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제목 첨단 리사이클링 기술(정제/분해/변환)을 통한 ‘순환성’ 확대
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2020/07/31 10:54

첨단 리사이클링 기술(정제/분해/변환)을 통한 ‘순환성’ 확대

끊임없이 발전하는 플라스틱산업에서 지속가능을 위한 비즈니스 핵심은 원료의 리사이클링 및 순환성 실현이다. 이 영역에서 최첨단 기술이 큰 역할을 할 것으로 보인다. 한때 틈새 비즈니스의 모토에 불과했던 지속가능성(sustainability)이 이제는 비즈니스의 모든 영역에서 성장과 발전의 원동력이 되고 있다.

이는 전 세계적으로 고조되고 있는 플라스틱 오염 문제에 대한 경각심이 심각한 수준으로 높아진 현 상황을 고려해 본다면 플라스틱산업은 더더욱 그렇다. 이러한 이유로 끊임없이 발전하는 플라스틱산업에서 지속가능한 비즈니스의 핵심은 리사이클링 및 순환성 실현이다.

한때는 자발적 책임감의 표현이던 재생원료 사용이 이제는 비즈니스를 하기 위해 꼭 필요한 사항이 되고 있다. 엘렌맥아더 재단(Ellen McArthur Foundation)을 비롯해 환경단체들은 2025년까지 폐포장재 재생원료 사용을 의미 있는 수준까지 높이는 것을 목표로 신 플라스틱 경제(New Plastics Economy) 협약을 통해 소비재 제조업체들로부터 상당한 약속을 이끌어냈다.

사실, 기업들의 이같은 약속들이 실제로 지켜져 재생원료에 대한 수요 규모가 지금과 다른 차원으로 증가했을 때 이에 대응할 수 있는 충분한 공급물량을 만들어 낼 수 있는지 여부는 심각하게 생각해 봐야 한다. 재생원료의 질과 양 모두 우려의 대상이 되고 있기 때문이다.

양의 문제라면 인프라 및 수거 시스템에 대한 투자를 통해 해결할 수 있다. 하지만, 생활 폐플라스틱 수집품(post-consumer recycle; PCR)을 찾고 있는 기업 대부분은 기계적 방식으로 재활용한 재생원료의 한계를 빠르게 절감하고 있다.

특히 착색제, 첨가제 및 오염물질에 대한 우려때문에 기업들은 포장재 포트폴리오 내에서 재생원료 사용 범위를 크게 제한하기도 한다. 경우에 따라 재생원료의 추가적 가공을 통해 이같은 제한 문제를 해결하기도 한다. 물론 해결 자체가 어려운 경우도 있다. 그러나 다수의 소비재 제조업체들이 2025년까지 이루어 내겠다고 공언한 자신들의 재생원료 사용 목표 달성을 위해서는 이러한 한계를 대규모로 극복하는 것이 필요하다.

고품질 수지(prime resins: 제조업체의 그레이드별 규격에 맞는 등급 내 수지제품) 공급업체들 또한 다수의 소비재 제조업체들이 상당한 수준의 PCR을 사용하겠다는 약속을 앞다투어 하고 있는 상황에서 자신들도 어떤 방식으로든 재생원료를 공급하지 않을 경우 그만큼 비즈니스에서 손실을 보게 된다는 것을 인식하고 있다.

2025년까지 재생원료 사용을 획기적으로 늘리겠다는 기업들의 약속이 지니는 무게는 브랜드 기업들부터 수지 공급업체에 이르기까지 사실상 플라스틱 공급사슬 전체에 걸쳐 이같은 약속을 현실로 만드는 데 도움이 되는 전략을 좇도록 만들었다.

