플라스틱은 탄소 원자 사슬을 기반으로 하는 유기 고분자를 포함하는 다양한 합성 또는 반합성 재료를 통칭한다. 19세기 산업혁명 시기에 화학 공업의 발전으로 개발이 가속화되었으며, 열가소성 및 열경화성 플라스틱으로 분류된다. 플라스틱은 가볍고, 강하며, 내식성이 뛰어나고, 대량 생산이 용이하여 포장재, 건설 자재, 섬유, 소비재 등 다양한 분야에서 널리 사용된다. 그러나 플라스틱은 자연 분해되지 않아 환경 오염의 주범으로 지목되며, 미세 플라스틱 문제, 온실가스 배출, 플라스틱 소각으로 인한 유해 물질 발생 등의 단점을 가지고 있다. 이에 따라 플라스틱 사용량 감소, 재활용 정책 강화, 플라스틱 대체재 개발 등 환경 문제 해결을 위한 노력이 이루어지고 있다.
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플라스틱(plastic)이라는 용어는 "성형할 수 있는"이라는 뜻의 그리스어 "plastikos"에서 유래
환경 영향
환경 문제
플라스틱 오염, 미세 플라스틱 문제
주요 발생 원인
플라스틱 사용, 폐기물 처리 문제
플라스틱의 인체 검출
인체에서 플라스틱 입자 검출 사례 증가
건강 영향
건강에 미치는 영향에 대한 우려 증가
추가 정보
기타
플라스틱 오염은 심해, 극지, 인체 등 다양한 곳에서 발견됨
2. 역사
플라스틱의 개발은 껌이나 셸락과 같은 천연 플라스틱 물질을 사용하는 것에서 시작되었다.[146] 19세기 산업혁명 시기에 화학공업이 발전하면서 플라스틱 개발이 가속화되었다. 이 시기에는 찰스 굿이어의 가황 발견과 같이 중요한 발전이 있었다.
버밍엄 과학 박물관에 있는 파크스를 기념하는 명판
1855년 알렉산더 파크스는 파르케사인[91]을 발명했는데, 이는 최초의 인공 플라스틱으로 여겨진다. 파크스는 1856년에 이 물질에 대한 특허를 획득했다.[147] 파르케사인은 질산으로 처리한 셀룰로오스로 만들어졌으며, 1862년 국제 박람회에서 공개되어 동메달을 받았다.[93]
1869년 미국에서는 셀룰로이드가 개발되었는데, 이는 니트로셀룰로스와 장뇌를 섞어 만든 열가소성 수지이다. 셀룰로이드는 아프리카코끼리의 남획으로 인한 상아 부족을 해결하기 위해 당구공 회사의 공모를 통해 상품화되었으며, 당구공, 필름, 장난감 등에 사용되었지만, 쉽게 타고 열화되는 성질 때문에 점차 사용되지 않게 되었다.
1893년, 프랑스 화학자 오귀스트 트릴라트는 포름알데히드에 카세인을 담가 갈랄리스라는 불용성 물질을 만드는 방법을 발견했다.[94] 1897년에는 독일의 빌헬름 크리셰가 칠판 대안 개발 의뢰를 받아 오스트리아 화학자 아돌프 스피텔러와 협력하여 카세인 기반 플라스틱을 개발했다.[94]
1907년에 리오 베이클랜드가 베이클라이트를 발명하면서 본격적인 합성 플라스틱 시대가 열렸다.[4] 베이클라이트는 페놀과 포름알데히드를 원료로 한 열경화성 수지로, 최초의 완전 합성 플라스틱이었다. 베이클랜드는 "플라스틱"이라는 용어를 만들기도 했다.[5]헤르만 슈타우딩거, 허먼 프란시스 마크 등 많은 화학자들이 플라스틱의 재료 과학 발전에 기여했다.[6]
제1차 세계 대전 이후, 화학 분야의 발전은 새로운 형태의 플라스틱 등장을 가속화시켰고, 1940년대와 1950년대에 플라스틱 대량 생산이 시작되었다.[95] 폴리스티렌(1930년대 BASF 생산),[90]폴리염화 비닐(1872년 최초 생성, 1920년대 후반 상업 생산) 등이 이 시기에 개발되었다.[90] 1933년에는 폴리에틸렌이 발견되었다.[90]
1941년에는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PETE)가 발견되어 병 재료로 널리 사용되었다.[90] 1954년에는 줄리오 나타가 폴리프로필렌을 발견하여 1957년부터 생산이 시작되었고,[90] 같은 해 다우 케미칼이 발포 폴리스티렌을 발명했다.[90]
1970년대에는 공업용 부품으로 사용 가능한 엔지니어링 플라스틱이 개발되었고, 1980년대에는 더욱 고성능의 슈퍼 엔지니어링 플라스틱이 사용되기 시작했다.
3. 종류
플라스틱은 일반적으로 고분자의 주쇄와 측쇄의 화학 구조에 따라 분류된다. 아크릴계, 폴리에스터, 실리콘, 폴리우레탄, 할로겐화 플라스틱 등이 이러한 방식으로 분류된다. 또한, 축합, 첨가 중합, 가교 결합과 같은 합성에 사용되는 화학적 공정에 따라서도 분류할 수 있다.[10]경도, 밀도, 인장 강도, 내열성, 유리 전이 온도 등 물리적 특성에 따른 분류도 가능하다. 유기 용매 노출, 산화, 전리 방사선 등 다양한 물질과 공정에 대한 저항성과 반응에 따라서도 플라스틱을 분류할 수 있다.[11]
이 외에도 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE, 테플론), 폴리에테르에테르케톤(PEEK, 폴리케톤), 폴리에테르이미드(PEI, 울템) 등 특수 플라스틱도 존재한다.
