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- 혼합물 상태로 녹인 후 냉각시키는 방식으로 재활용
- 서로 다른 폴리에스테르 폐기물을 의도적으로 혼합해 270도에서 용융
- 에폭시 첨가제를 추가하면 공중합체의 가교 결합도가 증가하고 결정화 속도가 더욱 감소

혼합 폴리에스터의 재활용이 이렇게 가능해진다.

현재 많은 폴리에스터 플라스틱은 복잡한 구조 때문에 분류가 어려워 재활용이 불가능하다. 스포츠 의류나 가전제품의 플라스틱 부품 등이 그 예다. 하지만 새로운 재활용 방법이 개발되면 이러한 폐기물도 재활용할 수 있게 될 가능성이 있다. 이 방법은 복잡한 고분자를 미리 분류할 필요 없이, 혼합물 상태로 녹인 후 냉각시키는 방식으로 재활용한다. 이렇게 하면 플라스틱의 결정화가 줄어들어 효소가 쉽게 분해할 수 있게 되고, 환경친화적인 방식으로 재활용이 가능해진다. 

▲ 플라스틱 병에서 추출한 PET는 이미 쉽게 재활용된다. 하지만 PET로 만든 폴리에스터 섬유와 직물은 그렇지 않다. pixabay

플라스틱은 단량체라고 불리는 여러 가지 구성 요소로 이루어진 고분자다. 예를 들어 플라스틱병이나 유사한 제품들은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)의 긴 사슬로 구성되어 있다. 이러한 폐기물은 쉽게 수거해 다른 플라스틱 폐기물과 분리한 후 효소를 이용하여 단량체로 분해할 수 있다. 이렇게 분해된 단량체는 재활용하여 새로운 PET 제품을 만드는 데 사용할 수 있다. 이러한 재활용 방식은 독한 화학 물질이나 극단적인 반응 조건을 필요로 하지 않기 때문에 효율적이고 환경친화적이다.

하지만 이 재활용 방법은 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT)나 폴리트리메틸렌 테레프탈레이트(PTT)와 같은 다른 폴리에스테르에는 적용되지 않는다. 이들 폴리에스테르는 가전제품의 플라스틱 부품이나 하우징, 카펫 등에 흔히 사용된다. PET 폐기물의 대부분을 차지하는 부직포, 수영복, 스포츠웨어와 같은 PET 섬유 및 직물 또한 이 방법으로는 재활용할 수 없다. 이는 이러한 폴리에스테르가 서로 다른 단량체로 구성되어 있거나 염료나 가소제와 같은 첨가제를 함유하고 있어 분류 및 분리가 어렵기 때문이다. 또한, 이러한 고분자는 결정 구조 때문에 효소가 접근하기 어렵다. 플라스틱병에 사용되는 순수 PET나 반결정성 PET와는 대조적이다.

▲ 효소적 탈중합 및 결정화. (A) 폴리에스터 폐기물의 탈중합 수율 대 시간 그래프. 위에서 아래로 폐기물 사진: PET 병 폐기물, 수영복 안감에서 얻은 PET 섬유 폐기물, 자동차 산업 폐기물에서 얻은 부직포 PET, 스포츠웨어에서 얻은 PET/PBT 섬유 폐기물. 탈중합 조건: 65 °C, LCC-ICCG, 용융 담금질, 분쇄 및 체질을 통해 얻은 150~300 µm 크기의 폴리에스터 입자. 빈 기호는 최종점 시험으로 측정한 24시간 후의 수율을 나타낸다. 오차 막대는 3회 반복 실험의 표준 편차 (B) (A)에 설명된 시료의 결정화도 변화. 완충액(pH 8) 존재 하에 65 °C에서 등온 열량계를 이용하여 측정. 기호는 DSC 스캔으로 측정한 결정화도를 나타낸다. 오차 막대는 스캔의 피크 적분 과정에 따른 오차를 나타낸다. 등온 결정화의 경우, 시간에 따른 열 흐름의 적분은 유사한 오차를 발생시킵니다. (C) (A)와 동일한 탈중합 조건을 사용하여 다양한 폴리에스테르 폐기물 및 PBT에 대해 24시간 후 효소적 탈중합 수율 대 온도 그래프. (출처:Reactive mixing enables enzymatic depolymerization of recalcitrant or unsortable polyester wastes / PNAS / July 14, 2025)