동시에 기계적 리사이클링만으로는 그 목표에 도달하기 어렵다는 점을 인식하고, 플라스틱 재활용을 위해 사용할 수 있는 도구를 확장할 방법들을 모색하고 있다. 이는 단순히 플라스틱을 파쇄하고 용융시켜 다시 펠렛으로 만들어내던 기존의 재활용 방법과는 차원이 전혀 다른 리사이클링 기술들을 찾아내야 한다는 의미다.

오늘날 기계적 리사이클링을 넘어서는 기술의 지평은 지속적으로 확대되고 있고, 다수 새로운 기술들이 상용화에 이르고 있다. 이러한 기술들을 지칭하기 위해 여러 가지 다양한 상표나 이름들이 사용되고 있지만, 이 명칭이나 이름들이 늘 일관성 있는 방식으로 적용되는 것은 아니어서, 혼란을 야기하는 경우도 있다. 이 글에서는 기계적 리사이클링을 넘어설 수 있도록 해주는 다양한 기술들과 그 기술로 얻어진 산출물에 관해 살펴본다.

 

BASF는 현재 ChemCycling(켐사이클링) 프로젝트를 통해 화학적으로 재활용한 플라스틱 폐기물을 이용한 제품을 제조하고 있다.

명칭만으로도 많은 것을 알 수 있다.

기계적 리사이클링을 넘어서는 기술 모두를 포괄할 수 있는 적절한 용어를 찾는 일은 쉽지 않다. 이러한 기술들을 설명하기 위해 이제껏 나온 최적의 고급 용어는 미국화학위원회(ACC)가 처음 도입한 ‘첨단 리사이클링(advanced recycling)’이라는 말일 것이다.

ACC는 ‘첨단 리사이클링’을 사용하고 난 폐플라스틱 물질의 기초가 되는 화학적 근본원리(chemical building blocks)로 되돌리는 기존 또는 신개발 기술을 사용해 다양한 종류의 새로운 플라스틱, 화학물질, 연료 및 기타 제품 등을 만들어내는 여러 가지 다양한 공정으로 정의한다.

‘첨단 리사이클링’이라는 문구는 두 가지 의미를 나타내고 있다. 즉, 이 공정이 기계적 리사이클링 공정보다 폴리머에 더 깊게 들어가는 기술임을 뜻한다. 또한 그와 동시에 이 공정이 기존 일반적 리사이클링 가치사슬에서는 낯설지만 실제로는 리사이클링의 한 형태라는 개념을 강조하고 있다.

순환경제에 집중 투자하고 있는 미국의 투자그룹 클로즈드 루프 파트너스(Closed Loop Partners)가 2019년에 내놓은 연구보고서에서는 어째서 이러한 기술들이 플라스틱 재활용률을 높이고 궁극적으로 플라스틱산업의 생태계를 더욱 순환적으로 바꾸는 데 매우 중요한 역할을 하는가에 대한 근거를 들고 있다.

이 보고서(short.ptonline.com/closedloop)는 기계적 리사이클링 방법을 넘어서 폐플라스틱을 재활용하는 기술들을 정제(purification), 분해(decomposition), 변환(conversion) 등 세 가지 범주로 분류하고 있다. 본 기사에서는 여러가지 유형의 고도 리사이클링 기술을 검토함에 있어 이 세 가지 범주를 사용해 다양한 기술들 및 그 기술로부터 나온 산출물에 관해 살펴보고자 한다.

 

정제기술(purification Technologies):

정제기술은 용매 또는 화학약품을 이용해 용액으로 정제한 다음 폴리머는 침전시키고, 착색제나 첨가제 및 기타 오염물질을 남기는 기술이다. 가장 일반적인 두 가지 종류의 정제 기술로는 용매를 이용한 추출법과 크로마토그래피(chromatography)를 들 수 있다. 이 두가지 공정은 깨끗하고 투명한 폴리머를 산출물로 얻을 수 있다.

