폐플라스틱 재활용 현황

플라스틱은 어디에나 존재하며, 다양한 방식과 종류로 분류됩니다. 용도에 따른 분류에 따르면 플라스틱은 범용 플라스틱, 엔지니어링 플라스틱, 특수 플라스틱으로 나눌 수 있습니다. 분자 간 힘에 따른 분류에 따르면 열가소성 플라스틱과 열경화성 플라스틱으로 나눌 수 있습니다. 플라스틱 고분자 성분에 따른 분류를 적용하면 이론적으로 수천 가지가 존재할 수 있습니다. 또한 과학자와 화학 기업들은 매년 일정 수준의 연구 개발을 지속하며 플라스틱의 종류를 늘려가고 있습니다. 현재 주요 플라스틱 종류로는 PP, PE(LDPE, HDPE), PVC, PET, PS 등이 있습니다.

전 세계적인 플라스틱 사용량은 막대하며 매년 증가하고 있지만, 전체 재활용률은 낮은 수준입니다. Statista에 따르면 2020년 전 세계 열가소성 플라스틱 연간 생산량은 약 4억 톤에 달했으며, 5년마다 1% 이상의 빠른 속도로 증가할 것으로 예상됩니다. 2050년까지 전 세계 열가소성 플라스틱 생산량은 5억 8,900만 톤에 이를 것으로 전망됩니다.

플라스틱은 인간의 삶에서 매우 중요한 역할을 하기 때문에 대체하기가 어렵습니다. 따라서 점점 더 심각해지는 환경 보호 상황에 직면하여 폐플라스틱 재활용은 정부와 사회의 광범위한 관심사가 되었습니다. 이러한 맥락에서 폐플라스틱 재활용 분야의 전문 분석가들은 과학 기술의 관점에서 현재 시장의 주류 재활용 기술을 검토하고, 이 분야의 핵심 기술 포인트를 대중에게 알리고자 합니다.

폐플라스틱 재활용 현황:

2020년부터 2050년까지의 전 세계 열가소성 플라스틱 생산량 전망

위 그림에서 볼 수 있듯이 현재 주요 열가소성 플라스틱 중 PP의 생산량이 가장 많고, 그 뒤를 LDPE와 HDPE가 잇고 있습니다. 이 세 가지 플라스틱만으로도 전체 열가소성 플라스틱 생산량의 거의 50%를 차지합니다.

폐플라스틱 재활용률은 낮으며, 지역 및 범주별로 큰 차이를 보입니다. 전 세계적으로 증가하는 플라스틱 생산량에 비해 재활용률은 정체되어 있습니다. 경제협력개발기구(OECD)에 따르면 전 세계적으로 플라스틱 폐기물의 약 14~18%만이 재활용되고, 약 24%는 소각되며, 약 58~62%의 플라스틱 폐기물은 매립되거나 자연환경에 버려집니다. 폐플라스틱 재활용률은 지역마다 큰 차이를 보입니다. EU의 전체 플라스틱 폐기물 재활용률은 전 세계적으로 비교적 높은 편이며 2014년 이후 30% 이상으로 안정화되었습니다. 중국의 폐플라스틱 재활용률은 유럽연합과 비슷하여 2020년 26.7%에 도달했습니다. 미국의 재활용률은 다른 지역에 비해 훨씬 뒤처져 있으며, 2018년 전체 재활용률은 8.7%에 불과했습니다.

세분화된 플라스틱의 회수율은 큰 차이를 보입니다. 아래 차트는 OECD가 분류한 미국 내 다양한 유형의 플라스틱 폐기물 재활용률을 보여줍니다. PET와 PE의 전체 회수율은 10%를 넘어 미국 내 폐플라스틱 전체 재활용 수준보다 높다는 것을 알 수 있습니다. 그러나 연간 생산량이 가장 많은 PP의 회수율은 1% 미만으로, 폐플라스틱 재활용 전체 수준보다 훨씬 낮습니다.

생분해성 플라스틱이 부상하고 있지만, 비용이 많이 들고 기술적 성숙도가 낮습니다. 다음 차트는 현재 시장의 플라스틱 생산, 기술 성숙도 및 가격을 요약한 것입니다. 그림에서 볼 수 있듯이 PE, PP, PET와 같은 성숙한 플라스틱 제품과 비교했을 때, PBS 및 기타 새로운 재생 플라스틱은 기술적 성숙도와 가격 측면에서 이점이 없습니다.