합성수지는 일반적으로 석유를 원료로 하는 단량체를 중합하여 만들어진 중합체에 첨가제를 첨가한 물질이다.[101] 주로 원유를 증류하여 얻는 나프타를 원료로 하며, 석유화학 산업의 중요한 부분을 차지한다. 다른 원료로도 제조가 가능하며, 특히 사탕수수나 옥수수와 같은 바이오매스를 원료로 한 바이오플라스틱은 석유 자원 고갈 대책으로 주목받고 있다. 하지만 바이오매스 플라스틱과 생분해성 플라스틱은 다른 개념이며, 바이오매스 플라스틱이 자연 분해되는 것은 아니다.[102]
3. 1. 열가소성 플라스틱과 열경화성 플라스틱
열가소성 플라스틱은 가열 시 화학적 조성이 변하지 않아 반복적으로 성형할 수 있다. 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스티렌(PS), 폴리염화비닐(PVC) 등이 이에 해당한다.[12]
열경화성 플라스틱은 한 번 녹여 모양을 만들면 다시 가열해도 녹지 않고 분해되는 플라스틱이다.[13] 열경화성 공정에서는 비가역적인 화학 반응이 일어난다. 고무의 황화가 그 예시인데, 황을 넣고 가열하기 전의 천연 고무(폴리이소프렌)는 끈적하고 묽지만, 황화 후에는 건조하고 단단해진다.
열경화성 수지는 밀접하게 가교 결합된 중합체로 구성된다. 그림에서 가교 결합은 빨간색 점으로 표시되어 있다.
엘라스토머는 넓게 그물 모양으로 가교 결합된 중합체로 구성된다. 넓은 그물망 덕분에 인장 하중이 가해지면 재료가 늘어날 수 있다.
열가소성 플라스틱은 가교 결합되지 않은 중합체로 구성되며, 종종 반결정 구조(빨간색으로 표시)를 갖는다. 유리 전이 온도를 가지며 용융 가능하다.
열가소성 수지는 유리 전이 온도 또는 녹는점까지 가열하면 부드러워져 원하는 형태로 성형할 수 있는 수지이다. 일반적으로 열가소성 수지는 절삭, 연삭 등의 기계 가공이 어려운 경우가 많아, 가열하여 부드러워진 상태에서 금형에 압입하여 냉각, 고화시켜 최종 제품으로 하는 사출 성형 가공 등이 널리 사용되고 있다. 열경화성 수지보다 인성이 우수하고, 성형 온도는 높지만 단시간에 성형할 수 있으므로 생산성이 우수하다.
엔지니어링 플라스틱은 더 견고하여 자동차 부품, 건축 자재, 기계 부품 등에 사용된다. 폴리머 블렌드(ABS, HIPS 등)는 서로 다른 플라스틱을 혼합하여 만든다. 자동차에서 금속을 대체하여 무게를 줄이고 연비를 향상시키는 데 사용된다. 현대 자동차 부피의 약 50%는 플라스틱이지만, 무게는 12~17%에 불과하다.[16]
폴리아미드-이미드(PAI): 고성능 기어, 스위치, 변속기, 자동차 부품, 항공우주 부품[17]
두 종류 이상의 단량체를 사용한 합성수지를 공중합(共重合)이라고 한다. 예를 들어 ABS 수지는 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 수지로, 높은 강도와 내충격성을 가진다. 공중합은 단량체 배열 방식에 따라 무작위, 블록, 그라프트 공중합으로 분류된다. 폴리머 합금(폴리머 알로이)은 서로 다른 단일 폴리머들을 혼합하여 제조한다. (합금은 합금(合金)을 의미).
3. 3. 비정질 플라스틱과 결정질 플라스틱
플라스틱은 분자 구조에 따라 비정질 플라스틱과 결정질 플라스틱으로 분류할 수 있다. 비정질 플라스틱은 분자들이 불규칙하게 배열되어 있는 반면, 결정질 플라스틱은 분자들이 규칙적으로 배열되어 있다. polystyrene, PS영어, polymethyl methacrylate, PMMA영어를 포함한 많은 플라스틱은 완전히 비정질이다.[18] 반면, 고밀도 polyethylene, HDPE영어, polybutylene terephthalate, PBT영어, polyether ether ketone, PEEK영어와 같은 결정질 플라스틱은 규칙적인 분자 배열을 보인다.
일부 플라스틱은 부분적으로 비정질이고 부분적으로 결정질인 반결정질 구조를 갖는다. 이러한 반결정질 플라스틱에는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리염화비닐(PVC), 폴리아미드(나일론), 폴리에스터(PES) 및 일부 폴리우레탄(PU)이 포함된다. 반결정질 플라스틱은 녹는점과 하나 이상의 유리 전이 온도를 모두 갖는다.