그러나 이 기술로는 폴리머가 분자 수준에서 변화하지 않기 때문에, 고품질 수지 또는 신생 수지와 동일한 물성을 갖지는 않는다. 플라스틱의 분자량과 점도에 변화를 주는 가공방법은 사용 성능에 영향을 미칠 수 있는 용융 및 재용융 과정에서 가했던 열 이력을 그대로 유지하기 때문이다.

하지만, 첨가제 사용을 통해 정제하면 재생원료를 신생원료에 근접하는 물성을 부여할 수 있다. 이 기술은 장점이 많다. 신생원료 폴리머 같은 분자 구조를 지니고 있지 않아도 광범위하게 활용 가능한 신생 폴리머의 다양한 물성을 구현할 수 있다.

오염 물질을 완전히 제거하기만 하면 이렇게 가공한 재생원료는 원료 출처에 관계없이 식품이 직접 닿는 용도로도 적합하다. 이 방식으로 착색제와 첨가제를 제거한 재생원료는 소비재 제조기업의 다양한 포장재로 브랜드에 어울리는 색상으로 손쉽게 가공해 사용할 수 있다. 

이 공정은 기계적 리사이클링보다는 에너지 소모가 많지만 화학적 리사이클링 또는 탈중합화 공정보다 에너지가 적게 든다. 고도 리사이클링 기술과 관련한 에너지 소비량에 대해 경험적으로 입증된 법칙은 폴리머를 원래 형태에 더 근접하게 할수록 더 많은 에너지가 필요하다는 것이다.

 

Milliken(밀리켄)사는 PureCycle Technologies(퓨어사이클 테크놀로지스)사와 협력을 통해 물리적 선별 및 정제 과정을 활용해 이미 사용한 폴리프로필렌(PP) 을 신재 품질 수준으로 복원하는 기술을 개발했다.

분해기술(decomposition):

분해기술은 일반적으로 화학적 리사이클링 방법이 포함된다. 폴리에스테르와 폴리스티렌과 같은 수지들은 화학적 리사이클링 기술에 적합하다. 메타놀리시스(methanolysis, 메탄분해)와 같은 기술들이 이 범주에 들어간다. 화학적 공정 또는 분해 공정을 거치면 폴리머를 구성하는 복잡하게 얽힌 사슬을 풀 수 있다. 화학적 결합이 깨지면서 모노머 및 기타 화학적 기초재료를 얻을 수 있고, 이를 가지고 새로운 플라스틱을 만들어 낼 수 있다.

이 공정을 통해 첨가제와 착색제 등이 분리 제거된다. 이 과정에서 남은 순수 화학물질 및 모노머를 반응기에 투입하면 신생원료와 동일한 재생원료가 만들어진다. 이 기술을 통해 고품질 수지 공급업체의 공급사슬에서 유통되는 것과 동일한 제품을 만들어 낼 수 있기 때문에, 기존 수지 공급업체들의 유의미한 순환 모델 참여를 가능케하는 역할을 할 것이다.

이 기술의 규모에 대한 고려도 중요하다. 이러한 기술들이 상용화되면 화학 플랜트 규모로 가동되기 때문에, 기존의 기계적 리사이클링 시스템을 통해 움직이는 것보다 훨씬 많은 양의 재활용 수집품이 필요하게 될 것이다. 많은 이들이 향후 몇 년 동안 상용 규모의 이 같은 시스템들이 다수 들어설 것으로 예상하면서 이 시스템에 적합한 수집품을 안정적으로 확보하는 문제를 해결하려는 노력을 기울이고 있다.

수명주기 분석을 바탕으로 보면 이 기술들은 기계적 리사이클링 그리고 정제기술보다 환경 발자국이 높은 수준이지만, 화석연료 추출 공정을 줄일 수 있기 때문에 이런 종류의 기술은 전체적으로 보아 신생원료 생산보다는 환경 발자국을 낮추는 결과가 된다.

