형상 및 반응 변수. 크레딧: Nature Chemical Engineering(2024). DOI: 10.1038/s44286-024-00108-3

매년 전 세계적으로 수억 톤의 플라스틱 폐기물이 발생합니다. 과학자들은 이 폐기물의 상당 부분을 고품질 제품으로 재활용하여 진정한 순환 경제를 가능하게 하는 새로운 방법을 끊임없이 연구하고 있습니다. 그러나 현재의 재활용 수준은 이 목표에 미치지 못합니다.

대부분의 플라스틱 폐기물은 파쇄된 다음 녹여 기계적으로 재활용됩니다. 이 과정을 통해 새로운 플라스틱 제품이 탄생하지만 재활용 단계를 거칠 때마다 품질이 저하됩니다.

이에 대한 대안은 품질 손실을 방지하는 화학적 재활용입니다. 이 방법은 장쇄 플라스틱 분자(폴리머)를 기본 구성 요소(단량체)로 분해하여 새로운 고품질 플라스틱으로 재조립하여 진정으로 지속 가능한 순환을 만드는 것입니다.

플라스틱 폐기물로 만든 연료

화학적 재활용에 대한 접근 방식이 발전함에 따라 초기에는 이러한 긴 폴리머 사슬을 액체 연료 또는 윤활유로 사용할 수 있는 더 짧은 사슬 분자로 분해하는 데 중점을 둡니다.

이를 통해 플라스틱 폐기물은 휘발유, 제트 연료 또는 엔진 오일로 두 번째 생명을 얻습니다. ETH Zurich의 과학자들은 이제 이 과정을 개발하기 위한 중요한 토대를 마련했습니다. 이를 통해 전 세계 과학계는 보다 표적화되고 효과적인 재활용 개발 작업에 참여할 수 있습니다.

촉매 공학 교수인 하비에르 페레즈-라미레스(Javier Pérez-Ramírez)가 이끄는 그룹의 연구원들은 폴리에틸렌과 폴리프로필렌을 수소로 분해하는 방법을 조사했습니다. 여기에서도 첫 번째 단계는 강철 탱크에서 플라스틱을 녹이는 것입니다. 그런 다음 기체 수소가 용융 플라스틱에 도입됩니다. 이 연구는 Nature Chemical Engineering에 게재되었습니다.

중요한 단계는 루테늄과 같은 금속을 포함하는 분말 촉매를 추가하는 것입니다. 적합한 촉매를 신중하게 선택함으로써 연구자들은 화학 반응의 효율성을 높여 메탄이나 프로판과 같은 부산물을 최소화하면서 특정 사슬 길이를 가진 분자의 형성을 촉진할 수 있습니다.

회전 속도와 형상이 핵심입니다

"용융된 플라스틱은 꿀보다 천 배나 두껍습니다. 핵심은 촉매 분말과 수소가 바로 혼합되도록 탱크에서 어떻게 저어주느냐입니다"라고 Pérez-Ramírez 그룹의 과학자인 Antonio José Martín은 설명합니다.

실험과 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 연구팀은 블레이드가 축과 평행한 임펠러를 사용하여 플라스틱을 가장 잘 교반할 수 있음을 입증했습니다. 각진 블레이드가 있는 프로펠러 또는 터빈 모양의 교반기와 비교할 때 이는 더 균일한 혼합과 더 적은 흐름 소용돌이를 초래합니다. 교반 속도도 마찬가지로 중요합니다. 너무 느리거나 너무 빠르지 않아야 합니다. 이상적인 속도는 분당 1,000회전에 가깝습니다.

연구원들은 모든 매개변수와 함께 전체 화학적 재활용 과정을 설명하는 수학 공식을 성공적으로 개발했습니다. "모든 화학 엔지니어의 꿈은 공정에 이와 같은 공식을 사용하는 것입니다"라고 Pérez-Ramírez는 말합니다. 연구 분야의 모든 과학자들은 이제 교반기의 형상과 속도의 영향을 정확하게 계산할 수 있습니다.

이 공식을 사용하면 향후 실험에서 제어하에 혼합의 영향과 다른 촉매를 직접 비교하는 데 집중할 수 있습니다. 또한 여기에서 개발된 원칙은 실험실에서 대규모 재활용 공장으로 기술을 확장하는 데 핵심이 됩니다.

"그러나 현재로서는 플라스틱의 화학적 재활용을 위한 더 나은 촉매를 연구하는 데 집중하고 있습니다"라고 Martín은 말합니다.

이상의 기사는 2024년 8월 28일 Phys.org에 게재된 “Chemical plastics recycling is ready to go: Researchers show that it's all about the stirring”제목의 기사 내용을 편집하여 작성하였습니다.

* 원문정보 출처 : Chemical plastics recycling is ready to go: Researchers show that it's all about the stirring (phys.org)

* 추가정보 출처 : Assessment of transport phenomena in catalyst effectiveness for chemical polyolefin recycling | Nature Chemical Engineering

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