부산대 제정호 교수팀, 재활용 난제 플라스틱 완전 분해 기술 개발

제정호 교수, 한정우 교수, 스와티 학생, 전혁준 학생. 사진ㅣ부산대학교

인더뉴스 제해영 기자ㅣ부산대학교는 화공생명공학과 제정호 교수 연구팀이 서울대학교 연구진과의 공동연구를 통해 재활용이 어려운 열경화성 폴리우레탄 폐플라스틱을 기존 화학 원료 수준으로 완전 분해해 다시 재활용할 수 있는 기술을 개발했습니다.

부산대학교는 이번 연구 성과가 열에 굳는 특성으로 물리적 재활용이 불가능해 처리 난제로 꼽혀온 폴리우레탄을 100% 순환 자원으로 전환할 수 있는 길을 열었다고 22일 밝혔습니다.

폴리우레탄은 신발과 가구, 자동차, 가전제품 등 생활 전반에 폭넓게 사용되는 대표적인 플라스틱 소재입니다. 그러나 열경화성 특성으로 인해 재가공이 어렵고 소각 시 유독가스와 이산화탄소가 발생해 환경 부담이 크다는 한계가 있었습니다.

이에 따라 폐폴리우레탄을 다시 원래의 화학 원료로 되돌리는 화학적 분해 기술의 필요성이 지속적으로 제기돼 왔습니다.

기존에는 에틸렌글리콜과 같은 알코올과 균일계 촉매를 활용한 분해 방식이 시도됐지만, 우레탄 결합이 완전히 분해되지 않아 재활용 효율에 한계가 있었습니다. 또한 회수된 원료의 구조와 성질이 변형돼 새 원료와 혼합해 사용해야 하는 단점도 있었습니다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 균일계 촉매 대신 불균일계 고체 촉매인 산화아연(ZnO)을 적용하고, 알코올 구조로는 tert-butyl alcohol(TBA)을 도입했습니다. 이를 통해 폴리우레탄 결합을 완전히 분해하는 새로운 해중합 경로를 구현했습니다.

그 결과 폐폴리우레탄을 원래의 화학 구조와 동일한 폴리올과 다이아닐린으로 완전히 전환하는 데 성공했습니다. 연구팀은 촉매 구조 분석과 밀도범함수이론 기반 계산을 통해 고효율 분해가 ZnO 촉매의 양쪽성 특성과 3차 알코올이 형성하는 탄소 양이온 중간체의 안정성에서 비롯된다는 점도 규명했습니다.

이는 기존 연구에서 주로 활용되지 않았던 고체 촉매와 알코올 조합을 통해 새로운 고효율 분해 경로를 제시한 사례로 평가됩니다.

해당 기술을 단열재와 쿠션, 패키징 소재 등 실제 폐폴리우레탄에 적용한 결과, 최대 90% 수준의 원료 회수율을 기록했습니다. 불균일계 촉매를 활용함에 따라 촉매 분리 공정이 단순해지고 촉매 재사용이 가능해 공정 경제성 측면에서도 강점을 갖는 것으로 나타났습니다.

ZnO 촉매 상에서 폴리우레탄 분해 경로 모식도 : ZnO 촉매 상에서 폴리우레탄 모델화합물이 tert-butyl alcohol (TBA)와 반응해 다이올을 형성 후, TBA-카바메이트가 분해되면서 다이아닐린을 형성하는 반응 경로. 이미지ㅣ부산대학교

ZnO 촉매 상에서 폴리우레탄과 알코올의 흡착 모드 계산 : ZnO 촉매 상에서 폴리우레탄 모델화합물과 다양한 알코올들의 흡착 에너지 계산 결과. 이미지ㅣ부산대학교

이번 연구 성과는 사용 후 폐기물을 다시 동일한 가치의 자원으로 되돌리는 ‘클로즈드 루프’ 자원순환 시스템 구현에 적용될 수 있습니다. 이를 통해 순환경제 실현과 탄소중립 목표 달성에 실질적으로 기여할 수 있을 것으로 기대됩니다.

제정호 교수는 “불균일계 촉매 기반 해중합 기술을 통해 기존 기술로는 도달할 수 없었던 높은 플라스틱 분해 효율과 선택도를 달성할 수 있었다”며 “이번 연구가 순환경제와 탄소중립 실현을 앞당기는 계기가 되길 기대한다”고 밝혔습니다.

이번 연구 결과는 국제 저명 학술지 'Angewandte Chemie International Edition' 1월호에 게재됐습니다. 연구는 부산대 제정호 교수와 서울대 한정우 교수 연구팀의 공동연구로 수행됐으며, 과학기술정보통신부와 한국연구재단, 과학기술사업화진흥원의 지원을 받았습니다.

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