이화여자대학교는 김우재 화공신소재공학과 교수팀이 분리수거되지 않은 폐플라스틱 혼합물에서 이산화탄소 배출 없이 청정수소를 직접 생산하는 촉매 공정을 세계 최초로 개발했다고 9일 밝혔다.
이번 연구는 재활용이 어려워 대부분 열회수·소각 경로로 처리되던 폐플라스틱을 미래 에너지원으로 전환할 수 있는 기술적 돌파구로 평가된다. 김우재 교수(교신저자)와 박아형 미국 UCLA 교수, 김현아 한국항공대 교수, 임형규 강원대 교수가 공동으로 참여한 이번 연구 결과를 담은 논문은 자연과학 분야 세계적 권위지인 미국국립과학원회보(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, PNAS)에 7일 온라인 게재됐다.
기존의 폐플라스틱 재활용은 투명 PET를 제외하면 고부가 화학적 재활용이 어려웠다. 실제 분리수거가 이뤄지는 국내 현장에서는 투명 PET 중심으로 수거가 이뤄져, PET를 제외한 다수 플라스틱은 재활용 대신 열회수나 소각 방식으로 처리되는 게 현실이었다. 이 과정에서 발생하는 탄소 배출과 환경 부담 심화가 고질적 문제로 남았다.
김 교수 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 알칼리 열처리(ATT, Alkaline Thermal Treatment) 기술을 도입했다. 이 기술은 수산화나트륨을 활용해 비교적 낮은 온도에서 플라스틱을 분해하고 수소를 선택적으로 생산하는 공정이다. 연구팀은 기존에 축적해 온 바이오매스(해조류·폐목재 등) 기반 수소 생산기술을 화석원료 기반 고분자 물질인 플라스틱에 적용하기 위한 폐플라스틱 열산화 전처리 전략을 고안했다. 이를 통해 반응성이 낮아 기존 열처리 공정으로는 수소 생산 효율을 높이기 어려웠던 폴리에틸렌(PE)과 폴리프로필렌(PP) 등의 고분자 사슬에 산소 함유 작용기를 도입함으로써 바이오매스와 유사한 고반응성 상태로 전환하는 데 성공했다.
그 결과 연구진은 정교한 사전 선별 과정 없이도 PET, PE, PP가 뒤섞인 혼합 폐플라스틱 상태에서 청정수소를 직접 생산할 수 있음을 세계 최초로 증명했다.
이번에 개발된 공정은 폐플라스틱 유래 탄소를 이산화탄소로 배출하는 대신 탄산염 형태로 포집한다. 폐기물 처리 과정에서의 탄소 배출 부담을 원천적으로 줄이면서, 동시에 고부가가치 에너지원인 청정수소를 대량으로 생산할 수 있는 '폐기물-청정에너지 전환'의 일체형 모델을 제시한 점이 핵심이다.
김우재 교수는 “그동안 환경오염의 상징이었던 폐플라스틱을 탄소중립 시대의 청정수소 자원으로 재정의했다는 점에서 의미가 크다”며, “상용화의 가장 큰 장벽이었던 선별 비용과 공정 복잡성을 낮춘 만큼, 향후 수소경제와 순환경제를 동시 뒷받침하는 차세대 핵심 기술이 될 것”이라고 연구 의의를 밝혔다.
본 기술을 통해 생산되는 청정수소는 향후 발전 및 모빌리티 연료를 넘어 친환경 환원제철, 지속가능항공유(SAF) 제조, 저탄소 화학산업 등 경제적·대규모 청정수소 공급을 필요로 하는 미래 저탄소 산업 전반에 핵심 원료로 폭넓게 활용될 전망이다.
이번 연구는 △한국연구재단 공학분야 선도연구센터(ERC) 사업 미세플라스틱 대응 화공·바이오 융합 공정 연구센터 △과학기술정보통신부·교육부 국가연구소(NRL 2.0) 사업 멀티스케일 물질 및 시스템 연구소△한국연구재단 BrainLink 사업 한-EU 글로벌 수소 연구교류 및 첨단인력양성 사업단 △한국연구재단 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
조호현 기자 hohyun@etnews.com
