제10장 플라스틱재활용 소재기술(1)-권성안(환경산업기술원)-신소재경제신문·재료연 공동기획 소재기술백서 2020(33)

제10장 플라스틱재활용 소재기술(1)-권성안(환경산업기술원)-신소재경제신문·재료연 공동기획 소재기술백서 2020(33)

기사등록 2023-05-15 08:42:02

재료연구원이 발행한 ‘소재기술백서’는 해당분야 전문가가 참여해 소재 정보를 체계적으로 정리한 국내 유일의 소재기술백서다. 지난 2009년부터 시작해 총 12번째 발간된 이번 백서의 주제는 ‘포스트 코로나 대응소재’다. 2020년 3월 이후 코로나가 전세계적으로 확산되며 세계 경제 및 사회에 전례 없는 큰 충격을 주고 있다. 포스트 코로나 시대의 거대한 변화를 도약의 기회로 만들기 위한 과학기술 기반의 준비가 필요하다. 이에 소재기술백서 2020는 ‘포스트 코로나 대응 소재기술’을 주제로 방역·의료소재, 언택트 환경·디지털 소재, 친환경·신에너지 소재와 관련한 기술동향을 분석했다. 이에 본지는 재료연구원과 공동기획으로 ‘소재기술백서 2020’를 연재한다.

포스트코로나, 플라스틱 선순환 체계 구축 必

전세계 플라스틱 생산 3.6억톤, 재활용율 14% 그쳐

재생플레이크 펠렛 잉곳 압축플라스틱 등 활용

■ 재활용 플라스틱의 정의 및 분류

1) 재활용 플라스틱의 정의

플라스틱은 지난 수십 년간 가장 많이 생산·활용된 재료 중 하나로, 2018년 기준 전 세계 플라스틱 생산량은 3억 5,900만 톤 Statista. Global plastic production from 1950 to 2018(in million metric tons),에 육박하는 가운데, 플라스틱 폐기물의 재활용 비중은 14~18% 수준인 것으로 알려졌다.

세계 플라스틱 생산량은 지난 10년간 42% 증가해 2017년 기준 3억 4,800만 톤이 생산되었다. 2016년 기준으로 약 2억 4,200만 톤의 플라스틱 폐기물(생산량 대비 72%)이 발생하였으며, 산업계 플라스틱 생산품 중 일회성 포장재가 36%를 차지하였다.

재생 플라스틱은 원료형태 및 재활용 방법에 따라 재생 플레이크, 재생 펠렛, 잉고트(Ingot), 압축 플라스틱으로 구분하고 있으며 세부 물질은 다음 표와 같다.

① PET 또는 PETE

원래 이름은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate)로 불리는 플라스틱 종류이다. 가장 흔하게 볼 수 있는 플라스틱 종류로 페트라고 적혀진 병이다. 페트는 일반 물병이나 음료수병을 만들며, 열에 닿으면 몸에 나쁜 화학 성분이 나오기 때문에 주의가 필요하다. 특히, 계속 사용할 때 세균이 자랄 수 있으므로 한 번 사용하면 다시 쓰지 말고 버리는 것이 좋다.

② HDP 또는 HDPE

고밀도 폴리에틸렌(High Density Polyethylene)으로 불리는 플라스틱 종류로 아기 장난감, 딱딱한 세제 용기 등으로 사용되며, 몸에 나쁜 화학 성분이 따로 없다. 열에 강해서 전자레인지에 사용할 수 있다.

③ PVC

PVC는 폴리염화비닐(Polyvinyl chloride)으로 불리는 플라스틱 종류로 불에 잘 타지 않고 전기적 성질이 좋으며 내약품성이 우수하다. 부드러운 플라스틱 종류로 과일 포장 팩이나 비닐랩을 만들 때 사용되며, 호르몬에 나쁜 영향을 주는 독성 화학물질이 있다.

