화학 재활용
화학 재활용
개요
화학 재활용(Chemical Recycling)은 폐기물, 특히 플라스틱 폐기물을 화학적 방법을 통해 원료 수준으로 분해하여 새로운 소재로 재생산하는 기술을 의미합니다. 기존의 기계적 재활용(Mechanical Recycling)이 물리적인 방법으로 폐기물을 세척, 분쇄, 용융하여 재성형하는 방식인 반면, 화학 재활용은 고분자 사슬을 화학적으로 끊어 모노머(단위 분자) 또는 기초 원료(기름, 가스 등)로 되돌리는 방식입니다. 이 기술은 기계적 재활용이 어려운 오염되거나 복합 소재의 폐기물 처리에 큰 가능성을 제공하며, 순환경제(Circular Economy) 실현의 핵심 기술로 주목받고 있습니다.
특히 플라스틱 쓰레기 문제 해결을 위한 대안으로 각광받고 있으며, 세계 각국의 정부와 기업들이 기술 개발 및 산업화에 투자하고 있습니다.
화학 재활용의 원리와 과정
화학 재활용은 폐기물의 화학 구조를 변화시켜 원료로 회수하는 과정으로, 일반적으로 다음과 같은 단계를 거칩니다:
- 수집 및 전처리: 폐기물(주로 플라스틱)을 수집하고 불순물(라벨, 금속, 이물질 등)을 제거합니다.
- 화학 분해: 고온, 촉매, 용매 등을 이용해 고분자 사슬을 분해합니다.
- 정제 및 분리: 생성된 화학 물질(모노머, 오일, 가스 등)을 정제하여 순도를 높입니다.
- 재합성 또는 활용: 회수된 원료를 새로운 플라스틱이나 화학 제품 생산에 사용합니다.
이 과정은 폐기물의 종류와 목표 산물에 따라 다양한 기술로 나뉩니다.
주요 화학 재활용 기술
1. 열분해(Pyrolysis)
- 정의: 무산소 상태에서 고온(400~800°C)으로 플라스틱을 가열하여 액체 오일, 가스, 탄소 잔여물로 분해하는 기술.
- 적용 소재: 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP) 등 주로 열가소성 플라스틱.
- 장점: 복합 플라스틱이나 오염된 폐기물에도 적용 가능.
- 산물: 합성유(Plastic oil), 수소, 메탄 등.
- 활용 예: 합성유는 정유사에서 정제 후 휘발유, 디젤 등 연료로 사용 가능. 또는 화학 원료로 재사용.
2. 가스화(Gasification)
- 정의: 폐기물을 산소, 수증기와 함께 고온에서 반응시켜 합성가스(CO + H₂)를 생성하는 기술.
- 적용 소재: 유기성 폐기물 전반(플라스틱, 바이오매스 등).
- 장점: 에너지 회수 효율이 높고, 다양한 연료 및 화학물질 생산 가능.
- 산물: 합성가스 → 메탄올, 암모니아, 액체 연료 등으로 전환 가능.
3. 용해 분해(Depolymerization)
- 정의: 특정 촉매 또는 용매를 사용해 고분자를 원래의 모노머로 분해하는 기술.
- 적용 소재: 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리우레탄(PU), 나일론 등 가역적 고분해가 가능한 플라스틱.
- 장점: 고품질의 모노머 회수가 가능하여 식품 접촉용 플라스틱 생산에도 사용 가능.
- 예: PET를 에틸렌 글리콜과 테레프탈산으로 분해 후 재합성.
4. 수열분해(Hydrothermal Liquefaction)
- 정의: 고온·고압의 수용액에서 폐기물을 처리하여 바이오오일 또는 화학 원료로 전환.
- 적용 소재: 수분을 포함한 유기성 폐기물, 일부 플라스틱 혼합물.
- 장점: 물을 매개로 하여 반응 효율 향상.
장점과 한계
✅ 장점
- 고품질 원료 회수: 재생된 원료는 바이오 기반 원료(virgin material)와 동등한 품질을 가짐.
- 복합 폐기물 처리 가능: 기계적 재활용이 어려운 혼합 플라스틱, 오염된 소재 처리 가능.
- 순환경제 실현: 플라스틱을 무한히 재활용할 수 있는 기반 제공.
- 탄소 배출 감축 잠재력: 화석 원료 사용을 줄이고 폐기물 매립/소각을 감소시킴.
❌ 한계 및 도전 과제
- 고비용: 설비 투자 및 운영 비용이 높아 경제성 확보가 어려움.
- 에너지 소모량: 고온 공정으로 인해 상대적으로 높은 에너지가 필요.
- 기술 상용화 미진: 일부 기술은 여전히 실험실 또는 시범 단계.
- 환경 영향 논란: 일부 공정에서 온실가스 또는 유해물질 배출 가능성 존재.
국내외 동향
세계적 동향
- EU: 화학 재활용을 "재활용"으로 인정하고 2030년까지 플라스틱 재활용 목표(55%) 달성을 위한 핵심 수단으로 채택.
- 미국: 에너지부(DOE)가 화학 재활용 기술 개발에 다수의 연구 과제 지원.
- 기업 동향: 바스프(BASF), 다우(Dow), 엑슨모빌 등이 화학 재활용 공정을 상용화하거나 파트너십 체결.
한국의 현황
- 정부 정책: 환경부의 '플라스틱 순환경제 로드맵'에 화학 재활용 기술 개발 포함.
- 연구기관: 한국화학연구원, 한국기계연구원 등이 기술 개발 주도.
- 기업 사례: SK지오센트릭, 롯데케미칼 등이 열분해 기술 도입 및 시범 공장 운영 중.
- 법적 기반: 「자원순환법」 개정을 통해 화학 재활용 인증 제도 도입 검토 중.
관련 기술 및 미래 전망
화학 재활용은 생물학적 재활용(Bio-recycling, 효소 분해 등)과 결합하여 더 효율적인 폐기물 처리 시스템을 구축할 수 있습니다. 또한 인공지능(AI) 기반의 촉매 설계, 공정 최적화 기술과 접목될 경우 경제성과 효율성이 크게 향상될 전망입니다.
장기적으로는 탄소 중립(Carbon Neutrality) 달성과 연계하여, 화학 재활용에서 회수된 탄소를 CCU(Carbon Capture and Utilization) 기술과 결합해 새로운 화학 제품 생산에 활용하는 방안도 연구되고 있습니다.
참고 자료 및 관련 문서
- 환경부, 플라스틱 순환경제 로드맵 (2022)
- 한국화학연구원, 화학적 재활용 기술 백서
- Ellen MacArthur Foundation. (2021). Chemical Recycling: State of Play.
- OECD. (2023). Advanced Recycling Technologies for Plastics.
관련 문서: 기계적 재활용, 순환경제, 열분해, 플라스틱 재활용, 폐기물 에너지화
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