친환경 산업동향

제목 [미국] 분해되도록 설계된 플라스틱
작성자 tawake88
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50년 전부터 자연환경에서 분해될 수 있는 플라스틱을 만드는데 관심이 높아졌다. 이후로 작은 조각이나 해로운 물질을 남기지 않고 사라지는 환경 친화적인 플라스틱 재료를 찾는 노력들이 이어졌다. 그러나 이처럼 분해되는 플라스틱을 실제로 생산하는 것은 매우 힘들다. 플라스틱의 활용 분야에서 내구성이 요구되는 반면에 생분해성은 자연계에서 재활용에서 필수적이기 때문이다. 지금까지 특정 활용 분야에 적합한 특성을 갖춘 생분해 가능 재료를 개발하는데 발전이 이루어졌다. 그렇지만 이들의 분해에는 물리 화학적 구조와 조성에 따른 특별한 조건이 요구되고 있다. 바이오의료 분야에서 polyglycolide, polylactide, polycaprolactone, polytrimethylene carbonate를 포함하여 생분해성 폴리머들은 십 수년간 성공적으로 이용되어 왔다. 이들 재료들은 쉽게 분해되기 때문에 이용하기 전까지는 낮은 온도와 질소가 존재하는 조건에서 보관된다.

 

폴리머의 분자적 구조를 설계함으로써 이들의 분해율과 분해된 후에 생성되는 산물을 조절할 수 있다. 인체는 온도와 분해 조건 등이 잘 알려진 상대적으로 통제된 환경이기 때문에 이들 재료들을 최적의 분해 특성으로 만드는 것도 가능하다고 한다. 반면에 자연 환경은 습도, 미생물, 산소, 햇빛, 온도가 매우 다양하기 때문에 통제가 불가능하며, 이런 이유로 완전히 생분해되는 재료를 만드는 것이 매우 어렵다. 상업 퇴비화 공장에서는 통제된 환경을 만들어 낼 수 있기 때문에 열, 수분, 미생물들의 결합 작용을 통하여 퇴비화 가능으로 분류된 플라스틱은 성공적으로 분해될 수 있다. 퇴비화물에서는 재료의 분해만으로 충분하지만, 이는 완전한 무기물화와는 차이가 있다. 생분해성 재료의 개발, 이용, 처분에 연관된 주요 문제 중 하나는 이들이 자연 환경에서 분해되지 않고, 각각의 특성에 따라서 특별한 환경이 요구된다는 것이다. 따라서 플라스틱 쓰레기 문제의 해답으로 환경에서 분해되는 플라스틱을 생각하는 것은 실제로는 상당이 어려운 일이다.

 

예를 들어서 바다에서 플라스틱 파편들은 거대한 환경 문제로 인식되고 있다. 때문에 플라스틱의 취급과 폐기물 관리에서 큰 개선이 요구되고 있다. 그러나 생분해성 플라스틱은 해결책이 될 수 없다. 그 이유는 바닷물이 플라스틱의 빠른 분해에 이상적이지 않기 때문이다. 비닐 봉지에 이용되는 전분 기반 플라스틱은 퇴비화 설비에서는 신속하게 분해되지만 바닷물이나 토양에서는 분해되지 않는다. 분해율이나 분해 산물은 빛, 산소, 미생물, 온도와 같은 국소적인 특징에 크게 영향을 받으며, 이로 인하여 심각한 문제가 유발될 수 있다. 기존 비닐 봉지와 생분해성 비닐 봉지 모두 생태계와 해양 생명체들에게 신속하게 빠른 변화를 발생시키기 때문이다. 오늘날 바이오매스를 폴리머 생산의 원료로 이용하는 노력이 전세계적으로 확대되고 있다. 여기서 재료의 분해성은 화학 및 물리적 구조와 조성, 주변 환경과의 상호작용에 달린 것이지 원료의 출처에 달려있지 않다는 것을 기억하는 것이 중요하다. 자연계에 얻어진 시작 물질이 생분해된다 하더라도 화학적인 변형 후에도 생분해성이 유지되는 것을 보장하지는 않는다. 실제로 모든 화학적 변형 및 첨가제가 분해성, 분해 후에 형성되는 산물, 최종적인 환경에서의 운명에 영향을 주는 것이다.

 