3. 4. 전도성 고분자
본질적으로 전도성인 고분자(ICP)는 전기를 전도하는 유기 고분자이다. 신장 배향된 폴리아세틸렌에서 최대 80 kS/cm의 전도도가 달성되었지만,[19] 대부분의 금속에는 미치지 못한다. 예를 들어, 구리는 수백 kS/cm의 전도도를 갖는다.[20]
3. 5. 생분해성 플라스틱과 바이오 플라스틱
생분해성 플라스틱은 햇빛이나 자외선, 물이나 습기, 박테리아, 효소, 또는 풍화 작용에 노출되면 분해되는 플라스틱이다. 밀웜이나 꿀벌 애벌레와 같은 곤충의 공격 또한 생분해의 한 형태로 간주될 수 있다. 호기성 분해는 플라스틱이 표면에 노출되어야 하는 반면, 혐기성 분해는 매립지나 퇴비 시스템에서 효과적이다.[21] 일부 회사는 생분해를 향상시키기 위해 생분해성 첨가제를 생산한다. 전분 가루를 충전제로 첨가하여 일부 플라스틱이 더 쉽게 분해되도록 할 수 있지만, 이러한 처리로 완전한 분해가 이루어지는 것은 아니다. 일부 연구자들은 유전자 조작된 박테리아를 이용하여 폴리하이드록시부티르산(PHB)과 같은 완전히 생분해되는 플라스틱을 합성했지만, 2021년 기준으로는 여전히 비교적 비용이 많이 들었다.[21]
대부분의 플라스틱은 석유화학물질로 만들어지지만, 바이오플라스틱은 셀룰로스와 녹말과 같은 재생 가능한 식물성 원료로 상당 부분 만들어진다.[22] 화석 연료 매장량의 유한성과 주로 화석 연료 연소로 인한 온실 가스 증가라는 두 가지 이유로 바이오플라스틱 개발은 성장하는 분야이다.[23][24] 바이오 기반 플라스틱의 세계 생산량은 연간 32만 7천 톤으로 추산된다. 반면에 세계 최고의 석유화학 유래 폴리올레핀인 폴리에틸렌(PE)과 폴리프로필렌(PP)의 세계 생산량은 2015년 1억 5천만 톤 이상으로 추산되었다.[25]사탕수수나 옥수수와 같은 바이오매스를 원료로 한 바이오매스 플라스틱(바이오플라스틱)은 석유 자원 고갈 대책의 하나로 주목받고 있다. 단, 바이오매스 플라스틱과 생분해성 플라스틱은 전혀 다른 개념이며, 바이오매스 플라스틱이라고 해서 자연적으로 분해되는 것은 아니라는 점에 유의해야 한다.[102]
바이오플라스틱의 보급과 생산에는 많은 농지가 필요하다. 식량 생산을 위한 농지가 바이오플라스틱이나 바이오연료의 원료용 농지로 바뀔 가능성이 있다. 그렇게 되면 세계 인구 증가에 따라 계속 증가하는 세계 식량 수급에 영향을 미칠 가능성이 있다. 특히 영향을 받는 것은 개발도상국과 저소득 빈곤층이 될 것이다. 앞으로 바이오 소재가 보급되어 대량으로 사용되고 장기적으로 이용되면 식량 수급에 영향을 미칠 가능성이 높다.[140]
4. 플라스틱의 화학적 구조
대부분의 플라스틱은 유기 고분자를 포함하고 있다.[9] 이러한 고분자들은 대부분 산소, 질소, 황 원자가 결합되거나 결합되지 않은 탄소 원자 사슬로 형성된다. 이 사슬은 단량체로부터 형성된 많은 반복 단위로 구성되며, 각 고분자 사슬은 수천 개의 반복 단위로 이루어진다. 주쇄는 이 반복 단위들을 연결하는 주 경로에 있는 사슬 부분이다. 플라스틱의 특성을 조절하기 위해 측쇄라고 하는 서로 다른 분자 그룹이 주쇄에 매달리는데, 이들은 보통 단량체가 서로 연결되어 고분자 사슬을 형성하기 전에 단량체에 붙어 있다. 측쇄의 구조는 고분자의 특성에 영향을 미친다.
합성수지는 고분자 화합물의 일종이다. 예를 들어 폴리에틸렌은 탄소 두 개로 이루어진 에틸렌을 여러 개 연결한 중합체이며, 이 때 에틸렌은 "단량체", 폴리에틸렌은 "폴리머"라고 불린다. "모노(mono)"는 하나, "폴리(poly)"는 여러 개를 의미하는 접두사이다. 단량체를 연결하는 반응은 중합 반응이라고 하며, 단량체가 연결된 개수를 중합도라고 한다. 에틸렌 500개가 연결된 폴리에틸렌(탄소 수 1000)의 중합도는 500이다. 중합도가 커질수록 수지는 더 단단하고 강해진다. 폴리에틸렌은 열을 가하면 녹아서 유동하므로 이 상태에서 성형한다. 유동하기 시작하는 온도(유리 전이 온도)는 분자량이 커질수록 높아지며, 분자량이 일정 수준 이상이 되면 열을 가해도 유동하지 않고 온도를 더 높이면 분해된다.
용도에 따라 두 종류 이상의 단량체를 사용하여 합성수지를 만들 수 있는데, 이를 공중합이라고 한다. 예를 들어 자동차 내장재에 많이 사용되는 ABS 수지는 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 수지의 약칭으로, 높은 강도와 내충격성을 가진다. 이는 단단하지만 충격에 약해 잘 깨지는 아크릴로니트릴 수지와 스티렌 수지의 특성, 그리고 부드럽지만 충격에 강한 부타디엔 수지의 특성을 결합하여 강도와 내충격성을 모두 갖춘 것이다.
공중합은 단량체의 배열 방식에 따라 무작위 공중합, 블록 공중합, 그라프트 공중합으로 나뉜다. 무작위 공중합은 단량체가 무작위로 결합된 것이고, 블록 공중합은 단일 단량체로 만들어진 어느 정도 길이의 폴리머들이 세로로 연결된 것이다. 그라프트 공중합은 시렁과 비슷한데, 단일 단량체로 만들어진 긴 폴리머 곳곳에 다른 종류의 폴리머가 매달려 있는 형태이다.
공중합이 두 종류 이상의 단량체가 화학적으로 결합하여 만들어지는 반면, 폴리머 합금(ポリマーアロイ)은 서로 다른 단일 폴리머들을 혼합하여 만든다(합금(アロイ)은 합금(合金)을 의미). 폴리머 합금의 예로는 내충격성 폴리스티렌이 있다. 폴리스티렌은 단단하고 잘 깨지는 특성이 있지만, 소량의 고무를 섞으면 잘 깨지지 않는 성질을 갖게 할 수 있다.
5. 플라스틱 산업
플라스틱 산업은 플라스틱 생산, 컴파운딩, 가공 및 플라스틱 제품 판매를 포함하는 전 세계적인 산업이다. 중동 및 러시아가 필요한 석유화학 원료의 대부분을 생산하지만, 플라스틱 생산은 전 세계 동서양에 집중되어 있다.
전 세계 플라스틱 생산량의 약 70%는 6가지 주요 중합체 유형, 소위 일반 플라스틱에 집중되어 있다. 이러한 플라스틱은 종종 수지 식별 코드(RIC)로 식별할 수 있다.
