예상치 못한 업사이클링 방법: 플라스틱 폐기물이 비누로 변신합니다

Jul 13, 2023

화학과의 Guoliang 'Greg' Liu는 우유팩, 식품 용기, 비닐봉지 등의 플라스틱을 비누로 재활용하는 새로운 방법을 발견했습니다. 방법: 플라스틱의 긴 탄소 사슬을 가열한 후 빠르게 냉각시킵니다.

2023년 8월 10일

버지니아 공대 연구진이 이끄는 팀은 플라스틱을 비누, 세제 등을 만드는 데 사용되는 계면활성제라고 알려진 고부가가치 화학 물질로 업사이클링하는 새로운 방법을 개발했습니다.

플라스틱과 비누는 질감, 외관, 그리고 가장 중요하게는 사용 방법에 있어 공통점이 거의 없는 경향이 있습니다. 그러나 분자 수준에서 이 둘 사이에는 놀라운 연관성이 있습니다. 오늘날 세계에서 가장 일반적으로 사용되는 플라스틱 중 하나인 폴리에틸렌의 화학 구조는 화학적 전구체로 사용되는 지방산의 화학 구조와 놀랍도록 유사합니다. 비누. 두 물질 모두 긴 탄소 사슬로 만들어졌지만 지방산은 사슬 끝에 추가 원자 그룹을 가지고 있습니다.

버지니아 공대 화학과 부교수인 Guoliang "Greg" Liu는 이러한 유사성이 폴리에틸렌을 지방산으로 변환하고 몇 가지 추가 공정 단계를 거쳐 비누를 생산하는 것이 가능해야 한다는 것을 오랫동안 암시해 왔다. 문제는 긴 폴리에틸렌 사슬을 너무 짧지는 않지만 여러 개의 짧은 사슬로 분해하는 방법과 이를 효율적으로 수행하는 방법이었습니다. Liu는 저가의 플라스틱 폐기물을 고가의 유용한 상품으로 전환할 수 있는 새로운 업사이클링 방법의 잠재력이 있다고 믿었습니다.

한동안 그 질문에 대해 고민한 Liu는 벽난로 옆에서 겨울 저녁을 즐기며 영감을 얻었습니다. 그는 불에서 연기가 피어오르는 것을 지켜보며 나무가 연소되는 동안 생성되는 작은 입자들로 인해 연기가 어떻게 만들어지는지에 대해 생각했습니다. 안전과 환경상의 이유로 플라스틱을 벽난로에서 태워서는 안 되지만 Liu는 안전한 실험실 환경에서 폴리에틸렌을 태울 수 있다면 어떤 일이 일어날지 궁금해하기 시작했습니다. 폴리에틸렌이 불완전 연소되면 나무가 타는 것처럼 '연기'가 발생할까요? 누군가가 그 연기를 포착한다면 그것은 무엇으로 만들어질까요?

“장작은 대부분 셀룰로오스와 같은 고분자로 만들어집니다. 장작을 연소하면 이러한 중합체가 짧은 사슬로 분해된 다음 이산화탄소로 완전히 산화되기 전에 작은 기체 분자로 분해됩니다.”라고 화학과의 Blackwood Junior Faculty Fellowship of Life Sciences 소유자인 Liu는 말했습니다. "우리가 유사하게 합성 폴리에틸렌 분자를 분해하지만 작은 기체 분자로 분해되기 전에 공정을 중단한다면 짧은 사슬의 폴리에틸렌과 유사한 분자를 얻어야 합니다."

두 명의 Ph.D. Zhen Xu와 Eric Munyaneza의 도움으로 Liu 연구실의 화학과 학생인 Liu는 온도 구배 열분해라는 과정에서 폴리에틸렌을 가열할 수 있는 작은 오븐 모양의 반응기를 만들었습니다. 하단의 오븐 온도는 폴리머 사슬을 끊을 수 있을 만큼 충분히 높으며, 상단의 오븐은 더 이상 분해되지 않을 만큼 낮은 온도로 냉각됩니다. 열분해 후, 그들은 굴뚝에서 그을음을 청소하는 것과 유사한 잔류물을 모아서 Liu의 직감이 옳았다는 것을 발견했습니다. 그것은 "단쇄 폴리에틸렌", 더 정확하게는 왁스로 구성되었습니다.

이는 플라스틱을 비누로 업사이클링하는 방법을 개발하는 첫 번째 단계라고 Liu는 말했습니다. 비누화를 포함한 몇 가지 단계를 더 추가하여 팀은 세계 최초의 플라스틱 비누를 만들었습니다. 프로세스를 계속하기 위해 팀은 계산 모델링, 경제 분석 등의 전문가의 도움을 요청했습니다.

이들 전문가 중 일부는 버지니아 공대의 거대분자 혁신 연구소(Macromolecules Innovation Institute)와의 연결을 통해 팀에 소개되었습니다. 그룹은 과학계와 공유할 준비가 될 때까지 업사이클링 과정을 함께 문서화하고 개선했습니다. 이 연구는 오늘 인기 저널 사이언스(Science)에 게재되었습니다.

“우리 연구는 새로운 촉매나 복잡한 절차를 사용하지 않고 플라스틱 업사이클링을 위한 새로운 경로를 보여줍니다. 이 연구에서 우리는 플라스틱 재활용을 위한 직렬 전략의 잠재력을 보여주었습니다.”라고 논문의 주요 저자인 Xu가 말했습니다. “이는 사람들이 미래에 업사이클링 절차에 대한 보다 창의적인 디자인을 개발할 수 있도록 계몽할 것입니다.”