새로운 공정으로 플라스틱 봉지와 병을 증발시켜 새로운 재활용 플라스틱을 만드는 가스를 생산합니다.

새로운 화학 공정을 통해 오늘날 폐기물의 대부분을 차지하는 플라스틱을 본질적으로 증발시켜 새로운 플라스틱의 탄화수소 구성 요소로 바꿀 수 있습니다.

캘리포니아 대학교 버클리에서 개발된 촉매 공정은 두 가지 주요 유형의 소비자 후 플라스틱 폐기물, 즉 대부분의 일회용 플라스틱 봉지의 구성 요소인 폴리에틸렌과 전자레인지용 접시에서 짐에 이르기까지 단단한 플라스틱의 재료인 폴리프로필렌에도 똑같이 잘 작동합니다. 또한 이러한 유형의 플라스틱 혼합물을 효율적으로 분해합니다.

이 공정이 확대된다면, 많은 일회용 플라스틱에 순환 경제를 가져오는 데 도움이 될 수 있으며, 플라스틱 폐기물은 폴리머를 만드는 데 사용되는 단량체로 다시 전환되어 새로운 플라스틱을 만드는 데 사용되는 화석 연료를 줄일 수 있습니다. 폴리에스터인 폴리에틸렌 테트라프탈레이트(PET)로 만든 투명한 플라스틱 물병은 이런 방식으로 재활용되도록 1980년대에 설계되었습니다. 하지만 폴리에스터 플라스틱의 양은 폴리올레핀이라고 하는 폴리에틸렌과 폴리프로필렌 플라스틱에 비하면 미미합니다.

"우리는 점심 봉지에서 세탁 비누 병, 우유통에 이르기까지 일상 생활용품에 엄청난 양의 폴리에틸렌과 폴리프로필렌을 사용합니다. 우리 주변에 있는 것의 대부분이 이런 폴리올레핀으로 만들어졌습니다." 연구를 이끈 캘리포니아 대학교 버클리 화학 교수 존 하트비그의 말이다. "이제 우리가 할 수 있는 일은, 원칙적으로 이런 물건들을 가져다가 우리가 고안한 화학 반응을 통해 원래의 단량체로 되돌려, 일반적으로 안정한 탄소-탄소 결합을 끊는 것입니다. 그렇게 함으로써, 우리는 누구보다도 폴리에틸렌과 폴리프로필렌에 물병의 폴리에스터에 있는 것과 같은 종류의 순환성을 부여하는 데 가까이 다가갔습니다."

하트비히, 대학원생 리처드 J. "RJ" 콩크, 화학 엔지니어이자 UC 버클리 대학원 교수인 알렉시스 벨과 그들의 동료들은 촉매 과정에 대한 자세한 내용을 저널 Science 의 xx호에 게재할 예정입니다 .

플라스틱을 위한 순환 경제

폴리에틸렌과 폴리프로필렌 플라스틱은 전 세계 소비자 후 플라스틱 폐기물의 약 3분의 2를 차지합니다. 약 80%가 매립지로 가거나, 소각되거나, 그냥 거리에 버려지며, 종종 하천과 바다에서 미세 플라스틱으로 끝납니다. 나머지는 저가치 플라스틱으로 재활용되어 데크 재료, 화분, 스포크가 됩니다.

이러한 낭비를 줄이기 위해 연구자들은 플라스틱을 더 가치 있는 것으로 바꿀 수 있는 방법을 모색해 왔습니다. 예를 들어, 새로운 플라스틱을 생산하기 위해 중합되는 단량체와 같은 것입니다. 이를 통해 플라스틱에 대한 순환형 폴리머 경제가 형성되어 온실 가스를 발생시키는 석유에서 새로운 플라스틱을 만들 필요성이 줄어듭니다.

2년 전, 하트비히와 그의 UC 버클리 팀은 폴리에틸렌 비닐 봉지를 프로필렌 단량체(프로펜이라고도 함)로 분해하는 공정을 고안해냈고, 이를 다시 폴리프로필렌 플라스틱을 만드는 데 사용할 수 있었습니다. 이 화학 공정은 세 가지 다른 맞춤형 중금속 촉매를 사용했습니다. 하나는 폴리에틸렌 폴리머에 탄소-탄소 이중 결합을 추가하는 데 사용되고, 다른 두 개는 이 이중 결합에서 사슬을 끊고 탄소 원자를 반복적으로 잘라내고 에틸렌과 함께 프로필렌(C3H6) 분자를 만들어 폴리머 가 사라질 때까지 만드는 데 사용됩니다. 하지만 촉매는 액체 반응에 용해되었고 수명이 짧아 활성 형태로 회수하기 어려웠습니다.

새로운 공정에서는 값비싼 가용성 금속 촉매가 화학 산업에서 촉매를 재사용하는 연속 흐름 공정에 일반적으로 사용되는 저렴한 고체 촉매로 대체되었습니다. 연속 흐름 공정은 대량의 재료를 처리하도록 확장할 수 있습니다.

콩크는 화학 및 생물 분자 공학과의 이종 촉매 전문가인 벨과 협의한 후 처음으로 이러한 촉매를 실험했습니다.

