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[우연소] 지구를 지키는 플라스틱 재활용 기술 연구실

현대 사회에서 폐플라스틱은 해결해야 할 가장 시급한 사회적 문제 중 하나로 손꼽힙니다. 한국화학연구원 탄소자원화연구단은 이러한 이슈에 대응하여 폐플라스틱의 효율적인 재활용을 위한 연구를 활발히 진행하고 있습니다. 특히 기업들이 상대적으로 다루기 까다로워하는 폐스티로폼과 폴리에스테르(PET)를 주요 연구 대상으로 삼아 원천 기술을 확보하는 데 집중하고 있습니다. 이는 단순한 연구를 넘어 실제 산업계에 적용 가능한 수준의 성과를 목표로 하며, 지속 가능한 미래를 위한 중요한 발걸음이 되고 있습니다. 연구단은 단순히 실험실 단계의 성과에 머무르지 않고, 기술의 상용화를 위해 구체적인 이정표를 세우고 있습니다. 이미 일부 핵심 원천 기술을 확보하여 관련 기업체에 기술 이전을 완료했으며, 내년부터는 본격적인 협력 체계를 구축할 예정입니다. 2025년 사업화를 목표로 달려가는 이러한 노력은 연구 데이터의 축적과 실증 단계를 거치며 더욱 구체화되고 있습니다. 공공 연구기관의 전문성과 기업의 사업 역량이 결합하여 폐기물 문제의 실질적인 해결책을 제시할 것으로 기대를 모으고 있습니다. 폐스티로폼 재활용의 첫 단계는 부피를 획기적으로 줄이는 감용 기술에서 시작됩니다. 기존의 석유화학 기반 용매 대신 나무와 같은 천연 재료를 활용한 바이오매스 기반 용매를 사용하는 것이 이 기술의 핵심입니다. 이 용매는 인체와 환경에 훨씬 안전하며, 소량의 용액만으로도 수십 배에 달하는 부피의 스티로폼을 녹여낼 수 있습니다. 또한 사용된 용매는 별도의 분리 과정을 거쳐 다시 사용할 수 있어 자원 순환의 효율성을 극대화합니다. 이는 환경친화적인 공정 설계가 돋보이는 부분이라 할 수 있습니다. 부피를 줄인 폐스티로폼은 단순히 재활용되는 것에 그치지 않고, 다시 플라스틱을 만드는 원료인 화학 물질로 전환됩니다. 약 2년 반 동안 집중적으로 연구된 이 원천 기술은 버려지는 자원을 고부가가치 원료로 탈바꿈시키는 공정입니다. 실험실에서 개발된 고유의 반응 공정을 통해 얻어진 재생 스티렌은 새로운 플라스틱을 합성하는 데 즉시 투입될 수 있는 품질을 자랑합니다. 이러한 화학적 재활용 방식은 플라스틱 순환 경제를 구축하는 데 있어 매우 핵심적인 기술적 진보라고 평가받고 있습니다. 연구의 최종 목적지는 실제 공장에서 작동할 수 있는 대규모 공정의 구현입니다. 연구단은 실험실 규모를 넘어 대형 장비와 반응기를 운용하며 실증에 필요한 정밀한 데이터를 수집하고 있습니다. 특히 연속 반응이 가능한 반응기 개발은 상용화의 경제성과 효율성을 확보하는 데 결정적인 역할을 합니다. 분리 공정을 거친 고순도 원료가 산업 현장에서 즉각 활용되는 모습은 머지않은 미래의 표준이 될 것입니다. 끊임없는 기술 발전을 통해 폐플라스틱이 소중한 자원으로 인식되는 시대를 열어가고 있습니다.

한국화학연구원

화학
지구환경과학
공학·기술

#가정로152 버려진 플라스틱으로 수소 생산? 이게 가능해?