열경화성 수지의 경우, 플라스틱은 처음에는 액체이지만 고체 제품을 얻으려면 경화해야 하므로 공정이 약간 다르지만, 장비의 대부분은 대체로 유사하다.
5. 1. 생산
플라스틱은 화학 공장에서 원료(단량체)의 중합을 통해 생산된다. 원료는 거의 항상 석유화학 제품이다. 이러한 시설은 일반적으로 규모가 크며, 광범위한 배관이 설치된 정유 공장과 시각적으로 유사하다. 이러한 공장의 대규모는 규모의 경제를 활용할 수 있게 한다. 그럼에도 불구하고 플라스틱 생산은 특별히 독점되지 않으며, 전 세계 생산량의 90%를 약 100개의 회사가 차지한다.[27] 여기에는 민간 기업과 국영 기업이 혼합되어 있으며, 모든 생산량의 약 절반은 동아시아에서 이루어지고 중국이 가장 큰 생산국이다.
1950년대 플라스틱 산업이 시작된 이후 전 세계 생산량은 엄청나게 증가하여 2021년에는 연간 4억 톤에 달했으며, 이는 2015년 3억 8,100만 톤(첨가제 제외)보다 증가한 수치이다.[2][26] 1950년부터 2017년까지 플라스틱 생산량은 92억 톤으로 추산되며, 그 절반 이상이 2004년 이후 생산되었다. 플라스틱 수요에 대한 세계적인 추세가 지속된다면 2050년까지 연간 세계 플라스틱 생산량은 연간 11억 톤을 초과할 것으로 추산된다.[2]
역사적으로 유럽과 북아메리카가 세계 플라스틱 생산을 주도해 왔다. 그러나 2010년 이후 아시아가 중요한 생산국으로 부상했으며, 중국은 2020년 전체 플라스틱 수지 생산량의 31%를 차지했다.[28] 플라스틱 생산량의 지역적 차이는 사용자 수요, 화석 연료 원료의 가격 및 석유화학 산업에 대한 투자에 따라 달라진다. 예를 들어, 2010년 이후 원자재 가격이 저렴해짐에 따라 미국에서는 새로운 플라스틱 및 화학 공장에 2000억달러 이상이 투자되었다. 유럽 연합(EU)에서도 플라스틱 산업에 대한 대규모 투자가 이루어졌으며, 이 산업은 160만 명 이상의 사람들을 고용하고 연간 3600억유로 이상의 매출을 올리고 있다. 2016년 중국에는 1만 5,000개 이상의 플라스틱 제조업체가 있으며, 3660억달러 이상의 수익을 창출했다.[2]
2012년 세계 플라스틱 생산량은 2억 8800만 톤이었으며, 최대 생산국은 중국(5213만 톤)이었고, 그 뒤를 EU(4900만 톤), 미국(4805만 톤), 대한민국(1335만 톤), 일본(1052만 톤)이 이었다.[105] 플라스틱 생산량은 급증하여 2015년에는 3억 2200만 톤에 달했다.[106]
2018년 일본 국내 생산량은 총 1067만 톤 중 폴리에틸렌이 23.1%, 폴리프로필렌이 22.1%, 폴리염화비닐이 15.8%를 차지했으며, 이들을 포함한 열가소성 수지가 전체의 88.8%, 열경화성 수지가 9.1%였다.
5. 2. 컴파운딩
플라스틱은 순수한 물질로 판매되지 않고, 다양한 화학 물질과 기타 재료가 혼합된 형태로 판매되는데, 이를 첨가제라고 부른다. 이러한 첨가제는 컴파운딩 단계에서 첨가되며, 최종 제품의 수명, 가공성, 외관을 개선하기 위한 안정제, 가소제, 염료 등의 물질이 포함된다. 경우에 따라, 고강도 폴리스티렌과 같이 서로 다른 유형의 플라스틱을 혼합하여 폴리머 블렌드를 형성하기도 한다. 대기업은 생산 전에 자체적으로 컴파운딩을 수행할 수 있지만, 일부 생산업체는 제3자(컴파운더라고 함)에게 컴파운딩을 의뢰하기도 한다.[31][32]
열가소성 수지의 플라스틱 컴파운딩 계획
열경화성 플라스틱의 컴파운딩은 비교적 간단하다. 열경화성 플라스틱은 최종 형태로 경화될 때까지 액체 상태를 유지하기 때문이다. 반면, 대부분의 제품을 만드는 데 사용되는 열가소성 재료의 경우, 첨가제를 혼합하기 위해 플라스틱을 150°C 사이의 온도로 가열하여 녹여야 한다. 용융된 플라스틱은 점성이 있고 층류를 나타내어 혼합이 잘 되지 않기 때문에, 컴파운딩은 적절하게 분산된 제품을 얻기 위해 필요한 열과 혼합을 제공할 수 있는 압출 장비를 사용하여 수행된다.
대부분의 첨가제 농도는 일반적으로 매우 낮지만, 마스터배치 제품을 만들기 위해 높은 수준으로 첨가할 수 있다. 이러한 첨가제는 농축되어 있지만 여전히 모체 수지에 적절하게 분산되어 있다. 마스터배치 과립은 저렴한 대량 폴리머와 혼합할 수 있으며, 가공 중에 첨가제를 방출하여 균질한 최종 제품을 제공한다. 이는 완전히 컴파운딩된 재료를 사용하는 것보다 저렴할 수 있으며, 특히 색상 도입에 일반적이다. 첨가제는 플라스틱의 성능이나 외관을 바꾸기 위해 플라스틱에 혼합되는 화학 물질로, 플라스틱의 특성을 변경하여 의도된 용도에 더 적합하게 만들 수 있다. 플라스틱은 고분자 사슬로 구성되며, 플라스틱 첨가제로는 많은 종류의 화학 물질이 사용된다. 무작위로 선택한 플라스틱 제품에는 일반적으로 약 20가지의 첨가제가 포함되어 있다.[2]
5. 3. 가공
완제품을 생산하는 회사는 가공업체(때로는 처리업체)로 알려져 있다. 전 세계적으로 생산되는 대부분의 플라스틱은 열가소성 플라스틱이며, 성형하기 위해서는 용융될 때까지 가열해야 한다. 다양한 종류의 압출 장비가 있으며, 이를 통해 플라스틱을 거의 모든 모양으로 성형할 수 있다.
