폴리에스터 폐자원 재활용 동향

석유자원의 고갈은 향후 플라스틱, 특히 PET의 생산에도 큰 어려움을 미칠 것으로 예상된다. 따라서 이러한 자원에 대한 재활용 또한 지금까지의 단순 선별, 세척으로 이어지는 물리적인 과정을 벗어나, 이제는 화학적 기술로의 발전이 요구되고 있다. 본문에서는 다가올 자원고갈의 시대를 대비해 화학적 재활용을 준비하는 국내외의 기술동향을 통해 폐자원의 재활용 기술의 활용성을 알아보고자 한다.

 

 

PET의 재활용
PET(Polyethylene Terephthalate)는 결정성이 크고 용융점이 높아 섬유로서 뿐만 아니라 필름, 병, 사출형 재료 등에도 흔히 사용된다. 이 중 특히 병으로 사용되는 PET는 무게가 가볍고 강도가 커서 깨지지 않으며 우수한 투명성, 기체 내투과성, 내약품성등과 더불어 내용물의 높은 품질 유지성으로 인해 식품의 위생성과 안전성 등을 인정받고 있다.
이러한 PET의 재활용은 주로 고분자 병의 포장재에 폭넓게 사용되면서 관심이 높아졌다. 섬유, 필름, 병 등을 위해 생산되는 폴리에스터 시장규모는 2008년 기준 연간 5,300만 톤 규모로 전체의 60%가 섬유, 31%가 병 및 포장용기, 9%가 필름 및 다른 용도에 사용되며 이 중 PET를 재활용하는 방법은 크게 두 가지로 나뉜다. 폴리에스터 클립이나 플레이크 형태로 이용하는 물리적 재활용과 화학반응을 통해 폴리에스터 원료를 회수하는 화학적 재활용이 그것이다. 그중 화학적 재활용이 더욱 가장 바람직한 방법으로 알려져 있는데, 사용 후 버려지는 폐폴리에스터를 다시 화학 원료화하는 것은 경제적일 뿐 아니라, 환경적인 측면에서 매우 중요하기 때문이다.
PET는 화학반응에 의해서 단량체로 분해되고 생성된 단량체는 PET 제조에서 원료물질로 재사용될 수 있다. 분해에 의해 생성된 단량체들은 최초의 고분자 합성에 이용되는 단량체와 같은 성질을 가지므로, 분해로 얻은 단량체로 제조된 PET와 순수 모노머로부터 생성된 PET의 성질과 품질은 같다고 볼 수 있다. 이런 이유로, 폐 PET는 분해되어 원료물질을 회수하고 회수된 원료는 다시 조합되어 수지의 성질을 잃지 않은 고분자로 합성되어 시장에 유통된다.

 

국내외 기술개발 동향
석유자원의 고갈 등으로 인해 앞으로는 석유자원으로부터 화학원료를 수급하기가 점점 어려운 상황이 될 것으로 예상된다. 때문에 버려지던 플라스틱 폐기물을 재활용하여 화학원료를 공급할 수 있도록 하는 재활용은 경제성을 제고시킬 수 있는 새로운 대안으로 떠오르고 있다. 뿐 만 아니라 환경적인 측면에서도 플라스틱 폐기물을 소각 혹은 매립하는 것은 여러 가지 공해 문제를 일으키므로 이를 다시 화학원료화하여 자원순환형 시스템을 구축하는 것이 무엇보다 중요하다.
현재 PET 폐기물은 깨끗한 상태일 경우에 한해 물질 재활용을 통해 PET 플레이크 (Flake, 박편상 고체) 또는 펠렛으로 제조하여 물리적 재활용을 하고 있다. 그러나 이는 오염 또는 이물질이 함유되었거나 물성이 저하된 저급 폐 PET의 물질재활용이 불가능하여 소각 또는 매립을 통해 자원이 낭비되고 있는 실정이다. 따라서 저급의 폴리에스터 폐기물(필름, 섬유, 용기 등)을 경제적이고 화학적으로 원료화 시킬 수 있는 공정 개발에 대한 연구가 시급하다.

 

국내외 기술 개발 현황
-미국의 사례
미국의 경우는 이스트만 코닥과 듀퐁이 화학적 재활용에 대한 관심을 가지고 연구를 지속하고 있다. 두 경우 모두 메탄올리시스 공정을 중심으로 두고 전처리 및 후처리 공정을 부가하는 형태를 띠고 있다. 이 공정의 장점은 메탄올리시스 제품인 DMT의 정제가 쉽다는 점이다.
이스트만 코닥은 해중합 반응기와 정류탑, 분해 장치로 이루어져 있는 3단계 설치로 PET 메탄올리시스 공정을 구성한다. PET의 흐름은 분해 장치로 직접 연결되어 있고, 반응기로부터 용융된 고분자와 정류탑 액체의 작용으로 인해 PET의 사슬길이는 감소되며, PET는 과열된 메탄올에 의해 반응기 안에서 해중합된다. 이렇게 해중합된 생성물은 정류공정으로부터 모노머 성분을 포함한 기상과 올리고머로 된 액상으로 나눠지게 된다.