대한민국은 1인당 연간 약 88kg의 폐플라스틱을 배출하며 세계적으로도 매우 높은 배출량을 기록하고 있습니다. 그동안 폐플라스틱은 주로 소각이나 매립을 통해 처리되어 왔으나, 이 과정에서 발생하는 유독가스와 환경 오염은 심각한 사회적 문제로 대두되었습니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 최근에는 폐플라스틱을 단순히 폐기하는 것이 아니라, 열화학적 전환 기술을 활용해 유용한 자원으로 재생산하려는 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 특히 폐플라스틱을 열분해하여 얻은 기름을 다시 수소로 변환하는 기술은 탄소 중립 시대를 앞당길 핵심적인 대안으로 큰 주목을 받고 있습니다. 폐플라스틱의 재활용 방식은 크게 세 가지 유형으로 나뉩니다. 먼저 물질 재활용은 플라스틱의 화학적 구조를 유지한 채 분리 정제하여 다시 사용하는 기술이며, 열적 재활용은 폐플라스틱을 태워 발생하는 열에너지를 회수하는 방식입니다. 반면, 화학적 재활용은 플라스틱의 분자 구조를 근본적으로 변화시켜 새로운 원료로 전환하는 고도화된 기술을 의미합니다. 그중에서도 열분해 가스화 기술은 폐플라스틱을 고부가가치 자원으로 탈바꿈시키는 핵심적인 공정으로 평가받으며, 이를 통해 합성가스를 생산하고 최종적으로 수소를 추출할 수 있는 기반을 마련해 줍니다. 고부가가치 수소를 생산하기 위해 활용되는 분류층 가스화 공정은 매우 정밀한 과정을 거칩니다. 폐플라스틱 열분해유에 산소와 스팀을 공급하고 약 1,300도의 고온과 20바의 압력을 가하면 일산화탄소와 수소가 주성분인 합성가스가 만들어집니다. 이후 정밀한 후단 정제 공정을 거치게 되면 산업 현장에서 즉시 사용 가능한 고순도의 수소를 얻을 수 있습니다. 기존에는 열분해유를 보일러 연료나 카본 블랙의 원료로 사용하는 데 그쳤지만, 이제는 가스화 공정 덕분에 단순한 연료를 넘어 미래 청정 에너지원으로 활용할 수 있는 길이 넓게 열리게 된 것입니다. 성공적인 가스화 공정을 구축하기 위해서는 세 가지 핵심 기술이 뒷받침되어야 합니다. 첫째는 대량 처리가 가능하도록 규모를 키우는 반응기 설계 기술이며, 둘째는 연료의 특성과 운전 조건에 최적화된 독자적인 버너 설계 기술입니다. 특히 버너는 반응기의 성능과 효율에 직접적인 영향을 미치는 만큼 고도의 정밀함이 요구되는 부품입니다. 마지막으로는 전체 공정을 안정적으로 제어할 수 있는 숙련된 운영 노하우가 필수적입니다. 이러한 운영 기술은 단기간에 습득하기 어려운 높은 진입 장벽을 형성하고 있으며, 우리나라 연구진은 독자적인 기술력을 바탕으로 상용화를 위한 연구에 매진하고 있습니다. 폐플라스틱 가스화 기술은 환경 문제를 해결하는 동시에 자원 순환 경제를 구축하는 중요한 기반이 됩니다. 가스화 공정을 통해 수소를 대량으로 생산할 수 있게 되면, 우리가 지향하는 수소 사회로의 진입 시기를 훨씬 앞당길 수 있을 것으로 기대됩니다. 특정 기술 하나가 모든 플라스틱 문제를 완벽히 해결할 수는 없겠으나, 친환경성과 경제성을 갖춘 재활용 기술들이 지속적으로 개발된다면 폐플라스틱은 더 이상 골칫덩이가 아닌 소중한 자원이 될 것입니다. 일상 속에서 무분별하게 버려지던 플라스틱이 깨끗한 수소 연료로 재탄생하는 미래는 이제 우리 곁으로 성큼 다가오고 있습니다.

한국에너지기술연구원

화학
지구환경과학
공학·기술

KRICT 탄소중립 화학기술

탄소중립은 배출한 만큼의 이산화탄소를 다시 흡수하여 실질적인 배출량을 '0'으로 만드는 넷제로를 의미합니다. 우리나라는 산업 부문의 탄소 배출 비중이 매우 높아 기술적 혁신이 절실한 상황입니다. 이에 한국화학연구원은 에너지 소비가 많은 석유화학 공정을 개선하기 위해 저온 촉매 기술을 개발했습니다. 이는 세계 최초로 저비용 나프타 촉매 분해 공정을 상용화한 성과로, 기존 방식보다 에너지를 획기적으로 절감하고 이산화탄소 발생량을 줄여 해외 플랜트 수출까지 기대할 수 있는 독보적인 경쟁력을 확보했습니다. 기존의 선형 경제 시스템을 넘어서기 위해 화학연구원은 탄소 포집·활용(CCU) 기술에 집중하고 있습니다. 발전소에서 배출되는 이산화탄소를 하루 10톤 규모로 포집하고, 이를 일산화탄소나 메탄올로 전환하는 실증 플랜트를 성공적으로 구축했습니다. 또한 저온 친환경 촉매 기술을 활용해 폐플라스틱을 자원화하고, 친환경 바이오 플라스틱 생산의 효율성을 높여 순환 경제의 완성도를 높이고 있습니다. 이와 더불어 블루 수소 생산과 부생가스 분리 공정 기술을 산업계에 이전하며 수소 경제 활성화와 산업 경쟁력 강화에도 앞장서고 있습니다. 온실가스 배출의 대부분을 차지하는 에너지 연소 문제를 해결하기 위해 신재생에너지 기술 개발도 활발히 진행 중입니다. 유기 액상 수소저장체 기술과 차세대 페로브스카이트 태양전지 기술을 결합하여, 기존의 석유 중심 에너지 유통 체계를 혁신적으로 변화시키고자 합니다. 이러한 연구 성과들이 실제 산업 현장에 적용될 수 있도록 전남 실증 센터를 거점으로 삼아 세계적 수준의 탄소중립 사업화 모델을 만들어가고 있습니다. 지구와 인류를 위한 화학이라는 비전 아래, 지속 가능한 미래를 향한 한국화학연구원의 도전은 계속됩니다.