열경화성 재료의 경우, 플라스틱은 처음에는 액체이지만 고체 제품을 얻으려면 경화해야 하므로 공정이 약간 다르지만, 장비의 대부분은 대체로 유사하다.
열가소성 수지(Thermoplastic resin영어)는 유리전이온도 또는 녹는점까지 가열하면 부드러워져 원하는 형태로 성형할 수 있는 수지이다. 선상 수지라고도 한다. 일반적으로 열가소성 수지는 절삭·연삭 등의 기계 가공이 어려운 경우가 많아, 가열하여 부드러워진 상태에서 금형에 압입하여 냉각·고화시켜 최종 제품으로 하는 사출 성형 가공 등이 널리 사용되고 있다. 성형법으로는 이 외에도 금형에서 압출하여 성형하는 압출 성형 등 다양한 성형법이 존재한다. 열경화성 수지보다 인성이 우수하고, 성형 온도는 높지만 단시간에 성형할 수 있으므로 생산성이 우수하다.
6. 플라스틱의 활용
플라스틱은 매우 다양한 용도로 사용된다. 가벼우면서도 충격에 강하고, 부식되지 않으며, 전기를 통하지 않게 할 수 있고, 무엇보다도 용도에 맞게 저렴한 비용으로 대량생산할 수 있다는 장점 덕분에, 이전에는 나무, 섬유, 유리, 도자기 등을 사용하던 많은 분야를 대체하고 있다.[26]
플라스틱의 가장 큰 용도는 포장재이다.[26] 비닐봉투, 각종 식품 포장 필름 등이 여기에 해당된다. 또한, 페트병이나 세제, 샴푸 용기 등도 플라스틱으로 만들어진다.
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건축 분야에서도 플라스틱은 파이프, 배수관, 문, 창문 등을 만드는 데 사용된다.[26]
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섬유 분야에서는 신축성 있는 직물이나 플리스 등을 만드는 데 플라스틱이 사용된다.[26]
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그 외에도 장난감, 식기류, 칫솔과 같은 소비재, 헤드라이트, 범퍼, 차체 패널, 사이드미러와 같은 운송 수단의 부품, 휴대전화, 컴퓨터, 텔레비전과 같은 전자제품, 그리고 각종 기계 부품에도 플라스틱이 사용된다.[26]
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발포 폴리스티렌 폼("써모콜")
압출 폴리스티렌 폼("스타이로폼")
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광학 분야에서는 비구면 렌즈를 만드는 데 플라스틱이 사용되기도 한다.[30]
2015년 산업 부문별 플라스틱 생산량을 살펴보면 다음과 같다.
분야
생산량 (백만 톤)
포장재
146
건설
65
기타 부문
59
섬유
47
소비재
42
운송
27
전자제품
18
산업 기계
3
플라스틱은 섬유강화플라스틱(FRP)이라는 복합재료의 형태로도 사용된다. 유리섬유강화플라스틱(GFRP)은 유리섬유를 사용하여 플라스틱 부품의 강도를 높인 것이고, 탄소섬유강화플라스틱(CFRP)은 탄소섬유를 사용하여 더욱 가볍고 강한 소재로 만든 것으로, 항공기 등에 사용된다.
또한, 건축자재로 사용되는 목재·플라스틱 복합재(WPC) 및 목재·플라스틱 재생 복합재(WPRC)는 나무와 플라스틱을 섞어 만든 것으로, 주로 데크나 펜스, 루버 등의 외부 구조재로 사용된다.
7. 플라스틱의 장점
플라스틱은 다른 재질에 비해 저렴하고 대량 생산이 용이하여, 대부분의 공산품에 쓰이고 있다. 금속이나 도자기에 비해 가볍고 강한 제품을 만들 수 있으며, 여러 가지 약품에 피해를 입지 않는 내식성이 있다. 투명하고 착색이 자유로워 밝고 아름다운 제품을 만들 수 있다.[7] 가공성이 좋고 복잡한 형상의 것도 능률적으로 대량 생산할 수 있다. 전기 절연성이 우수하여 전기냉장고, 텔레비전, 라디오 등의 부품에 사용되며, 플라스틱 발포제는 단열재로서 고성능을 갖고 있어 단열성이 우수하다. 또한, 플라스틱은 청결하여 미생물 오염으로부터 식품을 보호하고, 분해 시간이 길어 부패 속도가 느려 장기 보존이 용이하다.
8. 플라스틱의 단점
플라스틱은 다른 재질에 비해 쉽게 부패하거나 분해되지 않아, 버려진 플라스틱이 오랫동안 자연에 쌓이면서 생태계에 큰 피해를 준다. 버려진 플라스틱 대부분은 바다로 흘러가 태평양 거대 쓰레기 지대와 같이 바다에 쌓이고, 이를 해파리로 착각한 바다생물들이 먹고 소화 장애를 겪거나 죽음에 이른다.[7] 플라스틱은 점차 잘게 부서져 미세플라스틱이라 불리는 작은 조각이 되는데, 이는 바다생물 몸속에 쌓이고 결국 이를 먹는 사람 몸에도 쌓인다.[8]
플라스틱 처리 과정에서 환경호르몬이 검출된다. 소각하거나 매립할 때 환경호르몬이 생성되며, 이 환경호르몬은 인체에 영향을 미쳐 각종 이상 증상을 일으킨다.
자연 상태에서 플라스틱이 분해될 때, 조건에 따라 지역 생태계에 치명적인 화학 물질로 변환되거나 공기 중 이산화탄소(CO2)로 환원되기도 한다.
