플라스틱 사용, 문제점 및 향후 발전 동향

언론 보도에 따르면, 해양학자 찰스 무어는 자연이 분해할 수 없는 쓰레기를 만들어낼 수 있는 존재는 오직 인간뿐이라고 말했습니다. 그는 1997년 태평양을 조사하던 중 해양 쓰레기 지대를 발견했으며, 이 쓰레기들은 주로 플라스틱 폐기물이었다고 보고되었습니다.

대부분의 사람들은 해양 쓰레기라고 하면 눈에 보이는 플라스틱 제품 폐기물을 떠올립니다. 이러한 물질은 어디에나 존재합니다. 인류는 매년 약 3억 톤의 플라스틱을 생산하며, 그중 절반가량은 일회용으로 사용됩니다. 즉, 사용이 끝나면 즉시 버려진다는 뜻입니다. 보통 대부분의 플라스틱 폐기물은 매립지로 운반되어 처리되지만, 일부는 바람에 날려 강으로 유입되고 결국 바다로 흘러 들어갑니다. 실제로 매년 평균 약 800만 톤의 플라스틱 오염 물질이 바다로 유입되어 해양 생물을 감싸고 산호초를 오염시키며, 결국 물, 바람, 햇빛에 의해 분해되어 수조 개의 미세 플라스틱 입자로 변합니다.

많은 해양 생물에게 플라스틱 입자는 먹이처럼 보여 매우 매력적으로 느껴집니다. 그들은 해양 오염 물질을 섭취하게 되고, 결국 영양 부족으로 굶어 죽게 됩니다. 이러한 오염 물질은 결국 동물의 체내로 이동하며, 과학자들은 해양 쓰레기가 생물에 미치는 영향을 계속해서 연구하고 있습니다. 미세 플라스틱은 우리가 해산물을 섭취하거나 물을 마시는 과정에서 체내로 들어오기 때문에 인간에게도 해를 끼칠 수 있습니다. 2019년 세계보건기구(WHO)는 미세 플라스틱 오염이 인체 건강에 미치는 잠재적 영향을 분석하기 위한 심층 연구를 촉구했습니다.

이 모든 사실을 뒷받침하는 근거는 다음과 같습니다. 플라스틱 제조에 사용되는 성분으로 인해 플라스틱은 놀라운 유연성을 가지며, 생물학적으로 완전히 분해되지 않을 수 있습니다. 최근 과학자들은 물과 토양 속의 미생물을 통해 이를 효과적으로 복원하여 자연에서 재사용 가능한 화합물로 되돌리기를 희망하고 있습니다. 자연환경 속의 플라스틱 오염을 고려하면 더 명확한 문제가 드러납니다. 예를 들어, 바다로 유입된 일회용 플라스틱 폐기물은 수백 년 동안 분해되지 않아 해양 환경에 심각한 위협이 될 것입니다.

우리는 어떻게 이러한 지속적인 플라스틱 위기를 초래했을까요? 그 답은 플라스틱 제조 과정에 있습니다. 하지만 무엇보다 중요한 것은 "플라스틱'이 단순히 우리가 바닷가에서 상상하는 쇼핑백만을 의미하는 것이 아니라는 점을 이해하는 것입니다. 현재 바다에는 엄청난 양의 플라스틱 쓰레기 파편이 존재하며, 심지어 수중 환경까지 오염시키고 있습니다.

플라스틱이란 무엇인가?

영국 헤리엇-와트 대학교의 화학자 칼 라이더는 다음과 같이 말했습니다. ""플라스틱'이라는 단어는 일반적으로 매우 광범위하고 균일하지 않은 재료를 포괄합니다. 각 재료는 용도가 다르고 물리적 특성도 다릅니다. 종류만 300가지가 넘습니다." 라이더는 헤리엇-와트 대학교의 플라스틱 협력 연구 프로젝트에 참여하여 플라스틱 산업의 지속 가능한 발전을 연구하고 개선하는 데 힘쓰고 있습니다.