 

ChemCycling 순환 : 바스프의 화학적 재활용을 위한 예시

변환기술(conversion Technologies):

첨단 리사이클링 기술의 세 번째 범주로 플라스틱 제품을 판매 및 거래 가능한 다른 종류의 상품으로 변환하는 기술이다. 이를 통해 디젤, 원유타입 제품, 나프타, 산업용 왁스 등 다양한 석유화학 제품 소재로 최종 제품을 얻을 수 있다.

리사이클링으로 널리 인식되고 있는 첨단 리사이클링의 다른 두 가지 범주 기술들과 달리 변환 기술은 리사이클링에 포함되기도 하지만 항상 그런 것은 아니다. 변환 제품이 어떻게 취급되는가에 따라 이 공정을 리사이클링으로 간주할지 여부를 결정한다.

예를 들어 연료로 사용되는 디젤 제품을 생산하는 기술은 리사이클링이라는 용어의 정의를 기준으로 볼 때 리사이클링에 포함시키기 어려울 수도 있다. 가장 널리 알려진 리사이클링의 정의는 ISO 18604:2에 명시되어 있는 것으로, 포장재의 리사이클링을 다음과 같이 정의하고 있다:

이같은 정의에 관한 엘렌맥아더 재단의 해석에 따르면, 여기에는 기계적 리사이클링(폴리머 구조의 유지) 가공 및 화학적 리사이클링(예를 들어 화학적 가공 또는 효소 가공을 통해, 보다 근본적인 기초 폴리머로 구조 분해) 가공 모두를 포함한다. 하지만, 원료를 연료나 에너지로 재처리하는 기술은 명시적으로 제외하고 있다.

따라서, 변환 기술을 ‘리사이클링’으로 간주하려면 리싸이클링 산출물이 새로운 플라스틱 생산을 위해 투입될 원료 생산을 위해 필요한 후속 크래킹(cracking) 및 정련(refining) 가공용으로 판매되었다는 입증 자료가 필요하다.

 

상용화의 길

이러한 첨단 리사이클링 기술들은 파일럿 규모로 오래 전부터 존재해왔다. 이 기술들은 미래지향적 재활용 기술로 선전되어 왔지만, 아직은 지평선 저 너머에 있는 것으로 여겨지고 있다. 유가의 약세, 저렴한 신생원료 가격 또는 부진한 PCR 수요 등, 파일럿 규모에 머물고 있는 기술들을 상업적 수준으로 확대할 수 있는 핵심 여건들이 결코 조성되지 않았던 것으로 보인다.

즉, 지금까지는 그랬다. 브랜드 기업의 PCR 예상 수요량은 기업들이 약속한 2025년 PCR 사용량 목표 달성을 위한 대규모 공급사슬 재편을 야기하고 있다. 수요는 리사이클링 능력과 역량을 늘리기 위해 필요한 모든 곳의 투자를 결정하는 최우선적 요소가 됐으며, 이는 플라스틱 공급사슬 전반에 걸쳐 일어나고 있다.

지금까지 언급한 세 가지 범주의 고도 리사이클 분야에서 기술 상용화의 사례로 다음과 같은 주요 기업들을 들 수 있다:

• PureCycle Technologies(퓨어 사이클 테크놀로지스): Proctor & Gamble(프록터 앤 갬블)사가 개발한 기술이다. 미국 오하이오 주 행잉록에 건립중인 시설이 완공되면 PureCycle사는 시중 최고 품질의 PCR 폴리프로필렌을 생산하게 될 전망이다. 이 기술은 용매 추출 공정을 사용한 정제 기술의 일종이다.

• Regenyx(레제닉스): 화학기업 AmSty(앰스티)와 폐플라스틱 처리 기업 Agilyx(애질릭스)의 합작 투자사로, 세계 최초 상업적 규모의 화학적 리사이클링 시설임을 내세운다. 미국 오리건 주 티가드에 위치한 이 시설은 경성 및 발포 폴리스티렌을 스티렌 모노머로 분해해, AmSty사의 스티렌 제품 원료로 공급한다. 이 공정은 PolyUsable 리사이클링이라는 기술로 분해 기술의좋은 예다.