따라서 플라스틱 폐기물 문제를 완화하기 위해 생분해성 플라스틱에 의존하는 것보다 재활용이 더 신뢰할 수 있는 해결책입니다. 또한 기존 플라스틱과 비교했을 때 현재 재생 플라스틱의 시장 점유율은 낮아 성장 여지가 많습니다. 이러한 맥락에서 플라스틱 재활용 공정의 핵심 기술 포인트를 이해하는 것은 관련 분야 투자자들에게 매우 중요합니다.

폐플라스틱 재활용 기술 분석

플라스틱 내 고분자 탄소 사슬의 파괴 여부에 따라 폐플라스틱 재활용 기술은 물리적 재활용과 화학적 재활용으로 나눌 수 있습니다.

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물리적 재활용(재활용 기계)

물리적 재활용은 플라스틱의 고분자 구조를 파괴하지 않고 폐플라스틱을 세척 및 파쇄한 후 직접 플라스틱 펠릿화 공정을 수행하는 방법을 말합니다. 공정의 일부에는 가소화가 포함될 수도 있습니다. 일반적인 공정 흐름은 다음과 같습니다.

플라스틱 선별:

분리는 일반적으로 공급 원료의 물리적 특성을 통해 수행됩니다. 예를 들어 자력을 사용하여 공급 원료의 금속 일부를 제거하며, 분리가 어려운 물질은 수동으로 선별해야 할 수도 있습니다. 일반적인 분리 방법으로는 수동 분리, 밀도 분리, 자력 분리, X선 형광 분리, 정전기 분리 등이 있습니다.

플라스틱 세척 및 건조:

불순물마다 대응하는 처리 방법이 있습니다. 예를 들어 플라스틱 표면의 흙이나 먼지는 물 세척으로 간단히 제거할 수 있습니다. 유분 오염의 경우 잿물이 필요할 수 있지만, 이 방법은 오염을 유발하기 쉽다는 명백한 단점이 있습니다. 세척 후 건조는 비교적 간단하며, 일반적으로 산업용 건조기를 사용하여 플라스틱 본체의 물기를 제거합니다.

간단한 선별 및 세척 후, 후속 처리를 용이하게 하기 위해 일반적으로 산업용 파쇄기를 사용하여 플라스틱 파쇄 처리를 합니다. 산업용 파쇄기는 일반적으로 내부의 칼날을 사용하여 플라스틱을 파쇄하며, 공급 원료의 경도나 형태에 따라 다른 산업용 파쇄기가 사용됩니다. 파쇄 후 입자 크기가 작을수록 파쇄 비용이 높아집니다.

공급 및 가소화:

생산 라인에서 완제품의 품질을 보장하기 위해 공정의 일부에 가소화 단계가 포함될 수 있습니다. 일반적으로 열가소성 플라스틱의 경우 충전 목적은 비용 절감이며, 열경화성 플라스틱의 경우 충전은 비용 절감 및 개질을 위한 것입니다. 가소화는 약 100~200℃의 온도에서 혼련기를 사용하여 충전제와 폐플라스틱을 혼합하여 덩어리를 생성하고 후속 압출을 용이하게 하는 과정입니다.

플라스틱 압출 조립:

일반적으로 압출기를 사용하여 펠릿에서 재생 플라스틱 입자를 만들며, 반응 온도는 약 150~250℃입니다.

물리적 회수 공정은 비교적 간단하며 일반적으로 시장에 나와 있는 대부분의 일반 플라스틱을 수용할 수 있습니다. 그러나 단점도 분명합니다. 물리적 재활용 후 생산된 플라스틱은 일반적으로 저가형 플라스틱이며, 반복적인 물리적 재활용 후에는 플라스틱의 성능이 저하되어 무한한 물리적 재활용을 달성하기 어렵습니다. 결과적으로 일부 제조업체는 제품이 고가 플라스틱임을 보장하기 위해 재활용 생산 라인에 투입하는 플라스틱 유형을 제한할 수 있으며, 다른 제조업체는 PET 병만 재활용할 수도 있습니다. 요약하자면, 물리적 재생의 적용 시나리오는 여러 면에서 제한적입니다.

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화학적 재활용:

화학적 재활용은 플라스틱의 고분자 탄소 사슬을 작은 분자로 전환하여 연료, 화학 물질, 전기 또는 기타 제품을 생산하는 것입니다. 일반적인 화학적 재활용 방법은 다음과 같습니다.

