지속가능성 고분자 - 생분해 고분자를 중심으로

[사무국]

화학·화공·섬유분과 · 임승순

  H. Staudinger교수에 의해 고분자의 중합이 제안되어 1세기가 지난 2021년 미국화학회에서 다양한 고분자과학전공 과학자들의 견해를 모아 “고분자 과학 100주년 기념 관점: 지속가능한 고분자”를 출판하였다. 지속가능성이란 말은 초기에 지속가능한 고분자 재활용/ 처리에 사용되었는데, 최근 고분자 자체를 지속가능성 고분자로 표시하게 되었다. 하지만 지속가능성 고분자의 명확한 정의는 아직 없고 환경 친화성 고분자와 같은 의미로 쓰이면서 바이오매스 유래 플라스틱이 주목을 받게 되었다. 바이오매스 유래 플라스틱은 기존 플라스틱의 연간 생산량의 1% 정도이나 바이오 플라스틱이라 불려 고분자의 생분해성, 재생 가능성뿐만 아니라 리사이클성도 포함하여 플라스틱 문제 전반에 관련된 용어로 정착되어가고 있다. 바이오매스 원료에 대한 관심이 20세기 말 식량자원의 이용이란 이유 때문에 논란이 있었으나 2000년대 초, 재생 가능한 원료를 써야 한다는 녹색 화학운동 개념에 따라, 바이오매스 기반 고분자 재료는 높은 주목을 받아 왔다.

 이는 1950년대 대량 생산되기 시작한 고분자, 즉 플라스틱은 합성섬유를 포함하여 2017년까지 총생산량이 83억 톤이었다. 대량생산에는 대량 폐기가 필연적으로 뒤따라 용도 폐기된 플라스틱이 무려 63억 톤에 달한다. 이 중 79%가 매립되거나, 지구환경에 유출되어 폐플라스틱에 의한 환경오염이 전 세계적인 문제가 되었다. 따라서 폐플라스틱과 해양 플라스틱 쓰레기 문제 해결방안이 선진국을 중심으로 지속가능한 개발 목표(SDGs)로 제시되었다. EU에서는 2021년부터 일회용 플라스틱 사용과 미세 플라스틱을 사용한 제품의 제조 및 판매를 금지하고 있다. 여기에 맞추어 재사용 가능한 제품의 사용을 장려하며 대체품 개발을 촉진하였다. 그 대체품 중 하나가 바이오매스 기반 고분자와 함께 생분해성 플라스틱(BDP)으로, 적당한 환경조건에서 생체(미생물, 효소 등)의 작용에 의하여 CO₂, CH₄, 그리고 미생물의 바이오매스로 분해·소멸하는 플라스틱이다.

 전형적인 몇 가지 BDP의 구조와 다양한 환경에서 분해성을 <그림 1>에 나타내었다. 분해 과정은 혐기성과 호기성 조건에서도 일어나 퇴비화하여 생태계로 되돌릴 수 있다.

 BDP의 큰 용도 분야로는 포장재와 일회용품, 농업용 덮게 멀칭 필름이 있는데, 플라스틱 포장재의 폐기, 억제는 환경오염방지에 도움이 된다. 최근 포장에 의한 플라스틱 폐기물을 줄이기 위해 순환 경제모델을 근거로 하는 새로운 개념이 제안되어 시행되고 있다. 불필요한 플라스틱 포장을 하지 않으며, 가능하면 재사용하거나 100% 리사이클하고, 퇴비화 가능한 포장재를 사용하고, 재생 가능한 자원으로 플라스틱을 생산하며, 환경에 해롭지 않은 첨가제를 사용하는 것이다. 바이오 플라스틱과 BDP는 이러한 순환 경제의 일부분이다. BDP 멀칭 필름은 일정 기간 사용 후 수거 및 폐기작업이 필요 없어 PE 멀칭 필름의 지속가능한 대체품이 될 것이다. BDP는 퇴비화나 활성오니 등 제어된 폐기물 처리시설 또는 특정 폐쇄계에 존재하는 미생물이 BDP를 탄소원으로 하여 일정 기간 내에 대사 가능하여 지속 가능성 플라스틱이다.

 지속가능성 사회 구축을 위하여 폐플라스틱도 Reduce, Reuse와 Recycle이란 3R이 이용된다. Plastic recycle에는 material, chemical과 thermal이란 3가지 방법이 있다. 이 중, 열적 리사이클은 폐플라스틱 소각을 통한 에너지 회수, 매립지 보존과 동시에 화석연료기반 에너지 생산을 대체한다는 점에서 부분적으로 이점이 있으나, 지역 환경에의 악영향과 온실가스 발생 등 부정적인 영향이 있다. 또한 순환 경제 관점에서 material recycle이 이상적이지만 플라스틱의 경우 회수나 재성형 시 오염이나 열화로 인한 재성형품의 품질 저하가 문제가 된다.

 순환 경제의 일차적 개념은 폐기물의 수집과 사용이며, 바이오 매스에서 벗어나 폐기물을 공급 원료로 사용하는 것이다. 최근 chemical recycle이 주목받고 있지만 현재는 주로 폴리에스터계 플라스틱만 산업화되고 있다.

 마지막으로, 플라스틱은 미래에도 일상생활이나 산업적인 측면에서 필수 불가결한 재료로 사용될 것이다. 이제까지 고분자는 내구성과 고성능, 고기능을 목표로 개발과 상업화가 진행되어 왔다. 21세기에는 고분자의 환경 적합성·순환성·지속가능성을 목표로 사용 후 폐기 처리를 고려하여 지구환경에 부하를 최소로 하는 제조 방법과 용도를 찾아 현명하게 오랫동안 생활 속에서 이용할 수 있도록 해야 한다.