과학자들이 플라스틱 오염과 청정 에너지 수요라는 두 가지 주요 글로벌 문제를 동시에 해결할 새로운 방법을 개발하고 있다. 햇빛을 이용해 버려진 플라스틱을 유용한 연료로 전환하는 방식이다.
애들레이드 대학교 박사 과정 샤오 루가 이끄는 최근 연구는 태양광 발전 시스템이 폐플라스틱을 수소, 합성가스 및 기타 산업용 화학물질로 전환할 수 있는 방법을 조사한다. 이 접근법은 일반적으로 버려지는 재료에 새로운 가치를 부여함으로써 더 지속 가능한 순환 경제를 만드는 데 도움이 될 수 있다.
전 세계적으로 매년 4억 6천만 톤 이상의 플라스틱이 생산되며, 상당량이 육지와 바다를 오염시키고 있다. 동시에 화석 연료에서 벗어나야 할 필요성으로 인해 더 깨끗한 에너지 대안에 대한 탐색이 강화되고 있다.
《Chem Catalysis》에 발표된 연구는 탄소와 수소가 풍부한 플라스틱이 단순한 폐기물이 아닌 자원으로 취급될 수 있음을 보여준다.
"플라스틱은 종종 주요 환경 문제로 여겨지지만, 동시에 중요한 기회를 나타냅니다"라고 루 씨는 말했다. "햇빛을 이용해 폐플라스틱을 청정 연료로 효율적으로 전환할 수 있다면 오염과 에너지 문제를 동시에 해결할 수 있습니다."
이 방법은 광촉매로 알려진 빛에 민감한 물질에 의존하는 태양광 구동 광개질(photoreforming)이라고 불린다. 이 물질들은 햇빛을 사용해 비교적 낮은 온도에서 플라스틱을 분해한다.
이 과정을 통해 플라스틱은 사용 시점에 배출가스가 없는 청정 연료인 수소와 함께 다른 귀중한 산업용 화학물질로 전환될 수 있다.
수소 생산을 위한 기존의 물 분해와 비교할 때, 이 접근법은 더 에너지 효율적일 수 있다. 플라스틱은 산화되기 쉬워 반응에 필요한 에너지가 적고 대규모 사용 가능성이 높아진다.
애들레이드 대학교 화학공학과의 수석 저자인 샤오광 두안 교수에 따르면, 최근 실험에서 강력한 결과가 나왔다.
연구자들은 높은 수준의 수소 생산과 함께 아세트산 및 심지어 디젤 범위 탄화수소의 생성도 보고했다. 일부 시스템은 100시간 이상 연속 작동하여 안정성과 성능이 향상됨을 입증했다.
이러한 진전에도 불구하고, 이 기술이 널리 채택되기 전에 해결해야 할 여러 장애물이 있다.
"한 가지 주요 장애물은 플라스틱 폐기물 자체의 복잡성입니다"라고 두안 교수는 말했다. "플라스틱 유형에 따라 전환 중 거동이 다르며, 염료나 안정제와 같은 첨가제가 공정을 방해할 수 있습니다. 따라서 성능과 제품 품질을 극대화하려면 효율적인 분류와 전처리가 필수적입니다."
또 다른 핵심 문제는 광촉매 자체와 관련이 있다. 이러한 물질은 까다로운 화학 조건에서도 효과를 잃지 않고 작동할 수 있는 높은 선택성과 내구성이 필요하다. 현재 버전은 시간이 지남에 따라 성능이 저하되어 장기 신뢰성이 제한된다.
"실험실 성공과 실제 적용 사이에는 여전히 격차가 있습니다"라고 두안 교수는 말했다. "기술이 대규모로 효율적이고 경제적으로 실행 가능하려면 더 강력한 촉매와 더 나은 시스템 설계가 필요합니다."
최종 제품을 분리하는 것도 과제다. 반응은 종종 가스와 액체의 혼합물을 생성하며, 이를 에너지 집약적인 공정을 통해 분리해야 한다. 이는 전반적인 환경적 이점을 감소시킬 수 있다.
이러한 문제를 극복하기 위해 연구자들은 보다 통합된 전략의 필요성을 강조한다. 여기에는 촉매 설계, 반응기 엔지니어링 및 전체 시스템 최적화의 개선이 포함된다. 탐구 중인 새로운 아이디어로는 연속 흐름 반응기, 태양열과 열 또는 전기 에너지를 결합한 시스템, 효율성 향상을 위한 고급 모니터링 도구 등이 있다.
앞으로 팀은 기술 확장을 위한 단계를 개략적으로 설명했다. 그들의 목표는 향후 수십 년 동안 에너지 효율성을 높이고 지속적인 산업 운영을 가능하게 하는 것이다.
"이것은 흥미롭고 빠르게 진화하는 분야입니다"