9. 첨가제
플라스틱은 순수한 형태로 판매되지 않고, 컴파운딩 단계를 거쳐 다양한 화학 물질(첨가제)과 혼합된다. 이러한 첨가제는 최종 제품의 수명, 가공성, 외관 등을 개선하기 위해 사용된다. 주요 첨가제로는 안정제, 가소제, 염료 등이 있다. 고강도 폴리스티렌과 같이 서로 다른 유형의 플라스틱을 혼합하여 폴리머 블렌드를 만들기도 한다.
열경화성 플라스틱의 컴파운딩은 비교적 간단하지만, 열가소성 플라스틱은 첨가제를 혼합하기 위해 플라스틱을 녹여야 한다. 이 과정은 150°C의 온도로 가열하여 이루어지며, 압출 장비를 사용하여 열과 혼합을 통해 분산시킨다.
첨가제는 플라스틱에서 용출되어 환경과 인체 건강에 영향을 미칠 수 있다.[36] 플라스틱이 미세플라스틱과 나노플라스틱으로 분해되면 화학 첨가제가 사용 지점에서 멀리 떨어진 환경으로 이동할 수 있다. 일부 첨가제와 그 유도체는 환경에 잔류하고 생물체에 농축되어 악영향을 미칠 수 있다. 미국 환경보호청(EPA)의 검토에 따르면, 플라스틱 포장 관련 화학 물질 3,377가지와 관련된 906가지 중 68가지는 "인체 건강 위험이 가장 높음"으로, 68가지는 "환경 위험이 가장 높음"으로 분류되었다.[2]
9. 1. 첨가제 유형
플라스틱 첨가제는 플라스틱의 성능이나 외관을 변화시키기 위해 혼합되는 화학 물질이다.[31][32] 이러한 첨가제는 플라스틱의 특성을 변경하여 원하는 용도에 더 적합하게 만들 수 있다.[31][32] 플라스틱은 고분자 사슬로 구성되며, 다양한 종류의 화학 물질이 첨가제로 사용된다. 무작위로 선택한 플라스틱 제품에는 일반적으로 약 20가지의 첨가제가 포함되어 있지만, 첨가제의 종류와 농도는 일반적으로 제품에 표시되지 않는다.[2]
EU에서는 400가지가 넘는 첨가제가 대량으로 사용되며,[34][2] 전 세계적으로는 5,500가지의 첨가제가 발견되었다.[35] 모든 플라스틱에는 고분자 분해 없이 용융 가공(성형)될 수 있도록 고분자 안정제가 포함되어 있다.
플라스틱에 포함된 첨가제의 양은 첨가제의 기능에 따라 다르다. 예를 들어, 폴리염화비닐(PVC)의 첨가제는 전체 부피의 최대 80%를 차지할 수 있다.[2]
순수 플라스틱은 물에 대한 용해도가 낮고 분자량이 크기 때문에 생화학적으로 불활성이며 독성이 낮다. 그러나 플라스틱 제품에는 다양한 첨가제가 포함되어 있으며, 그 중 일부는 독성을 가질 수 있다.[42] 예를 들어, 아디페이트 및 프탈레이트와 같은 가소제는 폴리염화비닐(PVC)와 같은 취성 플라스틱에 종종 첨가되어 식품 포장, 장난감 및 기타 여러 품목에 사용하기에 충분할 정도로 유연하게 만든다. 이러한 화합물의 미량은 제품에서 용출될 수 있다.
이러한 용출물의 영향에 대한 우려로 EU는 일부 용도에서 DEHP(디-2-에틸헥실 프탈레이트) 및 기타 프탈레이트의 사용을 제한했으며, 미국은 소비자 제품 안전 개선법을 통해 어린이 장난감과 아동용품에서 DEHP, DBP, BBP, DINP, DIDP 및 DnOP의 사용을 제한했다. 폴리스티렌 식품 용기에서 용출되는 일부 화합물은 호르몬 기능을 방해하고 인체 발암 물질(발암 물질)로 의심되고 있다.[43] 잠재적 우려가 되는 다른 화학 물질로는 알킬페놀이 있다.[38]
비스페놀 A(BPA)는 폴리카보네이트의 주요 구성 요소로, 식품으로 용출될 수 있는 에스트로겐 유사 내분비계 장애물질이다.[43] 환경보건 전망의 연구에 따르면 통조림 내피, 치아 실란트 및 폴리카보네이트 병에서 용출된 BPA는 실험 동물의 자손의 체중 증가를 유발할 수 있다.[45] 최근 동물 연구에 따르면 낮은 수준의 BPA 노출조차도 인슐린 저항성을 유발하여 염증과 심장병으로 이어질 수 있다.[46] 2010년 1월, ''로스앤젤레스 타임스''는 미국 식품의약국(FDA)이 BPA의 암과의 연관성을 조사하기 위해 3000만달러를 투자하고 있다고 보도했다.[47] PVC 기반 플라스틱 포장재에 존재하는 비스(2-에틸헥실)아디페이트도 우려되며, 새차 냄새에 존재하는 휘발성 유기 화합물도 마찬가지이다. EU는 장난감에 프탈레이트 사용을 영구적으로 금지하고 있다. 2009년 미국 정부는 플라스틱에 일반적으로 사용되는 특정 유형의 프탈레이트를 금지했다.[48]