그렇다면 플라스틱이 이렇게 다양하다면 공통점은 무엇일까요? 그것들은 고분자(폴리머)로 구성되어 있으며, 고분자는 많은 반복 단위로 이루어진 분자입니다. 이러한 구조는 플라스틱에 유연성, 연성, 강도와 같은 많은 특성을 부여합니다. 또한 플라스틱은 일반적으로 생분해성 플라스틱과 합성 플라스틱이라는 두 가지 주요 범주로 나뉩니다. 생분해성 플라스틱 고분자는 옥수수 전분, 식물성 기름, 박테리아 등에서 유래합니다. 합성 플라스틱은 원유와 천연가스를 사용하여 합성된 고분자입니다.

바이오 기반 고분자가 친환경적으로 들릴지 모르지만, 이들이 환경에 계속 남아 분해되지 않을 수 있기 때문에 환경 기록이 항상 좋은 것은 아닙니다. 모든 생분해성 플라스틱이 바이오 기반인 것은 아닙니다. 그러나 석유 및 천연가스 유래 재료로 인한 환경 피해는 매우 심각합니다. 이러한 유형의 플라스틱은 환경 내에서 더 오래 잔류하며 다른 환경적 영향을 미치기 때문입니다.

그 이유를 이해하기 위해 석유 유래 플라스틱의 사례를 살펴보겠습니다. 우유병을 냉장고에 넣어 냉장 보관하는 것부터 이 플라스틱 병의 생애가 시작됩니다. 사실 지구 깊은 곳의 원유는 지각 내부의 고압 지역에 모여 있습니다. 이것들은 시추 탐사기와 펌프 장치를 통해 지표면으로 전달된 후 파이프라인을 통해 정유 공장으로 운송됩니다. 원유의 밀도 높은 물질은 탄화수소로 구성되어 있습니다. 탄화수소는 탄소와 수소 원자가 결합된 형태입니다. 이들은 다양한 길이의 사슬 구조를 형성하며 각기 다른 특성을 부여합니다. 이러한 탄화수소가 지구상 최초의 플라스틱 원료입니다.

정유 공장에서 플라스틱 제품 생산이 본격적으로 시작됩니다. 당밀과 같은 원유는 가열로에서 가열됩니다. 탄화수소에 포함된 원자 수와 분자량에 따라 인근 증류 파이프에서 분리됩니다. 증류 파이프에서 길고 무거운 탄화수소 화합물은 바닥에 가라앉고, 분자 구조가 짧고 가벼운 탄화수소 화합물은 위로 올라갑니다. 원유는 결국 석유, 휘발유, 파라핀 등 여러 화학 물질로 분리되며, 각 물질은 비슷한 무게와 분자 길이를 가진 탄화수소 화합물을 포함하고 있습니다. 그중 하나인 석유는 플라스틱 제조의 주요 원료가 됩니다.

석유는 플라스틱 생산에서 금가루와 같습니다. 탄화수소 화합물에 에틸렌과 아크릴이 포함되어 있기 때문입니다. 이 두 화합물은 가장 흔하고 일반적인 플라스틱 제품을 만드는 데 매우 중요합니다. 우유병을 만들기 위해서는 에틸렌과 아크릴을 만들기 위한 물질을 생성해야 하며, 이를 위해 먼저 탄화수소 원료를 더 작은 단위로 분해해야 합니다.

이를 수행하는 방법은 여러 가지가 있습니다. 한 가지 방법은 산소가 없는 환경에서 고온 고압을 사용하는 것입니다. 이 과정을 "증기 분해'라고 합니다. 이를 통해 단량체(모노머)가 생성됩니다.

