폐섬유에서 폴리에스터만 골라낸다

한국화학연구원 그린탄소연구센터 조정모 책임연구원 연구팀은 폐의류 내 염료의 화학적 성질을 이용해 재활용 원료를 분리할 수 있는 선별 기술을 개발했다. 

섬유폐기물의 경우 대부분 다양한 소재가 혼용되어 있기 때문에 재활용을 위해서는 재질별로 분류하는 작업이 뒤따른다. 수작업으로 1차 선별을 마치더라도 여전히 각종 이물질이 포함된 경우가 많아 물리 또는 화학적 재활용에 한계가 있다.

연구팀은 특정 소재에만 선택적으로 작용하는 저가의 화합물을 활용해 혼합 폐섬유로부터 폴리에스터 소재만을 골라내는 화학적 선별 기술을 개발했다. 이렇게 분류된 폴리에스터 섬유를 저온 분해성 합성 이전의 단량체 원료로 되돌리는 화학적 재활용 기술도 동시에 개발했다.

혼합 폐섬유에서 색이 있는 섬유만 골라낸 뒤에 연구팀이 개발한 추출제를 적용해 탈색이 일어나는 섬유를 폴리에스터로 판별해 분리하는 방식이다. 색이 없는 섬유는 반대로 염색되어 폴리에스터로 분리할 수 있다.

이번 연구의 핵심은 소비 후 버려진 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)를 bis(2-하이드록시에틸 아크릴산)를 이용해 효율적으로 전환하기 위해 개발된 분해 촉매 방법이다. 

해당 반응 시스템에 알콕시 그룹을 포함하는 방향족 화합물(예: 아니솔)을 추가하면 153°C 반응 온도에서 ‘PET’에서 ‘BHET(해중합된 단량체)’로 전환된다. 이는 고온(197℃)을 요구하는 기존 분해공정과 달리 저온에서 적용 가능해 에너지 소비량을 크게 줄임으로써 재활용 경제성을 높일 수 있다. 동시에 전체 촉매 성능을 거의 변하지 않는다.

알칼리 금속(Na 또는 K) 아세테이트에 의해 촉매 되는 최적의 반응 조건에서도 PET는 86%의 BHET 수율로 2시간 만에 완전히 분해됐다. 

또한 아니솔과 촉매 분해를 촉진하는 다른 화학 종 사이의 상세한 반응 거동과 가능한 분자 간 상호 작용도 조사했다. 실험결과를 바탕으로 가장 가능성 있는 반은 단계를 제안하고 전체 반응 거동을 기계적으로 설명하는 동역학 모델을 개발했다.

Co-solvent-assisted glycolysis 시스템에서 PET 분해에 대한 추정된 겉보기 활성화 에너지는 80.9kJ mol-1의 낮은 값인 것으로 나타났다. 이는 공용매가 없는 해당과정보다 훨씬 낮은 반응 온도에서도 높은 반응성을 나타낸다.

화학연구원은 이 기술을 ㈜리뉴시스템에 이전해 2024년 말까지 폴리에스터 처리 기준 연간 1만 톤 규모의 실증 플랜트(해중합 설비) 구축, 2025년부터 재생 단량체 양산에 들어갈 계획이다.

한편 이번 연구결과는 이미 지난해 12월 26일자 미국화학회(ACS)의 ‘ACS 서스테이너블 케미스트리 앤드 엔지니어링(ACS Sustainable Chemistry & Engineering)’ 저널 표지논문에 선정됐다.

김성준 기자 tinnews@tinnews.co.kr

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