금속 트릭으로 더 잘 재활용되는 폴리에틸렌 플라스틱

2022년 10월 3일

Ellen Phiddian은 Cosmos의 과학 저널리스트입니다. 그녀는 호주 국립대학교에서 화학 및 과학 커뮤니케이션 학사 학위와 과학 커뮤니케이션 석사 학위를 취득했습니다.

폴리에틸렌은 세계에서 가장 흔한 유형의 플라스틱 중 하나입니다.

만들기는 쉽지만 다시 분해하기가 매우 어렵기 때문에 재사용과 재활용이 까다롭습니다.

그러나 미국 화학자 팀은 폴리에틸렌을 구성 부품으로 되돌리는 새로운 방법을 찾아냈습니다. 이는 언젠가 완전히 순환할 수 있는 발견입니다.

“재활용되는 만큼 많은 폴리에틸렌 플라스틱이 낮은 등급의 재료로 변합니다. 비닐봉지를 가지고 동일한 특성을 지닌 또 다른 비닐봉지를 만들 수는 없습니다.”라고 미국 버클리 캘리포니아 대학교의 유기금속 화학자인 John Hartwig 교수는 말합니다.

Hartwig는 Science 지의 논문 수석 저자로서 폴리에틸렌의 긴 분자 사슬(폴리머)이 다양한 물질에 유용한 공급원료인 프로펜이라고도 불리는 프로필렌으로 어떻게 분해될 수 있는지 설명합니다.

“폴리머 백을 모노머로 다시 가져가서 작은 조각으로 분해하고 재중합할 수 있다면 땅에서 더 많은 탄소를 끌어내는 대신 이를 탄소원으로 사용하여 폴리프로필렌과 같은 다른 물질을 만들 수 있습니다. "라고 Hartwig는 말합니다.

"우리는 그러한 목적이나 프로펜의 다른 용도로 그리고 소위 프로필렌 격차를 메우기 위해 셰일 가스를 덜 사용할 것입니다."

폴리에틸렌은 긴 사슬로 서로 연결된 탄소 원자로 만들어지며, 수소 원자는 측면으로 분기됩니다.

탄소 원자 사이의 결합, 즉 탄소-탄소 결합은 끊기가 어렵고 체계적인 방식으로 끊기는 훨씬 더 까다롭습니다.

연구진의 혁신은 두 가지 다른 금속을 사용하여 두 가지 다른 반응을 촉매하는 것이었습니다.

첫 번째 방법은 견고한 탄소-탄소 결합을 변형하기 위해 이리듐 또는 백금과 아연으로 만든 촉매를 사용합니다.

Hartwig는 “우리는 포화 탄화수소(모두 탄소-탄소 단일 결합)를 취하고 중합체에서 몇 개의 수소 분자를 제거하여 탄소-탄소 이중 결합을 만들었습니다. 이는 탄소-탄소 단일 결합보다 반응성이 더 큽니다.”라고 Hartwig는 말합니다.

"몇몇 사람이 그 과정을 보았지만 누구도 실제 폴리머에서 이를 달성하지 못했습니다."

그런 다음 연구원들은 팔라듐 기반 촉매가 해당 결합에 부딪혀 이를 사용하여 에틸렌이라는 물질로 폴리머를 점진적으로 분해할 수 있음을 발견했습니다.

Hartwig는 “말단에 탄소-탄소 이중 결합이 있는 긴 사슬을 갖게 되면 우리의 촉매는 탄소-탄소 이중 결합을 가져와 이성체화합니다. 탄소 하나가 여기에 포함됩니다.”라고 Hartwig는 말합니다.

“에틸렌은 초기 이성질화 생성물과 반응하여 프로필렌과 거의 동일하고 끝에 이중 결합이 있는 더 짧은 폴리머를 만듭니다.

“그리고 나서 같은 일을 계속해서 반복합니다. 한 발짝 안으로 들어가 쪼개집니다. 들어와서 쪼개진다. 전체 폴리머가 세 개의 탄소 조각으로 절단될 때까지 들어가서 쪼개집니다. 체인의 한쪽 끝에서 체인을 씹어먹고 체인이 하나도 남지 않을 때까지 프로필렌을 뱉어냅니다.”

그들은 폴리에틸렌의 80%를 각각 3개의 탄소 원자를 가진 작은 분자인 프로필렌으로 전환할 수 있었습니다.

프로세스가 산업화되기까지는 아직 해야 할 일이 많습니다.

예를 들어, 현재로서는 두 촉매 모두 액체 형태여야 합니다. 연구자들은 재사용이 더 쉽기 때문에 대신 고체 촉매를 찾기를 바라고 있습니다.

Hartwig는 이 기술이 "상용화와는 거리가 멀다"고 말했습니다.

"그러나 이 새로운 공정이 어떻게 가장 많은 양의 플라스틱 폐기물을 거대한 화학 공급원료로 변환하는지 쉽게 알 수 있습니다. 물론 훨씬 더 발전할 것입니다."

원래 Cosmos에서 출판한 내용은 약간의 금속이 까다로운 플라스틱을 지속 가능한 공급원료로 바꿀 수 있다는 것입니다.

사실을 설명하고 증거 기반 지식을 소중히 여기며 최신 과학, 기술 및 엔지니어링 혁신을 선보이는 데 이보다 더 중요한 시간은 없었습니다. 코스모스(Cosmos)는 사람들과 과학의 세계를 연결하는 데 전념하는 자선단체인 호주왕립연구소(The Royal Institution of Australia)에서 출판합니다. 크든 작든 재정적 기여는 세계가 가장 필요로 하는 시기에 신뢰할 수 있는 과학 정보에 대한 접근을 제공하는 데 도움이 됩니다. 오늘 기부하거나 구독권을 구매하여 우리를 지원해 주세요.