- 일본의 사례
지금까지 일본의 PET 재활용기술은 우리나라와 마찬가지로 주로 물질 재활용에 치중되어 왔다. 이는 PET병을 수거하여 선별, 세척 건조 과정을 거쳐 섬유회사에서 섬유 옷감, 카펫 등으로 재활용하는 방식이다. 그러나 이는 재활용 과정에서 품질 열화에 의해 품질이 낮다는 단점을 가지고 있어 진정한 재활용시스템으로 보기 어려웠다. 그래서 최근 일본에서는 PET병을 원료물질로 전환시키는 화학적 재활용에 연구를 집중하고 있는데, 이는 화학적 재활용에 의한 원료로 얻어진 PET Resin은 Petroleum-based PET Resin과 비슷한 순도를 갖기 때문이다.
일본의 테이진그룹의 경우 2000년 PET병의 화학적 재활용 기술을 확립한 테이진파이버가 PET병에 쓰이는 수지를 생산하고 이는 테이진화학을 통해 판매되고 있다. 이 회사의 기술은 회수 PET병을 화학적으로 분해하여 DMT와 EG를 얻은 후, DMT를 고순도화하여 PTA로 변환하고 용액중합, 고상 중합을 통해 PET수지를 만드는 것으로 PTA이후의 공정은 석유화학 공정과 동일하다.

-국내 현황
화학적 재활용이 필요한 국내 PET 폐기물의 방출현황을 살펴보면 유색용기(Colored Bottle)는 투명용기의 30% 물량에 해당하며, 연간 약 2~3만 톤의 폴리에스터 폐기물이 방출되고 있다. 현재 맥주용기를 비롯한 색상이 들어간 유색 용기 생산량이 증가하는 추세에 있어 유색용기 배출량은 보다 증가할 것으로 보인다.
폐자기 필름의 경우는 현재 소각 혹은 폐기물 처리업체에 의해 처리되고 있으며, 폐비디오테이프는 연간 2500 톤 정도가 코오롱, LG, SKC, 새한 비디오 등의 회사에서 공정 폐기물로 방출되고 있다. 더불어 폐오디오 테이프는 연간 900 톤 정도가 SKM 및 새한 비디오 등에서 공정 폐기물로 방출되고, 폴리에스터 합성 공정에서의 공정 폐슬러지는 연간 8,000톤 정도가 발생하고 있다. 이와 같이 여러 가지 다양한 폴리에스터 폐기물(필름, 섬유, 수지, 병 등)의 발생량이 증가하고 있으며 이에 따라 이를 처리할 수 있는 화학적 재활용 기술 개발의 필요성이 증대되고 있다.
현재 국내에서 이와 관련한 연구는 충남대 연구팀에 의해 이루어지고 있는데, 이 공정은 맥주병을 포함한 유색 용기, 폐자기 필름, 올리고머 슬러지, CHDM(Cyclohexanedimethanol) 공중합체를 전처리, 원료화할 수 있다는 특징을 갖는다. 이 원료화 공정은 메탄올리시스와 글리콜리시스의 혼성공정으로 이루어져 있어 각각의 장점을 취할 수 있게 설계되었다. 즉 DMT의 정제가 쉬워 원료화 제품의 순도를 보장하는 메탄올리시스의 장점과, 다양한 폐폴리에스터를 처리할 수 있도록 해 주고, 분자량이 큰 고분자를 저분자량의 올리고머로 만들어 메탄올리시스 시간을 줄여주는 글리콜리시스의 장점이 합쳐진 것이다. 이와같은 혼성공정의 채택과 조업조건의 최적화는 곧 획기적인 생산성 증대로 이어졌다.
이렇게 얻어진 DMT는 (주)휴비스 및 (주)새한의 분석결과 ‘양호’ 판적을 받았으며, 현장 중합테스트를 통과하여 본 공정에서 얻어진 DMT가 폴리에스터 공장에 원료로 공급될 가능성도 보였다. 현재 이 기술을 바탕으로 상업화 연구가 (주)시온텍에서 진행되고 있다.

결론
최근의 석유 값 폭등으로 인한 화학원료 가격의 상승은 PET를 사용하는 기업에게 석유로 부터 얻어지는 화학원료가 아닌 다른 대안, 즉 PET계 플라스틱의 화학적 재활용을 통한 폴리에스터 원료의 확보를 심각하게 고려하도록 압박하고 있다. 또한 폭발적인 인구증가와 대량생산, 대량소비에 따른 플라스틱의 대량 폐기는 환경오염, 자원고갈 등의 문제를 야기해 옴에 따라 PET계 플라스틱 폐기물의 재활용에 대한 관심이 높아지고 있다.
PET계 폐플라스틱의 화학적 재활용의 경우 Virgin과 같은 원료화 제품을 만들 수 있다는 장점이 있어 경제적 가치가 뛰어나다. 또한 여러 가지 PET 폐기물에 대해 높은 유연성을 가지고 있으며, 다른 처리방법 (Multilayer Extrusion Processing, Superclean Recycling)과 달리 불순물을 포함한 폴리에스터를 처리할 수도 있다. 따라서 앞으로는 섬유, 유색용기, 폐자기 필름, 올리고머 슬러지 등 여러 플라스틱의 혼합물 등을 처리할 수 있는 화학적 재활용 기술 개발의 중요성도 증가할 것으로 보인다.

 

맥주병, PET 올리고머, 폐자기 필름, PET 공중합체 폐기물, PET 병 등 화학적 재활용이 가능한 각종 폴리에스터 폐기물

 

출처 : 대한고무학회, 「엘라스토모 및 콤포지트」2012년 6월호 ‘폴리에스터 폐자원의 화학적 재활용기술’
저자 : 한명원(충남대학교 화학공학과), 강경석((주)시온텍), 송재경((주)시온텍)

[여기에 산업뉴스 보도일자 : 2012-09-04 ]