폐비닐·플라스틱 처리 법 찾았다…수소·고체 탄소로 바꾸는 기술 개발

버려지는 플라스틱을 수소 연료와 고체 탄소로 바꾸는 기술이 개발됐다.

최근 영국 과학전문 ‘뉴사이언티스트’ 등에 따르면, 영국 옥스퍼드대 등 국제연구진은 전자레인지에서 흔히 쓰이는 마이크로파를 사용해 플라스틱에 포함돼 있는 수소의 97%를 회수하는 방법을 찾아냈다.

플라스틱의 대표 격인 비닐봉지에 든 수소는 중량 대비 14%로 알려졌기에 1㎏의 비닐봉지에서는 이론상 13.58g의 수소를 얻을 수 있다. 이는 앞으로 폐비닐봉지에서 추출한 수소를 연료로 쓸 수 있다는 것이다. 게다가 플라스틱에서 수소를 추출하면서 남는 것은 이산화탄소가 아니라 매우 순도 높은 탄소 나노튜브 덩어리라는 고부가가치 소재라는 점이다.

연구를 주도한 피터 에드워즈 옥스퍼드대 화학과 교수는 그동안 플라스틱을 재활용하는 기술을 개발하기 위해 연구를 거듭해왔다. 그는 폐플라스틱 가운데 대표적인 비닐봉지에는 꽤 많은 양의 수소가 함유돼 있다는 사실을 알고 있었기에 만일 수소를 쉽게 추출할 수 있으면 폐플라스틱은 하룻밤 사이에 연료전지를 충전하는 전력원으로 거듭날 수 있다고 생각했다.

하지만 문제는 이를 어떻게 바꾸냐는 방법에 있었다. 플라스틱에서 수소를 추출하려면 이론상 높은 온도가 필요하고 공정도 복잡하다. 그래서 에드워즈 교수와 동료 연구자들은 전자레인지 원리의 응용을 생각한 것이다. 전자레인지는 마이크로파를 발생해서 대상 내부에 있는 물 분자를 진동하게 해 열이 발생하게 한다. 다만 플라스틱은 물 분자와 달리 마이크로파에서는 제대로 가열할 수 없다.

따라서 연구진은 일종의 편법을 쓰기로 했고 이것이 나중에 큰 성과를 가져오게 됐다. 이들 연구자가 시도한 방법은 나노 크기의 산화철 입자와 산화알루미늄 입자를 첨가하는 것이다. 최근 나노 기술의 진보로 도전성 금속을 나노 크기까지 부수면 어느 크기 이하에서는 금속으로 작용하지 않아 마이크로파의 흡수량이 100억 배 이상 증가하는 특성이 밝혀졌기 때문이다. 덕분에 연구진은 이들 나노 크기의 금속 입자를 부순 플라스틱 분말과 섞음으로써 입자를 통해 플라스틱을 가열할 수 있다고 생각했다.

실험을 진행한 결과 이들의 예상은 적중했다. 나노 크기의 금속 입자는 마이크로파를 흡수해 고온이 돼 입자(특히 철 입자) 표면에서는 플라스틱이 가열되면서 수소가 발생함과 동시에 남은 찌꺼기에서는 탄소 덩어리가 생성된 것이다.

측정에서는 이 새로운 기술의 수소 회수율이 매우 뛰어나 플라스틱에 포함된 수소의 97%에 해당하는 양을 불과 몇 초만에 회수한 것으로 밝혀졌다. 뿐만 아니라 더욱더 흥미로운 현상은 남은 찌꺼기에서 탄소 덩어리가 발견됐다는 것이다. 심지어 그중 90% 이상은 탄소 나노튜브의 형상을 띄었다. 연구진이 수소가 빠져나간 플라스틱 찌꺼기를 정밀하게 분석한 결과 92%는 탄소 나노튜브를 구성하는 것으로 확인됐다. 탄소 나노튜브는 탄소 분자만으로 만들어진 튜브 형태의 구조로 차세대 반도체나 연료전지에 응용될 것으로 기대되는 소재다.

그렇다면 왜 플라스틱과 금속 입자의 혼합이 탄소 나노튜브를 만들어낸 것일까. 나노 크기의 철 입자는 미지의 촉매 현상을 일으키고 있는 것으로 추정된다. 마이크로파로 가열한 금속 입자가 플라스틱에서 탄소 나노튜브를 만들어내는 예상 과정은 논문에 첨부된 이미지와 같다.

이를 보면 마이크로파가 금속 입자를 가열하면 열이 입자에서 플라스틱으로 전달돼 플라스틱을 구성하는 탄소와 수소의 결합(C-H)이 파괴돼 순수한 탄소와 수소가 생성된다. 또 탄소의 생성과 석출(deposition·고체 표면에 주위로부터 어떤 물질이 부착·응집하는 것)이 계속되자 탄소는 금속 입자(특히 철 입자)의 표면을 미끄러지듯 이동하면서 원통형의 탄소 나노튜브로 결정화했다.

이 과정이 사실이라면 마이크로파 조사에 의해 철 입자가 가열된 결과, 어떤 분극(polarization·극성이 생김)이 철 입자에 발생해 탄소 나노튜브를 연속해서 만들어내는 미지의 촉매 과정이 작용하고 있음을 의미한다.

이번 연구를 통해 폐플라스틱을 마이크로파로 처리함으로써 연료가 되는 수소와 차세대 재료가 되는 탄소 나노튜브를 동시에 얻을 수 있다는 사실이 밝혀졌다. 대부분이 고온에서 태우거나 묻어야 했던 폐플라스틱에서 연료와 탄소 나노튜브로 바꿀 수 있는 새로운 기술은 폐플라스틱을 가치 있는 것으로 만들 수 있는 것이다.

이 연구는 또 과학적으로도 매우 흥미로운 과제를 남겼다. 나노 크기로 부서진 금속 입자가 가진 성질은 원래의 금속 덩어리와 달리 탄소 나노튜브를 만들어내는 촉매 작용을 한다는 사실을 밝힌 것이다. 이 촉매 작용의 자세한 과정은 현재 알 수 없지만, 앞으로 밝혀낼 수 있으면 나노 기술을 새로운 단계로 끌어올릴 수 있을지도 모른다.

자세한 연구 결과는 촉매 분야 전문지인 ‘네이처 카탈리시스’(Nature Catalysis) 최신호(10월 12일자)에 실렸다.

윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr