김병수 교수팀, 친환경 PVC 분해 기술 개발

‘옥시란 메카노포어’ 도입해 PVC를 무독성, 수용성 물질로 분해

재료과학 분야 세계적 학술지 ‘Advanced Materials’ 게재

[사진. (왼쪽부터) 김병수 교수, Neha Choudhury 제1저자]

이과대학 화학과 김병수 교수 연구팀이 기계화학적 볼밀링 시스템을 사용해 폴리염화비닐(Polyvinyl chloride, 이하 PVC)을 무독성, 수용성 물질로 분해하는 친환경 기술을 세계 최초로 개발했다. 연구 결과는 재료과학 분야 세계적 권위지인 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’ 최신호에 6월 30일 게재됐다.

PVC는 전 세계에서 세 번째로 많이 사용되는 범용 플라스틱으로, 강도가 높고 부식에 강해 다양한 산업에서 활용되고 있다. 하지만 PVC는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리프로필렌(polypropylene, PP) 등 다른 플라스틱과 달리 재활용이 어려워, 매립이나 소각을 통해서만 처리된다. 이 과정에서 PVC의 첨가제가 누출될 가능성이 있고, 소각 시 염화수소와 발암 물질인 다이옥신이 방출되는 등 다양한 환경 문제가 존재한다.

이를 해결하기 위해 김병수 교수 연구팀은 기계화학적 볼밀링 시스템 도입을 통해 PVC 분해 특성을 확인하는 실험을 설계했다.

기계화학(mechanochemistry)은 최근 새롭게 연구되고 있는 분야로, 기계적인 힘을 활용해 화학적 반응을 일으키는 방법이다. 일반 합성법과 달리 용매를 사용하지 않기 때문에 친환경적인 방법으로 각광받고 있다. 

특히, 고분자 사슬 내부의 기계적 힘으로 특정 화학반응을 활성화하는 ‘메카노포어(mechanophore)’ 연구가 주목받고 있다. 그중 옥시란(oxirane) 분자는 기계적인 힘에 감응해 불균일 개환 반응(heterolytic ring opening)을 통해 카보닐 일라이드(carbonyl ylide)를 발생할 수 있는 메카노포어이다.

실험은 PVC 사슬 내부에 옥시란 분자를 전략적으로 도입하기 위해 두 단계의 탈염소화 과정과 에폭시화 반응을 볼밀링 반응으로 진행했다. 도입된 옥시란 분자는 볼밀링 과정에서 받는 기계적인 힘에 의해 카보닐 일라이드 중간체를 형성했고, 이는 PVC 사슬에 아세탈 구조를 추가적으로 도입할 수 있는 결과를 나타냈다. 이후 가수분해를 통해 고분자 사슬이 수용성의 저분자량 물질로 분해됐으며, 분해된 물질의 낮은 세포 독성 및 식물 독성 결과를 통해 친환경 시스템을 검증했다.

[대표 그림. 폴리염화비닐(Polyvinyl chloride, PVC)이 기계화학적 볼밀링 시스템을 통해 수용성의 물질로 분해됐음을 설명하는 이미지. 기계화학적 볼밀링 시스템 내부에 있는 회색 공은 볼밀에 사용되는 볼(ball)이며, 파란색으로 표시된 것은 반응 물질인 PVC이다.]

김병수 교수는 “본 연구는 기계화학적 방법을 통해 PVC 폐플라스틱 처리에 대한 친환경 분해 시스템을 구축한 것으로, 향후 석유 기반 비분해성 상용 플라스틱인 PE, PP의 분해에도 적용 가능성을 넓힐 수 있는 새로운 도약을 이뤄냈다.”고 연구의 의의를 밝혔다.

논문정보

● 논문제목: Mechanochemical Degradation of Poly(vinyl Chloride) into Non-Toxic Water-Soluble Products via Sequential Dechlorination, Heterolytic Oxirane Ring-Opening, and Hydrolysis

● 논문주소: https://doi.org/10.1002/adma.202304113