생활 속 원소 이야기 ⑤ 탄소·수소 조합인 플라스틱 [우리가 몰랐던 과학 이야기] (233)

원소란 수소, 산소와 같이 더는 분해되지 않으며, 물질을 이루는 기본 성분입니다.

오늘은 우리 생활에서 쉽게 찾아볼 수 있는 대표적인 물질이면서 탄소(C)와 수소(H)로 이뤄진 플라스틱에 관해 이야기해보려 합니다.

◆탄소와 수소로 구성된 석유

출처=https://gititrade.com

석유(원유)는 플라스틱의 주요 원료입니다. 석유는 주로 탄소와 수소로 구성되어 있는데요. 이 원유를 가열하면 등유와 휘발유로 나뉘게 되면서 나프타라는 물질이 분리되는데, 이를 열분해한 것이 바로 에틸렌입니다.

에틸렌은 중합과정을 거치면서 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등과 같은 고분자를 생성합니다. 이를 가공한 것이 우리가 사용하고 있는 플라스틱 제품입니다.

탄소와 수소로 이뤄진 플라스틱의 종류에 대해 살펴보겠습니다.

◆폴리에틸렌(PE)

폴리에틸렌 구조식. 출처=위키백과

폴리에틸렌(PE)은 탄소 2개와 수소 4개로 이루어진 에틸렌이 수천에서 수십만개가 모여 만들어진 기다란 탄화수소 사슬의 중합체로, 가장 간단한 형태의 고분자입니다. 화학식은 ‘C2H4’로, 1989년 독일 화학자 한스 폰 페크만이 처음 합성하였으며, 그의 동료인 유진 밤베르거와 프리드리히 치르너가 ‘–CH2-’가 반복된 긴 사슬 구조를 제안했고, 이를 폴리에틸렌이라 이름 붙였습니다.

PE는 밀도에 따라 저밀도폴리에틸렌(LDPE)과 고밀도폴리에틸렌(HDPE), 선형저밀도폴리에틸렌(LDPE)으로 나눌 수 있습니다. 플라스틱병과 필름, 식품·포장 용기 등 일상에서 다양하게 쓰이고 있습니다.

◆폴리프로필렌(PP)

폴리프로필렌 구조식. 출처=위키백과

폴리프로필렌(PP)은 탄소 3개로 이루어진 열가소성 고분자로, PE와 유사한 특성을 지니고 있습니다. 화학식은 ‘C3H6’로, PE 분자 사슬의 탄소에 하나씩 건너 메틸기(CH3)가 붙어 있습니다.

PP는 내구성과 내열성이 뛰어나고 성형이 용이해 자동차 부품과 가전제품, 식품 용기, 포장재 등으로 널리 사용되고 있습니다.

◆폴리염화비닐(PVC)

PVC 구조식. 출처=위키백과

폴리염화비닐(PVC)은 에틸렌 분자의 수소 하나를 염소로 치환한 것으로, 비닐 클로라이드(Vinyl Chloride)라고 하는 분자를 중합시킨 것입니다. PE는 탄소 2개와 수소 4개로 이루어졌다면, 여기서 수소 1개가 염소 1개로 대체된 것이 PVC입니다. 화학식은 ‘C2H3Cl’로, PE 이중결합 탄소 쌍 중 하나에 염소 원자가 부착되어 있습니다

열가소성 PVC는 PE 다음으로 많이 쓰이고 있는 범용 플라스틱입니다. 열에 의해 쉽게 변형되는 특징이 있는데, 목적에 맞게 성질을 변형시킬 수 있어 비닐이나 바닥 매트, 창호, 벽지, 파이프, 자동차 및 가전제품 부품 등 다양한 용도로 이용되고 있습니다.

◆폐플라스틱 화학적 재활용

PE와 PP, 폴리스티렌(PS), PVC 등의 플라스틱은 탄소와 수소로 구성돼 있어 이를 분해하면 수소 연료와 고체 탄소로 변환할 수 있습니다.

비닐봉지에 든 수소는 중량 대비 14%로, 1㎏에서 이론상 13.58g의 수소를 얻을 수 있다고 합니다. 또한 플라스틱에서 수소를 추출하고 남는 것은 이산화탄소가 아닌 순도 높은 탄소 나노튜브 덩어리라는 점에 과학자들이 주목하고 있습니다.

이렇게 플라스틱을 분해하여 새로운 에너지나 석유제품의 원료를 추출하는 것을 화학적 재활용이라고 합니다.

한화솔루션은 나프타보다 무거운 탄화수소들을 분해하여 에틸렌과 프로필렌 등 플라스틱 기초 원료로 재활용하는 기술을 연구하고 있는데요. 오는 2024년까지 하루 1t 규모의 파일론 사업을 거쳐 폐플라스틱으로 연간 3만t의 나프타 생산을 목표로 하고 있습니다.

생활용품부터 자동차, 전자제품까지 전 산업에 걸쳐 없어서는 안 될 플라스틱 제품들! 여기에 화학적 재활용을 거쳐 새로운 에너지원과 제품으로 재생산까지 될 수 있는데요. 화학적 원리를 알고 나니 더욱 쉽게 이해가 되는 것 같습니다.

한화솔루션 블로거

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