• Brightmark Energy(브라이트마크 에너지): 이 기술은 다양한 종류의 플라스틱을 탄화수소 제품으로 변환한다. 미국 인디애나 주 애쉴리에 건립 중인 첫 번째 공장은 연간 2억 파운드의 플라스틱 폐기물을 변환할 수 있을 것으로 전망한다. 이 시설은 디젤 1800만 갤런과 왁스 5백만 갤런을 생산할 예정이다. 브라이트마크의 이 기술은 첨단 리사이클링 중 변환 기술에 해당하는 사례다.

• ChemCyclingTM(켐사이클링): 이 프로젝트는 독일의 글로벌 화학기업 BASF(바스프)가 2018년 화학적 재활용 플라스틱 폐기물의 제품을 산업적 규모로 제조하기 위해 시작한 프로젝트다. 켐사이클링은 고부가가치 재활용 프로세스가 아직 확립되지 않은 플라스틱 폐기물에 집중적으로 물질 재활용을 보완해 물리적으로 재활용하기 어려운 폐플라스틱에서 혼합 플라스틱 폐기물, 잔류물이 남아 있는 플라스틱 또는 다층 식품 포장재에 적용한다.

이 프로젝트에는 열화학적 공정을 통해 폐플라스틱을 열분해유로 변환하는 기술 파트너와 협력했다. 이 재활용 오일을 밸류 체인(예: 스팀 크래커)의 시작 부분에서 화학 생산 페어분트에 공급함으로써 화석기반의 원료를 대체할 수 있다. 파일럿 단계에서 BASF는 고객사와 함께 첫 번째 프로토 타입을 발표했다. 여기에는 모짜렐라 치즈 포장재, 냉장고 부품 및 단열재가 포함된다. 2019년 BASF는 혼합 폐플라스틱의 열분해 및 생성된 오일 정화를 전문으로 하는 노르웨이의 스타트업 기업인 Quantafuel에 투자를 통해 파트너십을 체결하고 화학적 재활용 사업을 추진하고 있다.

이상 미국과 독일의 일부 사례 뿐 아니라 전 세계적으로 구축 중인 고도 리사이클링 기술의 예는 훨씬 더 많다. 현재는 신생원료 가격이 낮기 때문에 이런 첨단 리사이클링 시스템들을 통해 생산된 재생원료가 신생원료 보다 가격이 더 높을 수 있다. 그러나 엘렌맥아더 재단과 같은 조직의 영향력 덕분에 브랜드 기업들은 자신들이 공언한 PCR 사용량 약속에 대한 책임을 지기 위한 노력을 다할 것이다.

많은 이들은 이로 인해 고품질 수지와 재생원료의 가격 연동이 깨지게 됨으로써, 사실상 이 두 가지 원료에 대해 각기 다른 두 가지 시장이 만들어지게 될 것으로 예측하고 있다. 브랜드 기업들의 PCR이 신생원료에 비해 가격이 높아도 PCR 공급업체를 찾지 않을 수 없게 될 것이다.

미국화학위원회는 최근 이루어진 의회 증언에서 기계적 및 화학적 리사이클링을 발전시키기 위해 지난 18개월 동안 42억 달러가 투자됐다고 강조한 바 있다. 이런 대규모 투자 덕분에 기존의 플라스틱 재활용 및 리사이클링산업 양상이 크게 변화하게 될 것이다.

이 새로운 고도 리사이클링 기술은 새로운 재생원료와 관련 기업 모두를 순환형 폐기물 회수 시스템으로 한데 모으는 데 있어 중요한 역할을 할 것으로 보인다. 그리고 순환성이라는 목표 달성을 바란다면, 이것이 바로 우리가 산업적 규모로 이를 달성할 수 있도록 해줄 기술이다.

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