완성된 플라스틱은 비독성일 수 있지만, 모폴리머 제조에 사용되는 단량체는 독성을 가질 수 있다. 경우에 따라 적절한 처리를 하지 않으면 소량의 화학 물질이 제품에 남아 있을 수 있다. 예를 들어, 세계보건기구의 국제암연구소(IARC)는 PVC의 전구체인 염화비닐을 인체 발암 물질로 인식하고 있다.[43]
마이크로플라스틱은 음료나 식품에 혼입되어 섭취를 통해 체내로 들어온다. 마이크로플라스틱은 생체 장벽을 돌파하여 혈액이나 태반으로부터[141] 폴리스티렌 나노플라스틱(PS-NP)은 혈액뇌관문(BBB)을 통과하여 인체에 영향을 미칠 우려가 있다.[142] 다만, 나노 크기 입자의 나노물질이 되면 생체 장벽이나 혈액뇌관문을 통과하는 이물질은 플라스틱 외에도 많이 존재한다는 점에 유의할 필요가 있다.[143][144]
11. 플라스틱의 환경 문제
플라스틱은 쉽게 부패하거나 분해되지 않아 자연에 장기간 축적되어 생태계에 큰 피해를 준다. 버려진 플라스틱은 대부분 바다로 흘러 들어가 태평양 거대 쓰레기 지대와 같은 형태로 쌓이고, 이를 해파리로 착각한 바다 생물들이 섭취하여 소화 장애를 겪거나 죽음에 이른다.[54]
대부분의 플라스틱은 화학 구조상 내구성이 강해 자연 분해 과정에 잘 견딘다. 호박과 같이 구조적으로 유사한 천연 물질의 지속성을 고려하면, 플라스틱은 수 세기 이상 환경에 남아 있을 수 있다. 1950년대 이후 10억 톤[49], 혹은 인류가 생산한 플라스틱 83억 톤 중 63억 톤이 폐기물로 버려졌으며, 재활용률은 9%에 불과하다는 추정치도 있다.[50] 2018년에는 3억 4300만 톤이 넘는 플라스틱 폐기물이 발생했으며, 이 중 90%는 소비 후 플라스틱 폐기물(산업, 농업, 상업, 도시 플라스틱 폐기물)이었다.[2]
오션 컨서번시는 중국, 인도네시아, 필리핀, 태국, 베트남이 다른 모든 국가를 합친 것보다 더 많은 플라스틱을 바다에 버린다고 보고했다.[51] 양쯔강, 인더스강, 황하, 하이허, 나일강, 갠지스강, 주강, 아무르강, 니제르강, 메콩강은 전 세계 플라스틱의 88~95%를 바다로 운반한다.[52][53]
플라스틱, 특히 미세 플라스틱은 식량 사슬에 축적되고 있다. 1960년대에 미세 플라스틱이 바닷새 내장에서 관찰된 이후 농도가 계속 증가하고 있다.[54] 플라스틱이 식량 사슬에 미치는 장기적인 영향은 불확실하지만, 해양 잔해의 50~80%가 플라스틱이라는 연구 결과도 있다.[54] 농업에서도 플라스틱이 자주 사용되며, 토양 속 플라스틱이 바다보다 더 많다. 환경 속 플라스틱은 생태계와 인간 건강에 해롭다.[55]
플라스틱 생산은 상당한 환경적, 건강적, 사회경제적 영향을 미친다.[56]몬트리올 의정서 이전에는 CFCs가 폴리스티렌 제조에 사용되어 오존층 파괴의 원인이 되기도 했다. 플라스틱 환경 영향을 최소화하기 위해 플라스틱 생산 및 사용량 감소, 폐기물 및 재활용 정책, 플라스틱 대체재 개발이 필요하다.
플라스틱 처리 과정에서도 환경 문제가 발생한다. 소각이나 매립 과정에서 환경호르몬이 생성되어 인체에 영향을 미쳐 이상 증상을 유발할 수 있다. 자연 분해 시에는 조건에 따라 치명적인 화학 물질로 변환되거나, 이산화탄소(CO2)가 배출되기도 한다.
플라스틱은 물에 잘 녹지 않고 분자량이 커서 독성이 낮지만, 다양한 첨가제가 포함되어 있으며 일부는 독성을 띨 수 있다.[42] 아디페이트 및 프탈레이트 같은 가소제는 PVC 등에 첨가되어 유연성을 높이며, 식품 포장, 장난감 등에 사용된다. 미량이라도 제품에서 용출될 수 있어, EU는 DEHP 등 일부 프탈레이트 사용을 제한했고, 미국은 소비자 제품 안전 개선법을 통해 어린이 장난감 등에서 DEHP, DBP, BBP, DINP, DIDP, DnOP 사용을 제한했다. 폴리스티렌 식품 용기에서 용출되는 일부 화합물은 호르몬 기능을 방해하고 발암 물질로 의심된다.[43] 알킬페놀도 잠재적 우려 물질이다.[38]
완성된 플라스틱은 비독성일 수 있지만, 제조에 사용되는 단량체는 독성을 가질 수 있다. 세계보건기구 국제암연구소(IARC)는 PVC 전구체인 염화비닐을 발암 물질로 인식한다.[43]
11. 1. 미세 플라스틱
미세 플라스틱은 크기가 5mm 이하인 작은 플라스틱 입자를 말한다. 플라스틱은 잘게 쪼개져 미세 플라스틱이 되는데, 이는 바다 생물의 몸속에 축적되고 결국 사람의 몸에도 쌓이게 된다.[101] 바다에 버려진 플라스틱은 해양 생태계에 심각한 피해를 입히는데, 바다 생물들이 미세 플라스틱을 먹이로 착각하고 섭취하면 소화 장애를 겪거나 죽음에 이르게 된다.
