“비닐 라벨 제거 번거로움 해소” 골치아픈 플라스틱 분리배출…한 번에 재활용한다

– 한국기계연구원, 혼합 폐플라스틱을 한 번에 재원료화하는 신기술 개발

숲 속에 버려진 플라스틱 쓰레기.[오세아나 ‘쓰레기와 함께하는 코카콜라의 세계’ 보고서 발췌]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 플라스틱을 엄격하게 재질별로 나누고 라벨을 제거해야 하는 번거로운 과정이 일거에 해소될 전망이다. 국내 연구진이 혼합 플라스틱을 한 번에 재활용할 수 있는 기술을 세계 최초로 개발했기 때문이다.

국가과학기술연구회(NST) 산하 한국기계연구원은 한국화학연구원, 한국생산기술연구원, 한국과학기술연구원 등이 참여한 ‘플라즈마 활용 폐유기물 고부가가치 기초원료화 사업단’이 다양한 종류의 폐플라스틱을 엄격한 선별 과정 없이 플라스틱 원료로 되돌리는 혁신적인 플라즈마 전환 공정을 개발했다고 3일 밝혔다.

이번에 개발한 기술은 혼합 폐플라스틱을 플라즈마를 이용해 에틸렌과 벤젠으로 전환하는 새로운 개념의 공정이다. 플라즈마는 고온에서 전기적으로 활성화된 기체 상태로 기존 열분해보다 훨씬 빠른 반응 속도와 높은 에너지 전달 특성을 가진다.

기계연 연구팀은 세계 최초로 100% 수소를 사용하는 고온 플라즈마 토치를 개발해 혼합 폐플라스틱을 1000~2000℃의 초고온에서 0.01초 이내에 분해하는 데 성공했다. 반응온도와 시간에 대한 제어를 통해 생성되는 물질은 플라스틱 제조의 핵심 원료인 에틸렌과 벤젠이며 선택도는 70~90%, 에틸렌 수율은 70% 이상도 가능한 것으로 나타났다. 정제 과정 후에는 99% 이상의 고순도 원료를 확보할 수 있다.

기존 폐플라스틱은 소각, 소각 후 열회수, 물리적 재활용, 화학적 재활용의 형태로 처리돼 왔다. 이중 화학적 재활용률은 경제성 문제로 1% 미만으로 낮았다. 화학적 재활용을 위한 혼합 플라스틱은 반드시 엄격한 선별 과정을 거쳐야 하고 그렇지 않으면 재활용 공정 적용이 어려웠다. 또한 일반적인 플라스틱 열분해는 약 450~600℃에서 진행되는데 이 경우 백여 종 이상의 화학물질이 혼합된 상태의 물질이 생성되며 실제 활용 가능한 화학물질은 전체의 20~30%에 불과했다.

이번 플라즈마 공정은 초고온에서 빠른 분해를 통해 고분자 구조를 효율적으로 깨뜨리고 고온에서 필연적으로 발생하는 탄소 생성을 억제하기 위해 100% 수소 기반 운전 방식을 도입했다. 이 덕분에 장기 운전 안정성이 높아지고 부산물인 왁스와 경질 탄화수소도 동시에 처리할 수 있어 전체 생성물의 70~80% 이상을 재활용 가능한 특정 원료인 에틸렌과 벤젠으로 선택적 전환에 성공했다. 특히 기존 열분해에서 활용이 어려웠던 왁스까지 80% 이상의 선택도로 전환해 에너지 효율까지 높였다.

한국기계연구원 플라즈마 활용 폐유기물 고부가가치 기초원료화 사업단 송영훈 단장(오른쪽)과 질소자원화전략연구단 이대훈 단장.[한국기계연구원 제공]

이 기술이 상용화되면 현재 약 1% 미만인 국내 폐플라스틱 화학적 재활용률을 획기적으로 높일 수 있다. 소각 대신 재활용이 가능해 탄소배출 저감효과가 크고, 신재생에너지를 활용하면 이산화탄소 배출이 사실상 없는 시스템도 가능하다. 파일럿 운전에서는 경제성도 입증됐으며 생산된 에틸렌의 단가는 기존 에틸렌 원료 가격과 동일한 수준으로 분석됐다. 연구팀은 2026년부터 국내 실증 사이트에서 장기 운전 검증을 진행해 상용화를 가속화할 계획이다.

송영훈 사업단장은 “세계 최초로 혼합 폐플라스틱을 원료로 전환하며 경제성을 갖춘 공정을 확보했다”며 “실증과 사업화를 통해 폐기물과 탄소 문제를 동시에 해결할 것”이라고 밝혔다. 이대훈 질소자원화전략연구단장은 “이번 연구과정에서 공정 기술과 함께 여러 요소기술이 확보되었으며 이는 반도체·디스플레이 공정의 온실가스 처리, 고품질 소재 생산 등으로도 확장 가능성이 크다”고 설명했다.