혼합 가열은 결정화 속도를 늦춘다. 파리 소르본 대학의 에르난 가라테(Hernan Garate) 연구팀은 이러한 폴리에스테르 폐기물을 분해하는 새로운 방법을 개발했다. 연구팀은 서로 다른 폴리에스테르 폐기물을 의도적으로 혼합해 270도에서 용융시켰다. 이 공정을 통해 무작위로 재조립되어 네트워크를 형성하는 공중합체가 생성됐다. 이러한 화학 반응은 폴리에스터 제조 과정에서 남은 삼산화안티몬 및 기타 촉매 잔류물 덕분에 가능했다. 얼음물에 담가 냉각시키면 생성된 공중합체 네트워크의 결정화 정도가 현저히 감소해 효소에 접근하기 쉬워진다. 따라서 이 공중합체 네트워크는 반결정성 PET병 재활용에 사용되는 것과 동일한 효소를 사용하여 분쇄 및 분해할 수 있다. 연구팀에 따르면, 이렇게 얻은 구성 요소는 새로운 폴리에스터 제품 생산에 적합하다.

가라테와 그의 동료들은 다양한 조건에서 이 기술을 테스트했다. 그들은 에폭시 첨가제를 추가하면 공중합체의 가교 결합도가 증가하고 결정화 속도가 더욱 감소하며 후속 단량체 수율이 향상된다는 것을 발견했다. 혼합 시간을 길게 해도 동일한 효과가 관찰되었다. 이 방법은 PBT 및 PTT 폐기물뿐만 아니라 폴리에스터 섬유 폐기물에도 성공적으로 적용되었다. 가장 효과적인 접근 방식은 이러한 복합 폐기물 유형 여러 가지와 플라스틱 병에서 얻은 순수 PET 입자를 혼합하는 것이었다. 연구팀의 분석에 따르면, 다양한 고분자 물질들은 90% 이상의 수율로 분해되어 구성 성분으로 분리되었다.

▲ 분류 불가능한 폴리에스터 폐기물의 효소적 탈중합. (A) PET/PBT 섬유 폐기물과 그림 1의 PET 섬유 폐기물을 1:1 중량비로 혼합하여 5분 및 90분 동안 용융 혼합하여 얻은 PET/PBT 블렌드 및 에스테르 교환 반응을 거친 PET/PBT(R = 0.53 ± 0.05)의 탈중합 수율 대 시간 그래프. 삽입 그림: PET/PBT 스포츠웨어 섬유 폐기물과 PET 수영복 안감 폐기물을 1:1 중량비로 혼합한 것. (B) PET/PTT 코팅 단열재 폐기물을 5분 및 90분 동안 용융 혼합하여 얻은 PET/PTT 블렌드 및 에스테르 교환 반응을 거친 PET/PTT(R = 0.33 ± 0.05)의 탈중합 수율 대 시간 그래프. 삽입 그림: 의류 단열재에서 얻은 분류 불가능한 PET(50 중량%) 및 PTT(50 중량%) 섬유 폐기물의 혼합물. 탈중합 조건: 65 °C, LCC-ICCG 및 용융 담금질, 분쇄 및 체질을 통해 얻은 150~300 µm 폴리에스터 입자. 빈 기호는 최종점 시험으로 측정한 24시간 후의 수율을 나타낸다. 오차 막대는 3회 반복 실험의 표준 편차. (출처:Reactive mixing enables enzymatic depolymerization of recalcitrant or unsortable polyester wastes / PNAS / July 14, 2025)

폐기물 분리 대신 혼합

"매우 난분해성이 강하고 이질적인 PET 폐기물과 완전히 내성이 있는 PBT 폴리에스테르를 반응성 혼합물로 만들면 효소적 분해가 거의 완벽하게 이루어진다"고 가라테와 그의 동료들은 밝혔다. "이러한 발견은 직관에 반하는 것이며, 종종 비용이 많이 들거나 불가능한 분류 작업 대신 혼합하는 것이 앞으로 나아갈 방향일 수 있음을 시사한다."

연구진에 따르면, 새로운 혼합-효소 공정은 기존에는 재활용이 불가능했던 플라스틱 폐기물까지도 플라스틱 재활용 시스템으로 되돌릴 수 있다. "시너지 효과를 내는 혼합 공정은 분류 작업을 대체하고, 효소 재활용의 적용 범위를 난분해성이 강하고 이질적이며 분류 불가능한 폐기물까지 확장할 수 있다"고 연구팀은 덧붙였다.

출처:
Hernan Garate (Sorbonne Université) et al.; Proceedings of the National Academy of Sciences, doi: 10.1073/pnas.2505611122

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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