지속 가능한 고분자 재료를 연구하는 애스턴 대학교의 박사후 연구원 파이알 박티는 다음과 같이 말했습니다. "에틸렌은 열분해 후 석유에서 직접 추출할 수 있습니다. 아크릴은 플라스틱 재료 구조를 만드는 중요한 원료입니다."

다음 단계는 중합 반응이라는 과정을 통해 진행됩니다. 이 과정에서 분리된 단량체 성분들이 화학적으로 새로운 방식으로 결합하여 긴 반복 사슬을 생성합니다. 에틸렌과 아크릴은 폴리에틸렌과 폴리프로필렌을 형성하며, 이는 지구상에서 가장 흔하고 가장 많이 생산되는 두 가지 고분자입니다.

그렇다면 왜 이 두 고분자가 이렇게 인기가 많을까요? 폴리에틸렌의 구조는 다양한 밀도의 플라스틱을 만드는 데 사용할 수 있습니다. 즉, 깨지기 쉽고 유연할 수도 있고, 단단하고 질긴 물질이 될 수도 있어 용도가 매우 넓습니다. 또한 폴리프로필렌의 구조도 독특한 유연성과 탄성을 가지고 있습니다. 그래서 우리는 매일 다양한 유형의 플라스틱 제품을 볼 수 있습니다. 폴리프로필렌은 주로 우유병, 일상생활에서 사용하는 플라스틱 포장재, 빨대, 물병, 쇼핑백, 샴푸통, 병뚜껑 등 일회용 플라스틱 제품을 만드는 데 사용됩니다.

하지만 이것들은 수십 가지 합성 플라스틱 중 두 가지일 뿐입니다. 다른 유형의 탄화수소는 다양한 원천에서 분리 및 분해됩니다. 원유뿐만 아니라 천연가스에서도 추출되며 플라스틱 제조에 사용됩니다. 어떤 경우에는 고분자가 우리가 보는 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌처럼 단일 단량체로 구성될 수도 있고, 여러 유형의 단량체 조합을 포함할 수도 있습니다.

더 중요한 것은 각 고분자 사슬이 산화 방지제, 발포제, 가소제, 난연제 등 다양한 첨가제와 혼합되어 처리된다는 점입니다. 이를 통해 다양한 생태적 기능을 갖게 되어 플라스틱이 매우 "범용적'이 됩니다.

박티는 말합니다. "플라스틱마다 특성이 다릅니다. 식품 포장을 예로 들면, 과도한 산소와 햇빛으로부터 내용물을 보호해야 합니다. 따라서 첨가제를 포함한 고분자 특성을 통해 플라스틱이 형성됩니다."

결국 이러한 플라스틱 산업 체인이 오늘날 우리가 사용하는 다양한 플라스틱 제품을 만들어냈습니다. 이들은 식품 생산 및 저장, 화장품, 기술 연구 개발, 의료 분야에 큰 기여를 했습니다.

"외래 물질"

이제 플라스틱 제품의 생산 과정을 "빨리 감기'로 이해해 봅시다. 석유와 천연가스에서 합성된 플라스틱은 탄화수소 화합물을 분리하여 일부로 분해한 다음, 자연계에서 이 부분들을 새로운 형태로 재구성한 것입니다. 간단히 말해, 이는 지구의 물과 토양 속 미생물에게 낯선 "외래 물질'을 만들어내는 것입니다. 박티는 합성 플라스틱의 탄소 주쇄가 토양 박테리아에 의해 인식되지 않으며, 이는 곧 미생물이 이를 소화하여 물과 이산화탄소로 전환할 수 없음을 의미한다고 설명했습니다.

