경북대 민유호 교수팀·한국생산기술연구원 문건대 박사팀 공동 연구
폐굴껍데기에서 얻은 산화칼슘 활용해 새로운 촉매 설계
국제학술지 'Chemical Engineering Journal' 게재
경북대학교 연구팀이 버려지는 폐굴껍데기를 활용해 폐플라스틱(PET)을 새 플라스틱 원료로 되돌릴 수 있는 친환경 촉매를 개발했다. 해양 폐기물과 폐플라스틱 문제를 동시에 해결할 수 있는 자원순환 기술로 주목된다.
경북대 금속재료공학과 민유호 교수팀은 한국생산기술연구원 문건대 박사팀과 공동으로 폐굴껍데기에서 추출한 산화칼슘(CaO)과 자성 물질을 결합한 '자성 이중 산-염기 촉매'를 개발했다고 1일 밝혔다. 이 촉매는 폐PET를 고효율로 분해하면서도 반응이 끝난 뒤 자석만으로 쉽게 회수할 수 있는 것이 특징이다.
PET는 생수병과 섬유, 포장재 등에 널리 쓰이는 대표적인 플라스틱이다. 기존 재활용 방식은 폐PET를 잘게 부수고 녹여 다시 사용하는 기계적 재활용이 대부분이지만, 재활용을 반복할수록 품질이 떨어지고 이물질이 섞이면 고품질 제품 생산이 어렵다는 한계가 있다.
이를 보완하기 위해 최근에는 PET를 화학적으로 분해해 새 플라스틱을 만들 때 사용하는 원료(BHET) 상태로 되돌리는 '화학적 재활용' 기술이 주목받고 있다. 하지만 기존 촉매는 대부분 미세 분말 형태여서 반응 후 회수가 어렵고 반복 사용이 쉽지 않았다.
연구팀은 이 같은 문제를 해결하기 위해 폐굴껍데기에서 얻은 산화칼슘과 코발트페라이트를 결합한 새로운 촉매를 설계했다. 코발트페라이트는 PET 분자 결합을 느슨하게 만들고, 산화칼슘은 분해 용액인 에틸렌글리콜(EG)을 활성화해 PET 사슬을 효과적으로 절단하는 역할을 한다.
실험 결과 새 촉매는 PET 분해에 필요한 활성화 에너지를 기존 촉매보다 약 절반 수준으로 낮췄다. 210℃에서 3시간 반응 시 폐PET를 약 99% 분해했으며, BHET를 90% 이상의 높은 수율로 생산했다. 또한 자석만으로 촉매를 손쉽게 회수할 수 있었고, 20회 이상 반복 사용한 뒤에도 높은 성능을 유지했다.
연구팀은 실험실 규모를 넘어 10g, 100g, 10kg 규모까지 공정을 확대해 검증한 결과, 10kg급 반연속 공정에서도 90% 이상의 PET 분해율을 유지해 산업 현장 적용 가능성도 확인했다고 설명했다.
특히 이번 연구는 해양 폐기물인 굴껍데기를 고부가가치 촉매 원료로 활용했다는 점에서 의미가 크다. 연구팀은 해양 쓰레기와 도시의 폐플라스틱을 동시에 자원으로 활용하는 순환경제 모델을 제시했다고 평가했다.
민유호 경북대 교수는 "이번 연구는 폐굴껍데기에서 얻은 산화칼슘의 강한 염기성과 코발트페라이트의 산 활성점, 자성 회수 기능을 하나의 촉매 구조에 결합한 데 의미가 있다"며 "폐PET 화학적 재활용 공정의 효율을 높이고 플라스틱 순환경제 구현에 기여할 것으로 기대한다"고 말했다.
이번 연구는 해양수산과학기술진흥원과 한국연구재단 지원으로 수행됐으며, 연구 결과는 화학공학·소재 분야 국제학술지 'Chemical Engineering Journal'(IF 12.5, JCR 상위 4%) 지난달 14일자 온라인판에 게재됐다.
