께 세계시장 진출을 위한 초석 마련에 힘쓰고 있다.