알루미나에 나트륨 촉매를 합성한 Conk는 이것이 다양한 종류의 폴리올레핀 폴리머 사슬을 효율적으로 끊거나 금이 가 두 조각 중 하나에 끝에 반응성 탄소-탄소 이중 결합을 남긴다는 것을 발견했습니다. 실리카에 텅스텐 산화물을 첨가한 두 번째 촉매는 사슬 끝에 있는 탄소 원자를 에틸렌 가스에 첨가했고, 이 가스는 반응 챔버를 통해 끊임없이 흐르면서 프로필렌 분자를 형성했습니다. 올레핀 복분해라고 불리는 후자의 공정은 촉매가 전체 사슬이 프로필렌으로 전환될 때까지 계속해서 접근할 수 있는 이중 결합을 남깁니다.

폴리프로필렌에서도 동일한 반응이 일어나 프로펜과 이소부틸렌이라는 탄화수소의 조합이 형성됩니다. 이소부틸렌은 화학 산업에서 축구공에서 화장품에 이르기까지 다양한 제품을 위한 폴리머를 만들고 고옥탄 가솔린 첨가제를 만드는 데 사용됩니다.

놀랍게도 텅스텐 촉매는 폴리프로필렌 사슬을 끊는 데 있어서 나트륨 촉매보다 훨씬 더 효과적이었습니다.

하트비히는 "나트륨보다 훨씬 저렴할 수는 없습니다."라고 말했습니다. "텅스텐은 화학 산업에서 대규모로 사용되는 지구에 풍부한 금속인 반면, 우리의 루테늄 금속 촉매는 더 민감하고 더 비쌌습니다. 실리카에 산화텅스텐을, 알루미나에 나트륨을 조합한 것은 두 가지 다른 종류의 흙을 함께 분해하여 전체 폴리머 사슬을 에틸렌에서 프로펜을 더 높은 수율로, 폴리프로필렌에서 프로펜과 이소부틸렌을 조합한 것으로 분해하는 것과 같습니다. 이는 우리가 더 복잡하고 비싼 촉매를 사용했을 때보다 더 높은 수율입니다."

진주목걸이처럼

새로운 촉매의 한 가지 주요 장점은 폴리머에서 깨지기 쉬운 탄소-탄소 이중 결합을 형성하기 위해 수소를 제거할 필요가 없다는 것입니다. 이는 연구자들이 이전에 폴리에틸렌을 분해하는 과정에서 특징이었습니다. 이러한 이중 결합은 폴리에스터나 PET의 반응성 탄소-산소 결합이 플라스틱을 재활용하기 쉽게 만드는 것과 같은 방식으로 폴리머의 아킬레스건입니다. 폴리에틸렌과 폴리프로필렌에는 이러한 아킬레스건이 없습니다. 단일 탄소 결합의 긴 사슬이 매우 강하기 때문입니다.

하트비히는 "폴리올레핀 폴리머를 진주 목걸이라고 생각하세요."라고 말했습니다. "끝에 있는 잠금장치가 진주가 빠지는 것을 방지합니다. 하지만 중간에 있는 끈을 클립으로 고정하면 진주를 하나씩 꺼낼 수 있습니다."

두 촉매는 폴리에틸렌과 폴리프로필렌의 거의 동일한 혼합물을 프로필렌과 이소부틸렌으로 바꾸었습니다. 둘 다 실온에서 기체였으며 효율은 거의 90%였습니다. 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌만일 경우 수율은 훨씬 더 높았습니다.

Conk는 촉매 반응이 오염 물질에 의해 어떻게 영향을 받는지 보기 위해 반응 챔버에 플라스틱 첨가제와 다양한 유형의 플라스틱을 추가했습니다. 이러한 불순물의 소량은 변환 효율에 거의 영향을 미치지 않았지만, PET와 폴리염화비닐(PVC)의 소량은 효율을 크게 떨어뜨렸습니다. 그러나 재활용 방법은 이미 플라스틱을 유형별로 분리하고 있기 때문에 이는 문제가 되지 않을 수 있습니다.

하트비히는 많은 연구자들이 플라스틱을 처음부터 재설계하여 재사용이 용이하도록 만들고자 하지만 오늘날 재활용하기 어려운 플라스틱은 수십 년 동안 문제가 될 것이라고 지적했습니다.

"우리는 폴리에틸렌과 폴리프로필렌을 모두 없애고 새로운 순환형 재료만 사용해야 한다고 주장할 수 있습니다. 하지만 세상은 수십 년 동안 그렇게 하지 않을 것입니다. 폴리올레핀은 저렴하고 좋은 특성을 가지고 있기 때문에 모든 사람이 사용합니다." 하트비그가 말했습니다. "사람들은 우리가 그것을 순환형으로 만드는 방법을 알아낼 수 있다면 대단한 일이 될 것이라고 말하는데, 우리는 그렇게 했습니다. 이런 일을 하는 상업용 공장을 상상해 볼 수 있습니다."

이 논문의 다른 공동 저자는 UC 버클리의 대학원생 Jules Stahler, Jake Shi, Natalie Lefton, John Brunn과 Lawrence Berkeley National Laboratory의 Ji Yang입니다. Shi, Hartwig, Bell도 버클리 랩에 소속되어 있습니다. 이 연구는 에너지부(DE-AC02-05CH11231)에서 자금을 지원했습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/08/240829140821.htm