재활용이 쉽지 않은 플라스틱을 완전 재활용할 수 있는 길이 열렸다. 미국 애크런대 고분자과학대학 왕쥔펑 교수팀이 개발의 주인공이다. 이들은 다 쓰고 난 폐플라스틱을 원래 순수한 상태의 물질(원료)로 분해해 재활용할 수 있는 길을 열었다. 환경보호에 필수적인 연구팀의 재활용 플라스틱 연구는 지난 8월 18일(현지시간) 과학저널 ‘네이처 화학’에 실렸다.

재활용 플라스틱은 기계적 재활용과 화학적 재활용으로 나뉜다. 화학적 재활용은 어려운 기술이다. 작은 분자량의 단위체(monomer)로 만들어 다시 사슬을 합성해야 하기 때문이다. 단위체는 고분자를 형성하는 단위가 되는 분자다. 쉽게 말해 레고블록 한 개를 생각하면 된다. 플라스틱은 단위체를 중합(2개의 서로 다른 단위체와 결합하여 분자량이 큰 화합물로 생성)한 반복 구조의 고분자(polymer)다. 고분자는 분자량이 1만∼100만으로 크다.

열가소성 플라스틱인 폴리에틸렌(PE)과 폴리프로필렌(PP) 등은 고분자 사슬이 탄소(C)-탄소(C) 결합으로 이뤄져 화학적으로 안정된 구조다. 이 때문에 분해가 잘 되지 않는다. 탄소 원자의 긴 배열에 약간의 다른 원자들이 붙어 있어 이들을 화학적으로 재활용하려면 탄소 결합을 끊어 단위체인 에틸렌이나 프로필렌 원료로 만들어야 한다. 그러려면 수백 도의 고온이 필요하고 꽤 많은 반응 에너지를 투입해야 한다. 이 같은 과정에는 처음 석유에서 단위체 원료를 만들어낼 때보다 비용이 훨씬 더 많이 든다. 화학적 재활용이 어려운 이유다.

그래서 지금은 기계적(물리적) 재활용에 집중하고 있다. 기계적 재활용은 버려지는 플라스틱에서 오염물질을 씻어내고 다시 녹여 새로운 형태로 만들어내는 방식이다. 폐플라스틱을 회수하고 이를 분쇄 과정을 통해 알갱이 단위의 원료인 펠릿(Pellet) 형태로 만든 다음 해당 펠릿을 깨끗하게 세척한 후 비중 차이를 이용해 선별·분리 작업을 진행한다. 분리된 재료들은 기존 원료와 적당한 비율(20~50%)로 혼합해 플라스틱 소재로 만든다.

문제는 이런 과정을 거쳐 플라스틱 소재를 만들어도 염료나 유연제 등 이전에 사용된 각종 첨가제로 고분자의 질이 떨어지고, 아무리 깨끗이 세척한다 해도 불순물이 남는다는 점이다. 많은 처리비용도 기계적 재활용의 발목을 잡는 요소다. 플라스틱 소비 대국인 미국의 플라스틱 재활용률이 고작 10%에 불과한 것도 이런 점 때문이다. 대부분 방치되거나 소각되는 실정이다.

플라스틱은 종류가 다양하고 재질마다 재활용 공정이 다르다. 따라서 제품을 설계하는 단계에서부터 재활용을 어떻게 할 것인지 고려해 분자 복잡성을 최소화하는 것이 필요하다고 전문가들은 말한다. 왕쥔펑 교수팀은 고분자인 중합체를 원래 재료인 단위체로 다시 분해할 수 있도록 처음부터 설계해 플라스틱의 지속가능한 화학적 재활용의 실마리를 찾았다.

연구팀의 지속가능한 재활용 단위체 찾기에는 고성능의 컴퓨터가 동원됐다. 컴퓨터로 다양한 방법의 계산을 수없이 거듭한 끝에 적합한 이론적 단위체(원료)를 찾아냈다. 이후 이론적 단위체를 tCBCO(trans-cyclobutane-fused cyclooctene)라는 실제 단위체로 만들어내는 데 성공했다. 탄소 원자 8개가 고리를 이루는 1,5-사이클로옥텐(1,5-cyclooctene)과 트랜스-부탄(trans-butane)을 이용해 설계한 단위체다. 연구팀은 계속해서 이 단위체 원료를 중합 반응을 통해 고분자 합성에까지 성공시켰다.