[전남인터넷신문]최근 요소수 공급 부족으로 요소에 대한 관심이 높아지고 있는 가운데 일본에서는 폐플라스틱을 이용한 요소 제조법이 개발되었다. 

일본 도쿄공업대학 물질이공학원, 도쿄대학 농학생명과학연구과, 교토대학 대학원공학연구과의 공동연구팀은 식물을 원료로 한 플라스틱을 암모니아수로 분해함으로써 식물의 생장을 촉진하는 비료로 변환하는 데 성공했다.

플라스틱은 일상생활에 빠뜨릴 수 없는 고분자 재료로 70% 이상이 폐기되고 있으며, 재활용은 15% 이하에 그치고 있다. 

플라스틱을 출발 원료까지 되돌려 재이용하는 공정은 케미컬 리사이클이라고 하며, 오래전부터 연구가 진행되어 왔으나 폐기 플라스틱의 리사이클을 비약적으로 높이지는 못하고 있다.

현재, 지속 개발 가능한 발전(Sustainable Development Goals, SDGs) 차원에서 순환형 사회의 구축을 위한 플라스틱의 처리 비용 개선이나 효율 향상, 종래의 리사이클 프로세스에 부가가치를 갖게 한 새로운 리사이클 시스템의 개발이 요구되고 있다.

일본 도쿄공업대학 등의 연구진은 이러한 배경에서 플라스틱의 분해 과정에서 생성되는 화합물을 비료로 활용하기 위한 실험을 했다. 실험은 이소소르비드(isosorbide)를 원료로 하여 폴리머의 주쇄 골격 중(반복 단위 중)에 탄산염(carbonate) 결합을 갖는 폴리카보네이트(PIC)를 합성하였다. 

그다음 PIC를 암모니아로 분해하고, 반응 용액의 시간 경과에 따른 변화를 조사한 결과 PIC에 암모니아수를 첨가한 반응 용액의 외관은 처음에는 불균일한 백색 용액이었지만, 서서히 균일한 용액으로 변화하여 24시간 후에는 완전히 균일한 용액이 되었다.

탄산염 결합의 분해 과정에서 요소의 생성량이나 분해 생성물을 다각적으로 평가한 실험을 했다. 그 결과, 반응 시간이 진행됨에 따라 폴리머 중의 탄산염 결합의 절단이 일어나 분자량의 저하가 확인됨과 동시에 요소의 전구체가 안정한 중간체로서 생성되는 것을 알 수 있었다. 궁극적으로 PIC를 요소와 이소소르비드로 완전히 분해할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 

그런데 실온에서 PIC의 분해는 1개월이 소요되었다. 연구팀은 암모니아 농도나 반응, 온도의 영향을 검토하고, 반응 조건을 최적화한 결과 암모니아를 사용해서 PIC를 6시간 이내에 요소와 이소소르비드로 완전히 분해하는 데 성공했다.

PIC를 분해해서 얻어진 분해 생성물(요소와 이소소르비드의 혼합물)을 이용하여 애기장대 생육 실험을 한 결과 시판되는 요소와 이소소르비드를 1:1로 혼합한 것에 비해 생장을 더 촉진한 것으로 나타났다.

유럽의 비료산업단체(Fertilizers Europe)에 의하면 암모니아 합성법이 발명된지 1세기 이상이 지난 오늘날에도 요소로 대표되는 질소 비료에 의해 생산된 식량은 세계 인구가 소비하는 양의 50% 정도라고 한다.

한편, 옥수수나 사탕수수 등의 식물을 원료로 해서 만든 플라스틱을 사용하면 석유처럼 고갈되지 않고 온난화의 원인이 되는 이산화탄소의 배출도 억제할 수 있다. 이 플라스틱을 사용하고 난 뒤에는 위의 연구결과를 적용하면 암모니아로 쉽게 분해할 수 있고, 비료로 사용할 수 있다. 따라서 위의 연구 결과는‘플라스틱 폐기 문제’와 ‘인구 증가에 따른 식량 문제’를 동시에 해결하는 혁신적인 시스템이 될 것으로 기대된다.

인용자료

東京工業大學. 2021. プラスチックを肥料に変換するリサイクルシステムを開発—プラスチックの廃棄問題と食料問題の同時解決に向けて—. プレスリリース 2021.10.28.

Takumi Abe, Rikito Takashima, Takehiro Kamiya, Choon Pin Foong, Keiji Numata, Daisuke Aoki  and  Hideyuki Otsuka. 2021. Plastics to fertilizers: chemical recycling of a bio-based polycarbonate as a fertilizer source. Green Chem. DOIhttps://doi.org/10.1039/D1GC02327F