한국화학연구원

화학
지구환경과학
융합
공학·기술

[2021 KIGAM Tech-Biz 파트너링] 공업용 오산화바나듐(V2O5)의 습건식 융합 정제와 이산화바나듐(VO2) 제조방법

현대 에너지 산업의 핵심으로 부상한 바나듐 레독스 흐름 배터리는 대용량 에너지 저장 장치의 차세대 주자로 주목받고 있습니다. 이러한 배터리의 효율과 수명을 결정짓는 핵심 원료가 바로 고순도 오산화바나듐과 이산화바나듐입니다. 기존에는 주로 철강용 합금 원소로 사용되던 바나듐이 이제는 친환경 에너지 솔루션의 중심 물질로 진화하고 있으며, 이에 따라 고순도 원료를 경제적이고 친환경적으로 확보하기 위한 정제 및 제조 기술의 중요성이 그 어느 때보다 강조되고 있는 상황입니다. 기존의 오산화바나듐 정제 방식은 습식과 건식 공정으로 나뉘는데, 각각 뚜렷한 한계점을 지니고 있습니다. 습식 공정은 복잡한 단계와 다량의 화학 물질 사용으로 인해 많은 양의 폐수가 발생하는 단점이 있으며, 건식 공정은 염소 가스 사용에 따른 장비 부식과 대기 오염 문제를 야기합니다. 또한 이산화바나듐을 제조하는 과정에서도 수소 환원법은 폭발 위험이 따르고, 탄소 환원법은 온실가스인 이산화탄소를 배출하는 등 환경적, 안전 측면에서 개선해야 할 과제들이 산적해 있었습니다. 새롭게 개발된 습건식 융합 정제 기술은 이러한 기존 공정의 단점을 획기적으로 보완했습니다. 공업용 오산화바나듐 분말의 침출과 세정, 휘발 정제를 거쳐 99.8% 이상의 고순도 분말을 제조하는 이 기술은 수소나 일산화탄소 없이도 이산화바나듐을 생성할 수 있습니다. 특히 암모늄 폴리바나데이트가 분해될 때 발생하는 열역학적 상태를 이용해 부분 환원을 유도함으로써, 유해 물질 배출을 최소화하고 공정 시간을 단축하는 독창적인 원천 기술을 확보하게 되었습니다. 이 기술로 제조된 이산화바나듐 분말은 바나듐 레독스 흐름 배터리 전해액 제조 시 탁월한 성능을 발휘합니다. 기존의 오산화바나듐은 황산 용액에 용해되는 시간이 길고 별도의 첨가제가 필요했던 반면, 새로운 공정으로 생산된 분말은 용해도가 매우 높아 공정 효율을 크게 높여줍니다. 이는 고가의 원료인 황산바나딜을 대체하거나 보완할 수 있는 경제적인 대안이 되며, 결과적으로 차세대 에너지 저장 장치의 전반적인 제조 단가를 낮추는 데 핵심적인 역할을 수행할 수 있습니다. 글로벌 시장 조사에 따르면 바나듐 레독스 흐름 배터리 시장은 2020년대 중반 이후 급격한 성장이 예상되며, 이에 따른 고순도 바나듐 수요도 지속적으로 증가할 전망입니다. 현재 본 기술은 실험실 단계의 성능 확인을 마친 상태이며, 향후 파일럿 플랜트 검증과 일관 플랜트 구축을 통해 상용화 단계로 나아갈 준비를 하고 있습니다. 이러한 기술 혁신은 국내 철강 및 배터리 산업의 밸류체인을 강화하고 자원 순환 경제를 실현하는 중요한 밑거름이 될 것으로 기대됩니다.