분해되는 플라스틱을 얻기 위하여 여러 접근법이 제안되었다. 상당수의 초기 접근법은 포장이나 제초 필름에 이용되는 polyolefin과 같은 저렴한 플라스틱의 분해를 촉진시키는 방법을 시도했다. 그러나 polyolefin은 공유 결합으로 구성된 탄소 사슬로 만들어졌기 때문에 자연계의 효소가 직접 절단시킬 수 없다. 또한 이들 재료들은 일반적으로 산화를 막는 안정화제를 함유하고 있다. 그러나 햇빛으로 재료를 산화에 보다 민감하게 만들면 이용하는 동안에 덜 안정적으로 만들 수 있다고 한다. 더하여 산화 촉진제도 상용화되어 있으며, 산화-분해성(oxo-degradable) 플라스틱 또는 산화 촉진 첨가제 함유(pro-oxidants additive containing: PAC) 플라스틱도 판매되고 있다. 그러나 이런 방식은 재료가 작은 형태로 붕괴될 뿐 분자구조 자체는 그대로 토양에 남아있게 된다. 때문에 플라스틱이 눈앞에서 사라지지만 해당 분자구조가 완전 분해되기까지는 수년에서 수백 년 이상 소요된다. 또한 분해 촉진 첨가제로 환경오염을 오히려 더 가중시킨다는 우려도 제기되고 있습니다. 이런 이유로 많은 국가들은 이들 재료들의 이용을 금지해야 한다는 결론에 도달했다. 2014년 유럽 연합 회원국들은 PAC의 금지를 제안했다. 이러한 금지 제안이 통과하지는 못했지만 2016년에 유럽에서는 환경에 대한 PAC의 영향을 보고하였으며, 이들의 이용 중단을 요구했다. 이들에 대한 새로운 입법 제안도 예상되고 있다.

 

지금까지 가장 널리 수용된 환경에서 분해되는 폴리머 재료는 aliphatic polyesters나 가수분해가 가능한 전분에 기반하고 있다. 이러한 재료들은 바이오의료나 생체 흡수가능 활용 분야에 성공적으로 이용되어 왔다. Polylactide가 포장 및 다른 제품에 가장 많이 이용된 aliphatic polyester이다. 이들은 저렴한 가격과 기존 포장 재료를 대체할 수 있는 특성 때문에 지속적으로 이용이 확대될 것으로 생각된다. Polylactide는 상업 및 가정의 퇴비화 설비에서 분해될 수 있지만, 자연 환경에서는 신속하게 분해되지 않는다. 그러자 상업화된 polylactide는 가공과 활용을 위한 특성을 향상시키기 위하여 첨가제를 함유하거나 화학적으로 변형되어 있다. 또한 이들 첨가제로 인하여 퇴비화 설비에서 분해가 잘 되지 않는 상황이 발생하고 있다.

 

생분해성 재료의 목록과 이들의 품질, 통제 가능성, 활용 영역을 보다 확대시키기 위해서 과학자들은 생물 시스템에 대하여 더 잘 이해할 필요가 있다. 특히 아직 제대로 이해하지 못한 나무의 계층적 구조가 좋은 예가 될 수 있다. 더하여 리그노셀룰로스성 재료로부터 열가소성 수지, 바이오복합재, 열경화성 수지의 개발은 변형된 셀룰로스, 헤미셀룰로스, 리그닌 및 이들에서 유래한 단량체 및 나노산물에 기초한 퇴비화 가능 불활성 구조를 갖는 새로운 재료들의 목록을 확대시켜 줄 것으로 기대되고 있다. 환경에서 분해되는 플라스틱에 대한 과학 문헌들에서 상당수도 적절한 과학적 증거 없이도 분해를 주장하고 있다. 특히 중량 감소는 분해의 증거는 될 수 없다. 첨가제의 추출이나 폴리머의 일부 손실과 같은 여러 중량 감소의 이유가 있다. 또한 분해 산물이 자연계에서 지속되는지도 확인할 필요가 있다. 분해의 형태를 확인하는 정확한 용어를 사용하고, 시험 방법을 정확하게 설정하는 것이 이해를 잘못하거나 부정확한 주장을 피하는데 중요하다. 분해 가능 폴리머는 탄소 사슬의 절단으로 분자량이 감소할 수 있는 종류이다.

 

생분해성 플라스틱은 생체 의료, 농업, 퇴비화 가능 쓰레기 봉지와 같은 활용 분야에 매우 중요하며, 분해능도 이들의 기능의 일부이다. 그러나 다른 활용 분야에서는 효과적인 플라스틱의 수집과 여기에 이어지는 재료 및 에너지 재활용이 더욱 바람직하다. 분해가능 플라스틱의 한가지 우려는 재활용된 플라스틱 제품의 품질에 나쁜 영향을 끼칠 수 있다는 점이다. 이들이 제대로 분리되지 못하면 플라스틱 재활용에서 큰 문제를 유발시킬 수 있다. 가장 나쁜 사례로서 사람들이 생분해성 플라스틱을 환경에 그냥 버리는 것이 더 안전하다고 생각할 수도 있을 것이다. 생분해성 폴리머가 가장 뛰어난 친환경 솔루션인지 여부는 활용 분야, 전체 수명 주기, 원료에서부터 생산 공정 및 최종 관리에 달려있으며, 이들은 모두 사례 별로 평가될 필요가 있다. 환경 분해를 목표로 설계된 재료일지라도 실제로 이상적이지 못한 환경에서 분해되는 데는 많은 시간이 소요되게 된다. 그러나 기존이나 생분해성 플라스틱의 여부와 상관없이 이들을 투기하는 것은 환경이나 생태적인 관점에서 모두 해결책은 되지 못한다.

 

출처: 한국바이오안전성정보센터(KBCH)『바이오화학산업동향(TWB)』

원문출처: http://science.sciencemag.org/content/358/6365/872.full

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