"란디암은 말합니다. "폴리에틸렌과 같은 플라스틱은 매립지에서 분해되는 데 수 세기가 걸립니다. 이는 우리가 일상에서 만든 많은 물건이 여전히 원래 형태 그대로 남아 있다는 것을 의미합니다. 태양, 물, 바람의 영향으로 플라스틱은 점차 분해됩니다. 석유와 천연가스에서 유래한 플라스틱 제품은 온실가스를 방출하고 생산 과정에서 첨가된 화학 물질을 환경으로 되돌려 보냅니다. 우리는 일회용 플라스틱 오염 문제에 특별히 주의를 기울여야 합니다. 수백 년 동안 환경을 지속적으로 파괴할 뿐만 아니라, 미래에 플라스틱 제품이 초래할 환경 재앙은 더욱 심각할 수 있습니다.""

하지만 산처럼 쌓인 플라스틱 쓰레기를 처리할 방법도 있습니다. 레덱시아는 생분해성 플라스틱이 미래 연구의 핵심 중 하나라고 믿습니다. 이것이 잠재적인 해결책이 될 수 있습니다. 즉, 생분해성 플라스틱을 만든다고 해서 반드시 옥수수 전분과 같은 바이오 원료를 사용해야만 하는 것은 아니지만(물론 이것이 해결책이 될 수는 있습니다), 더 구체적으로는 플라스틱을 만드는 과정에서 고분자를 사용해야 합니다. 이러한 고분자는 물과 토양 속 미생물에 의해 합리적이고 효과적으로 분해될 수 있어야 합니다.

플라스틱이 지구 환경에 미치는 영향을 완전히 바꾸려면, 석유 기반의 폴리에틸렌과 폴리프로필렌을 대체할 수 있는 생분해성 고분자가 필요합니다. 동시에 기존 고분자의 강도와 유연성을 유지해야 합니다. 이것이 기존 고분자가 여전히 인기가 많은 이유이지만, 제조 비용 면에서 경쟁력이 있어 과제가 더욱 까다롭습니다.

그러나 최근 몇 년 동안 일부 생분해성 솔루션이 진전을 보이고 있습니다. 그중 하나는 컵, 식기, 빨대와 같은 일회용품을 만드는 데 사용할 수 있는 폴리스티렌입니다. 인간의 생활 환경에 유입되면 더 효과적으로 생분해될 수 있습니다. 전 세계적으로 플라스틱 제품에 대한 수요가 계속 증가함에 따라 이러한 발명품은 점차 늘어날 것으로 보입니다.

다른 분야에서도 긍정적이고 낙관적인 신호가 있습니다. 2016년 연구자들은 플라스틱을 먹는 박테리아를 발견했고, 이후 폴리에틸렌을 먹는 벌레도 발견했습니다. 또한 플라스틱 폐기물을 분해할 수 있는 효소도 발견되었습니다.

"어쩌면 앞으로 몇 년 안에 우리는 이러한 박테리아와 벌레로부터 플라스틱 분해 및 소화 기술을 얻게 될 것이며, 심지어 폴리에틸렌 플라스틱 봉투를 분해하여 더 큰 벌레를 키우고, 그 벌레들이 우리의 플라스틱 쓰레기를 삼키게 할 수도 있을 것입니다."

어쨌든 플라스틱을 만드는 과정에서 인간은 자연에서 원료를 얻어 완전히 변형시킴으로써 자연이 소화할 수 없게 만들었습니다. 이것이 바로 인간의 지혜가 초래한 딜레마입니다. 이제 우리는 새로운 기술의 연구 개발을 통해 이 모든 것을 바꾸기를 희망합니다!

위에서 언급한 플라스틱 문제 해결 방법들은 모두 과학 기술의 추가적인 발전이 필요하며, 일반적인 사용에 앞서 기술적 장애물과 높은 비용이라는 문제가 존재합니다.

현재 플라스틱 문제를 해결하는 가장 좋은 방법은 재활용입니다. 분쇄 및 세척 과립화와 같은 단계를 통해 플라스틱을 다각적으로 활용하는 것은 환경을 보호할 뿐만 아니라 플라스틱 사용 비용도 절감합니다. 이는 현재 플라스틱 문제를 해결하는 가장 효과적인 방법입니다.