④ LDPE

LDPE는 저밀도 폴리에틸렌((Low Density Polyethylene)으로 불리는 플라스틱 종류로 비닐봉지나 비닐장갑, 휴대폰 보호필름 등을 만들 때 사용되며, LDPE는 썩지 않아 재활용이 어려운 플라스틱이다.

⑤ PP

PP는 폴리프로필렌(polypropylene)으로 불리는 플라스틱 종류로 인장강도가 우수하며 압축, 충격 강도가 양호하고 표면 강도가 높다. 내열성이 높고 내약품성이 양호하여 플라스틱 컵, 지퍼백, 반찬통, 자동자 부품을 만들 때 사용되며, 높은 열에도 쉽게 녹지 않기 때문에 전자레인지에 사용할 수 있다.

⑥ PS

PS는 폴리스틸렌(Poly Stylene)으로 불리는 플라스틱 종류로 투명도와 치수 안정성이 좋으나 내충격성이 약하다. 플라스틱 숟가락, 포크, 과자 포장에 많이 사용되며, 열을 가하면 발암물질이 발생하며, 음식이나 음료를 오랫동안 보관하면 좋지 않다.

⑦ OTHER

앞에 나온 플라스틱 종류가 아닌 모든 플라스틱 종류를 말한다. OTHER에 속한 플라스틱 중 몸에 나쁜 것도 있고 그렇지 않은 것도 있다. 이들 7가지 물질에 대한 용도 및 독성 등은 다음의 그림과 같다.

■플라스틱 재활용 동향

플라스틱의 재활용은 5R의 감량(Reduce), 재사용(Reuse), 재활용(Recycle), 대체(Replacement), 신규 용도(Resign)로 분류할 수 있으며 대표적인 사례는 다음의 그림과 같다. 앞에서 언급한 플라스틱 종료 7종별 재활용 비율은 다음의 그림과 같다.

세계 플라스틱 포장재 폐기물의 처리현황을 보면 효율적으로 재활용된 비율이 2%, 저급 재활용된 비율이 8%로 나머지 90%의 포장재 폐기물이 매립, 소각, 환경 누출, 공정으로 손실되었다.

■Post 코로나 대응 소재 관점에서의 기술의 중요성 및 전망

한국에서 1인당 플라스틱 쓰레기를 버리는 양이 미국과 영국 다음으로 많은 것으로 확인됐다. 미국 해양보호협회(SEA) 등 합동 연구팀이 최근 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시스’에 공개한 보고서에 따르면, 2016년을 기준으로 한국의 1인당 플라스틱 쓰레기 발생량은 88㎏을 기록했다. 미국(105㎏)과 영국(99㎏)에 이어 세 번째로 많은 양이다. 연구팀은 세계은행의 217개국 쓰레기 발생 데이터를 분석해 다음 결과를 얻었다.

국내 플라스틱 폐기물 발생량 및 매립, 소각, 재활용의 3가지 형태별 처리량의 10년간(2008~2017년) 추이를 살펴보면 플라스틱 발생량의 증가 추세와 맞물려 10년간 연평균 4.1%씩 증가하고 있다.

국내에서의 폐플라스틱 발생량은 2016년 기준으로 전체 약 1,007만 톤으로 그중에서 생활폐기물이 약 517만 톤 이고, 사업장폐기물이 약 438만 톤, 건설폐기물이 약 52만 톤을 차지하고 있으며, 재활용되고 있는 폐플라스틱은 약 50% 수준이다.

2020년 시작된 코로나-19 사태로 사람들이 외출을 꺼리면서 배달과 포장 문화가 또 다른 일상이 된 만큼 플라스틱 사용량 역시 증가하였다. 플라스틱 사용량이 폭발적으로 늘어난 것과 달리 수거업체는 중국 등지로의 플라스틱 수출길이 막히고, 코로나-19로 인해 다른 해외시장까지 막히면서 판로가 사라져 수거 자체를 꺼리게 되었다. 환경과 공존하면서도 사람들에게 가치 있는 제품의 소재 공급, 플라스틱의 선순환 체계 구축 등을 위해 플라스틱 재활용 기술의 중요성이 점차 부각되고 있다.

