PVC 폐자원의 재활용 기술 [우리가 몰랐던 과학 이야기] (133)

PVC(폴리염화비닐)는 일반적인 용도로 파이프, 벽지 및 바닥재 등 우리 생활 주변에서 폭넓게 쓰이고 있는 물질인데요. 특히 PVC 코팅 벽지는 기술 부족으로  재활용되지 못하고 있는 실정입니다. 이에 따라 한화솔루션은 PVC 폐자원  코팅 벽지에 대하여 재활용 기술 개발 중에 있는데요. 오늘은 PVC 폐자원을 재활용하는 기술에 대해 자세히 알아보도록 하겠습니다.

◆PVC 폐자원 재활용 기술의 필요성

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PVC는 가소제와 열 안정제, 충진재 등 다양한 첨가제들과 잘 섞이는 특징에 따라 창틀과 파이프 등 경질제품부터 전선 피복재와 완구류, 바닥재, 식품용 비닐 등의 연질제품까지 다양한데요. 폭넓은 용도로 사용돼 활용도가 높지만, 다른 소재가 혼합되어 있으면 재활용이 어려워 폐기 또는 소각되고 있습니다. 특히 PE(폴리에틸렌)와 PVC 필름이 접착되어 있는 제품은 분리가 용이하지 않아 대부분 폐기 처리되고 있는데요. 

PVC 재활용 기술이 개발되면 소각이나 매립 등 폐기물 처리에 따른 환경오염을 줄이고 부족한 석유자원을 순환시킬 수 있다는 점에서 꼭 필요하다고 할 수 있습니다. 

◆PVC 폐자원의 재활용 기술

재활용 플라스틱 팰릿. 출처=플라스틱 팰릿 프로스(Plastic Pallet Pros)

보통 플라스틱 폐자원은 단순한 재가공에 의한 기계적 재활용(Mechanical or Material Recycling), 화학원료나 연료로 사용하는 화학적 재활용(Chemical Recycling), 그리고 에너지 회수를 위한 에너지 재활용(Energetic Recycling)으로 재탄생하는데요.

화학적 재활용 이미지. 출처=네이처(nature.com)

먼저 기계적 재활용은 플라스틱 팰릿으로 변환시켜 사출과 압출, 압축 성형 등의 가공공정을 통해 새로운 제품을 만드는 방법입니다. 

화학적 재활용은 열과 첨가제, 촉매 등을 이용해 폐플라스틱을 중합 또는 다른 석유화학 공정이나 연료에 적합한 저분자 화학물질로 변환시키는 방법인데요. 크래킹(Cracking·중유, 경유를 다시 가열·분해해 가솔린을 만드는 열분해법)과 가스화, 수소 첨가, 열분해 등의 과정으로 진행됩니다. 

에너지 재활용은 고형 연료로 제조하여 소각해 여기에서 열 에너지를 회수하는 방법입니다. 

PVC 폐자원의 재활용 또한 일반 플라스틱과 마찬가지로 기계적, 화학적 그리고 에너지 재활용 각각을 적용한 다각적인 접근방식이 세계적으로 시도되고 있습니다.

하지만 PVC 폐자원은 열 안정성이 불량하고, 다종 및 다량의 첨가제로 인한 환경오염 문제를 일으킵니다. 또 연소 시 독성물질이 발생하고, 주로 다른 물질과 섞여 있는 형태로 되어 있어 분리가 어렵다는 점에서 다른 플라스틱 재활용보다 어렵습니다. 따라서 더욱 진보된 형태의 재활용 기술이 요구된다고 할 수 있습니다.

◆PVC 폐자원 활용기술의 해외사례

‘Vinyloop’ 공정 프로세스. 출처=Vinyloop

PVC는 특정 용매에 높은 용해성을 지니고 있는데요. 이런 PVC 특성을 이용하여 특정 용매를 써 완전히 용해하여 PVC에 섞여 있는 다른 혼합물들을 분류할 수 있습니다. 대표적인 기술이 독일 솔베이 플라스틱(Solvay plastics)사의 ‘Vinyloop’ 공정인데요. 폴리에스테르 위에 PVC를 합성한 타포린과 전선의 재활용을 위해 MEK(Methyl Ethyl Ketone) 용매를 사용해 가소제가 잔존하는 ‘r-PVC’ 콤파운드(수지에 연화제, 가소제, 촉매, 안료, 염료 따위의 성분을 혼합하여 만든 것)를 생산했지만 환경규제 강화에 따라 2018년 공장 가동이 중단됐습니다. 

폐PVC 창호. 출처=pvc.org

또한 PVC에 섞인 제품들의 밀도 차이를 이용한 분리 공정도 개발됐는데요. 프랑스 지온(Geon)사는 PE와 PP(폴리프로필렌), PET(페트), PC(폴리카보네이트) 등이 포함된 PVC 병에서 질산칼슘(calcium citrate) 수용액을 써 다른 수지와의 밀도 차이를 이용한 분리 공정을 개발했으며, 독일의 호케스트(Hoechst)사는 PVC 포장용 필름의 스크랩(부스러기나 제품의 폐물)을 대상으로 분쇄와 세척 등을 거쳐 밀도가 다른 용액과 하이드로사이클론(hydrocyclone·액체 중 포함돼 있는 고체 입자를 원심력으로 분리하는 장치)의 결합구조 장치를 이용하여 밀도 차이로 분리하는 공정을 내놨습니다. 호케스트는 연질 PVC 필름으로 재활용하는 공정을 통해 최종 생산품으로 순수한 PVC 파우더를 얻을 수 있었습니다.

◆PVC 벽지의 재활용 기술

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우리 집안에 흔히 사용되고 있는 실크 벽지는 PVC가 코팅돼 있습니다. 이 PVC 벽지는 펄프가 주성분입니다. 따라서 재활용할 수 있는 PVC 함량이 적을 뿐만 아니라 기술 또한 부재하여 폐기되고 있습니다. 벽지 속 PVC를 재활용하기 위해서는 펄프를 분리하고 가소제와 첨가제를 제거하는 기술 개발이 필요한데요. 특히 가소제는 PVC 레진(resin·유기 화합물 및 그 유도체로 이루어진 비결정성 고체 또는 반고체)과의 물리적 결합으로 인해 제거가 어렵습니다. 

한화솔루션 연구소에서는 이에 선택적 용매 추출기술을 적용해 PVC 레진과 가소제를 분리하는 연구를 진행하고 있는데요. 선택적 용매 추출은 용해도 차이를 이용해 특정 성분을 추출하는 기술입니다. 

PVC 재활용 기술이 상용화된다면 플라스틱 쓰레기 양을 획기적으로 줄일 수 있을 뿐 아니라 매립과 소각에 따른 오염물질의 배출 감소를 통해 환경을 보호할 수 있습니다. 한화솔루션은 앞으로도 다양한 재활용 기술의 연구·개발(R&D)을 통해 더욱 편리하고 안전하게 플라스틱 제품을 쓸 수 있도록 노력하겠습니다. 

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