"혼합 폐플라스틱 분리수거 안해도 돼"…기계연, 3분기 여수산단서 신기술 실증

세계 최초 '수소+고온 플라즈마 토치로 0.01초 내 벤젠 등 분해...경제성도 뛰어나

플라스틱을 재질별로 나눠 수거하거나, 라벨을 제거하는 등의 과정없이 손쉽게 재활용할 수 있는 획기적인 방법을 국내 연구진이 수소와 플라즈마 토치에서 찾았다.

"엄청난 경제성까지 갖췄다"는 것이 이 기술을 개발한 송영훈 한국기계연구원 폐유기물기초원료화사업단장의 설명이다. 송 단장은 오는 3분기부터 여수 석유화학단지에서 실증 테스트에 들어간다고 부연 설명했다.

한국기계연구원은 한국화학연구원, 한국생산기술연구원, 한국과학기술연구원 및 대학들이 참여하는 ‘플라즈마 활용 폐유기물 고부가가치 기초원료화 사업단(단장 송영훈, 이하 사업단)’이 다양한 폐플라스틱을 엄격한 선별 과정 없이 플라스틱 원료로 되돌리는 혁신적인 플라즈마 전환 공정을 개발했다고 3일 밝혔다.

폐플라스틱 분해 기술을 개발한 한국기계연구원 송영훈 단장(오른쪽)과 이대훈 단장.

이 기술은 혼합 폐플라스틱을 플라즈마를 이용해 에틸렌과 벤젠으로 전환하는 새로운 개념의 공정이다. 플라즈마는 고온에서 전기적으로 활성화된 기체 상태로 기존 열분해보다 훨씬 빠른 반응 속도와 높은 에너지 전달 특성을 가진다.

연구팀은 세계 최초로 100% 수소를 사용하는 고온 플라즈마 토치를 개발, 혼합 폐플라스틱을 1,000~2,000℃의 초고온에서 0.01초 이내에 분해하는 데 성공했다.

이 분해과정을 통해 분리하는 물질은 플라스틱 제조의 핵심 원료인 에틸렌과 벤젠. 선택도(원하는 물질이 차지하는 비중)는 70~90%, 에틸렌 수율은 70% 이상도 가능하다는 것이 연구팀 설명이다.

정제 과정 후에는 99% 이상의 고순도 원료 확보가 가능하다.

연구팀은 이를 위해 초고온에서 빠른 분해를 통해 고분자 구조를 효율적으로 깨뜨리고 고온에서 필연적으로 발생하는 탄소 생성을 억제하기 위해 100% 수소 기반 운전 방식을 도입했다.

이로 인해 장기 운전 안정성이 획기적으로 향상됐다. 또 부산물인 왁스와 경질 탄화수소도 동시에 처리할 수 있어 전체 생성물의 70~80% 이상을 재활용 가능한 특정 원료인 에틸렌과 벤젠으로 전환하는데 성공했다.

특히 기존 열분해에서 활용이 어려웠던 왁스까지 80% 이상의 선택도로 전환해 에너지 효율도 크게 높였다.

한국기계연구원이 개발한 수소 플라즈마 실증 설비. 3분기 내 여수산단으로 옮겨 실증을 진행한다.(사진=기계연)

이 기술이 상용화되면 1% 미만인 국내 폐플라스틱 화학적 재활용률을 획기적으로 높일 수 있다. 소각 대신 재활용이 가능해 탄소배출 저감효과가 크고, 신재생에너지를 활용하면 이산화탄소 배출이 사실상 없는 시스템도 가능하다.

파일럿 운전에서는 경제성도 입증됐다는 것이 송영훈 단장 설명이다. 여기서 생산된 에틸렌 단가는 기존 에틸렌 원료 가격과 동일한 수준으로 분석됐다. 연구팀은 오는 2026년부터 국내 실증 사이트에서 장기 운전 검증을 진행해 상용화를 가속화할 계획이다.

기존 폐플라스틱은 소각, 소각 후 열회수, 물리적 재활용, 화학적 재활용의 형태로 처리돼 왔다. 이중 화학적 재활용률은 경제성 문제로 1% 미만으로 낮았다. 화학적 재활용을 위한 혼합 플라스틱은 반드시 엄격한 선별 과정을 거쳐야 한다.

또한 일반적인 플라스틱 열분해는 약 450~600℃에서 진행되는데 이 경우 백여 종 이상의 화학물질이 혼합된 상태의 물질이 생성돼 실제 활용 가능한 화학물질은 전체의 20~30%에 불과했다.

송영훈 단장은 “세계 최초로 혼합 폐플라스틱을 원료로 전환하며 경제성을 갖춘 공정을 확보했다”며 “실증과 사업화를 통해 폐기물과 탄소 문제를 동시에 해결할 것”이라고 밝혔다.

송 단장은 "연료로 쓰는 수소는 폐플라스틱 리사이클 공정에서 나오는 것을 활용하기 때문에 생산단가가 낮은 이유 가운데 하나"라며 "항공유 생산에 쓰는 재활용 플라스틱으로 생산할 경우 시가의 6배까지 구매하는 것으로 안다"고 이 기술의 경제성을 재차 강조했다.

또 이대훈 질소자원화전략연구단장은 “이번 연구과정에서 공정 기술과 함께 여러 요소기술이 확보됐다"며 "반도체·디스플레이 공정의 온실가스 처리, 고품질 소재 생산 등으로도 확장 가능성이 크다”고 부연 설명했다.

한편, 기계연은 사업단 연구성과 최종보고회를 오는 5일 한국기계연구원 본관동 대회의실에서 개최한다.

한국기계연구원 플라즈마 활용 폐유기물 고부가가치 기초원료화 사업단이 모여 기념촬영했다. 뒷줄 가운데가 사업단을 이끄는 송영훈 단장이다.(사진=기계연)