소각 발전

과산화물 공정이라고도 하며 모든 유형의 폐플라스틱을 처리할 수 있습니다. 이 공정은 폐플라스틱의 탄소와 수소를 이산화탄소와 물로 전환하여 열을 발생시키고, 이 열을 전기로 변환하여 송전 시스템에 공급합니다.

소각 발전은 일반적으로 발효, 소각, 폐기물 처리의 세 부분으로 구성됩니다. 폐플라스틱을 다른 폐기물과 혼합한 후 간단히 발효시킨 다음 소각로에서 태웁니다. 소각 중에 발생하는 열은 보일러의 물을 가열하여 증기를 생산하는 데 사용되며, 이 증기는 터빈을 구동하여 전기를 생산하는 데 사용됩니다. 공정에서 발생하는 슬래그와 연도 가스에서 포집된 비산재는 처리되어 매립지로 보내지거나 재사용되며, 연도 가스는 처리 후 대기로 배출됩니다.

화학적 재활용은 플라스틱의 고분자 탄소 사슬을 작은 분자로 전환하여 연료, 화학 물질, 전기 또는 기타 제품을 생산하는 것입니다. 일반적인 화학적 재활용 방법은 다음과 같습니다.

소각 발전

과산화물 공정이라고도 하며 모든 유형의 폐플라스틱을 처리할 수 있습니다. 이 공정은 폐플라스틱의 탄소와 수소를 이산화탄소와 물로 전환하여 열을 발생시키고, 이 열을 전기로 변환하여 송전 시스템에 공급합니다.

소각 발전의 장단점도 분명합니다. 장점은 공급 원료 요구 사항이 높지 않아 모든 유형의 플라스틱을 처리할 수 있다는 점입니다. 단점은 연소 시 발생하는 폐가스에 일반적으로 오염 물질이 포함되어 있다는 점입니다. 공급 원료에 염소가 포함된 폐플라스틱이 있으면 다이옥신과 같은 독성 및 유해 가스가 발생할 수 있습니다.

부분 산화 공정

폴리올레핀 폐플라스틱에 적합합니다. 소각과 달리 반응에 과도한 산소가 관여하지 않습니다. 소량의 산소가 공급 원료와 반응하여 합성 가스(일산화탄소와 수소 혼합물)를 생성하며, 최종 제품은 석탄 화학 산업에서 메탄올과 암모니아를 생산하는 데 사용할 수 있습니다.

부분 산화 공정은 일반적으로 분리, 세척 및 건조, 파쇄, 용융, 가스화 과정을 포함합니다. 선별, 세척, 건조 및 파쇄 공정은 물리적 회수와 동일합니다. 다른 공정은 주로 아래에 설명되어 있습니다.

용융: 온도는 일반적으로 100~500°C입니다. 일부 공정은 용융이 한 번만 이루어지지만, 일부 공정은 용융 효과를 위해 여러 번 용융할 수도 있습니다. 용융 과정에서 일부 경질 성분 가스가 생성되며, 이는 용융 중 열원으로 사용할 수 있습니다. 또한 공급 원료에 할로겐 함유 플라스틱이 포함되어 있으면 할로겐 함유 산성 가스와 할로겐 함유 화합물이 생성될 수도 있습니다. 할로겐 함유 화합물의 생성은 수율을 감소시키며, 적절한 양의 증기를 통과시켜 할로겐 함유 화합물의 생성을 방지할 수 있습니다.

가스화: 반응 온도는 약 1000~1600°C입니다. 이 과정에서 부분 산화를 달성하기 위해 충분한 공기나 산소를 주입하여 플라스틱의 탄소 및 수소 원자를 각각 일산화탄소와 수소로 전환합니다. 최종 가스화 제품에는 일산화탄소와 수소뿐만 아니라 소량의 이산화탄소, 수증기, 할로겐 가스 등이 포함될 수 있으며, 제품의 최종 용도에 따라 일정량의 불순물 제거가 이루어집니다. 또한 가스 제품 외에도 일반적으로 슬래그가 생성됩니다. 적절한 처리 후 슬래그는 매립지로 보내거나 2차 용도로 사용할 수 있습니다.

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요약하자면

탄소 중립 시대의 중요한 명제로서 폐플라스틱 재활용은 기술을 통해 저가치 플라스틱 폐기물을 보물로 바꾸는 것이 미래의 플라스틱 문제를 해결할 차세대 환경 보호 산업이 될 것이라고 믿습니다.