■연구개발 동향

폐플라스틱을 재활용하는 방법은 일반적으로 <그림 13>과 같이 화학적 재활용(Chemical recycling)과 물질 재활용(Material recycling) 및 열적 재활용(Pyrolysis recycling)으로 크게 세 가지로 구분한다. 이때 폐플라스틱의 자원화를 위해서는 발생한 폐플라스틱을 종류별로 분리 선별하는 것이 매우 중요하다.

종류별로 선별된 폐플라스틱은 물리적 분쇄 및 고형화(Pelletizing)를 통해 재활용 제품으로 생산되어 소재로 순환 활용할 수 있다.

이물질이 다량 함유된 폐플라스틱의 경우 물질 재활용이 어렵고, 고부가 제품으로 재활용할 수 없어서 화학적 재활용으로 화학 원료 물질을 회수하여 원료로 순환활용 할 수 있다.

물질 재활용이나 화학적 재활용이 어려운 경우 열적 재활용으로 에너지원으로 활용하거나 열분해로 유화화 및 가스화를 통해 재활용할 수 있다.

경제적으로 가장 좋은 재활용은 재질별 분리선별이 제대로 이뤄진 경우의 물질 재활용이다. 그러나 재질별로 잘 선별된 폐플라스틱도 경우에 따라 물질 재활용이 안 되며, 화학적 재활용이 더 유효한 경우도 있다.

물질 재활용의 대표적인 예는 생수병으로 사용되는 PET(polyethylene terephthalate)병의 재활용으로서 수거된 PET병을 작은 조각으로 분쇄하여 흙이나 이물질을 제거하고 세척하여 flake를 만든 후 PET flake로 섬유용 원사, 재생 fiber, PET sheet 등에 원료로 다시 사용하는 것이다.

그러나 이 경우에도 PET에 착색이 되어 있으면 물질 재활용이 안 되며 이 경우 화학적 재활용으로 원료화 하는 기술이 필요하다.

또 다른 분류 방법은 최근 Timmy Thiounn Timmy Thiounn, Advances and approaches for chemical recycling of plastic waste, 제시한 방법으로 재활용률에 영향을 미치는 화학적 반응성 등을 고려하여 재활용 방법을 1차 재활용, 2차 재활용, 3차 재활용 및 에너지 회수로 4가지로 분류하였다(그림14).

1차 재활용은 오염되지 않은 폐기된 플라스틱을 활용하여 그 재료를 동일한 “새제품”으로 직접 바꾸는 과정이며, 이상적으로는 특성 손실이 없는 닫힌 루프 재활용(closed-loop recycling)이라고 하는 과정이다.

2차 재활용은 기계적 재활용을 의미하며 폴리머의 화학적 특성은 변하지 않지만, 폴리머는 어떤 방식으로든 물리적으로 재처리되므로 일반적으로 원래 사용과 다른 목적으로 사용된다. 화학적 재활용이라 하는 3차 재활용은 화학적 공정(가수분해 및 열분해 등)을 사용하여 폴리머를 부가가치 상품으로 분해하며, 여기서 얻어진 제품은 연료 및 폴리머 생산을 위한 공급 원료로 사용된다.

마지막 재활용 형태는 에너지 회수를 위한 폴리머 소각으로 이 과정에서 폴리머가 소각되고 일정량의 에너지가 열 형태로 회수된다. 이것은 일반적으로 더 이상의 부가가치를 얻을 수 없는 경우 “마지막 수단” 이며, 이는 플라스틱 소각 과정을 통해 유해 가스 및 독성 잔류물이 남는 문제가 발생한다.