2014년경부터 국제 회의에서 해양 미세 플라스틱의 환경 영향이 논의되기 시작했다.[117] 미세 플라스틱은 자연계에 존재하는 유해 물질을 흡착하여 해수면이나 해저에 남아 생물 체내에 흡수된다.[101] 또한 대기 중에도 널리 퍼져 있으며,[118][119] 사람이 음식이나 호흡을 통해 섭취하는 미세 플라스틱의 양은 연간 최대 12만 1000개에 달한다. 이는 인체 조직 내부에 들어가 국지적인 면역 반응을 일으킬 수 있다는 연구 결과도 있다.[120][121]
미세 플라스틱은 음료나 식품에 섞여 섭취를 통해 인체로 들어온다. 이들은 생체 장벽을 넘어 혈액이나 태반으로 이동하고,[141] 폴리스티렌 나노플라스틱(PS-NP)은 혈액뇌관문을 통과하여 인체에 영향을 줄 수 있다.[142] 그러나 나노 크기 입자의 나노물질이 생체 장벽이나 혈액뇌관문을 통과하는 것은 플라스틱 외에도 많다는 점에 유의해야 한다.[143][144]
11. 2. 플라스틱 분해
플라스틱은 다양한 과정을 통해 분해되는데, 가장 중요한 과정은 일반적으로 광산화이다.[54] 플라스틱의 화학 구조는 분해 방식을 결정한다. 해양 환경의 염분과 해수의 냉각 효과로 인해 고분자의 해양 분해는 훨씬 더 오랜 시간이 걸리며, 특정 환경에서 플라스틱 폐기물이 지속적으로 존재하는 데 기여한다.[54] 그러나 최근 연구에 따르면 태양, 비 및 기타 환경 조건에 노출됨으로써 바다의 플라스틱이 이전에 생각했던 것보다 더 빠르게 분해되어 비스페놀 A와 같은 유독 화학 물질을 방출한다고 한다.[57] 해양 보존 단체는 여러 플라스틱 제품의 분해 속도를 예측했는데, 스티로폼 컵은 50년, 플라스틱 음료 용기는 400년, 일회용 기저귀는 450년, 낚싯줄은 600년이 걸릴 것으로 추정된다.[58]
플라스틱을 분해할 수 있는 미생물 종들이 알려져 있으며, 그 중 일부는 특정 종류의 플라스틱 폐기물 처리에 유용할 가능성이 있다.
1975년, 일본 과학자팀은 나일론 공장의 폐수가 포함된 연못을 연구하던 중 플라보박테리움의 한 균주를 발견했는데, 이 균주는 나일론 6 제조의 특정 부산물(예: 6-아미노헥사노에이트의 선형 이량체)을 분해한다.[59]
나일론 4(폴리부티로락탐)는 슬러지에서 발견되는 ''슈도모나스'' 종의 ND-10 및 ND-11 균주에 의해 분해될 수 있으며, 부산물로 GABA(γ-아미노부티르산)을 생성한다.[68]
여러 종류의 토양 곰팡이가 폴리우레탄을 소비할 수 있다.[60] 에콰도르 곰팡이 ''페스타로티옵시스''의 두 종을 포함한다. 이들은 호기성 및 혐기성 조건(예: 매립지 바닥) 모두에서 폴리우레탄을 소비할 수 있다.[61]
메탄 생성 미생물 군집은 스티렌을 탄소원으로 사용하여 분해한다.[62] ''슈도모나스 푸티다''는 스티렌 오일을 생분해성 폴리하이드록시알카노에이트로 전환할 수 있다.[63][64]
전분과 혼합된 토양 샘플에서 분리된 미생물 군집은 폴리프로필렌을 분해할 수 있는 것으로 나타났다.[65]
곰팡이 ''아스페르길루스 푸미가투스''는 가소화된 PVC를 효과적으로 분해한다.[66] ''파네로케이트 크리소스포리움''은 무기염 한천에서 PVC를 배양했다.[66] ''P. chrysosporium'', ''렌티누스 티그리누스'', ''A. 니거'', 및 ''A. 시도위이''도 PVC를 효과적으로 분해할 수 있다.[66]
베이클라이트로 널리 알려진 페놀-포름알데히드는 백색 부후균 ''P. chrysosporium''에 의해 분해된다.[67]
''아시네토박터''는 저분자량 폴리에틸렌 올리고머를 부분적으로 분해하는 것으로 밝혀졌다.[68] ''슈도모나스 플루오레센스''와 ''스핑고모나스''를 함께 사용하면 3개월 이내에 비닐봉투 무게의 40% 이상을 분해할 수 있다.[69] 호열성 박테리아 ''브레비바실루스 보르스텔렌시스''(균주 707)는 토양 샘플에서 분리되었으며, 50 °C에서 배양할 경우 저밀도 폴리에틸렌을 유일한 탄소원으로 사용할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 자외선에 사전 노출시킨 플라스틱은 화학 결합이 끊어지고 생분해가 촉진되었으며, 자외선 노출 시간이 길수록 분해가 더욱 촉진되었다.[70]
우주 정거장에서는 고무를 소화 가능한 형태로 분해하는 유해 곰팡이가 발견되었다.[71]
박물관과 고고학 유적지에서 합성 고분자 유물에서 자라는 여러 종류의 효모, 박테리아, 조류 및 지의류가 발견되었다.[72]
사르가소해의 플라스틱으로 오염된 해역에서 다양한 종류의 플라스틱을 소비하는 박테리아가 발견되었지만, 이 박테리아가 해양 미생물 생태계에 독소를 단순히 방출하는 것이 아니라 얼마나 효과적으로 제거하는지는 알 수 없다.
플라스틱을 먹는 미생물은 매립지에서도 발견되었다.[73]
''노카르디아''는 에스터라제 효소를 이용하여 PET를 분해할 수 있다.[74]
벨리즈에서 발견된 곰팡이 ''지오트리쿰 캔디덤''은 CD에 있는 폴리카보네이트 플라스틱을 소비하는 것으로 밝혀졌다.[75][76]
퓨처로 주택은 섬유유리 강화 폴리에스터, 폴리에스터-폴리우레탄 및 PMMA로 만들어진다. 이러한 주택 중 하나는 ''시아노박테리아''와 ''고균''에 의해 유해하게 분해되는 것으로 나타났다.[77][78]
일반적으로 합성수지는 “썩지 않는다”는 점, 즉 미생물에 의한 생분해를 받지 않는다는 점을 장점으로 한다. 그러나 일부 합성 고분자는 생분해를 받는다는 것이 알려져 있다. 세균이나 진균에 의한 합성수지의 분해는 여러 효소에 의해 이루어진다.
합성수지의 생분해는 1950년대~1960년대 무렵부터 주목받기 시작했다. n-파라핀, 분자량이 비교적 작은 폴리올레핀, 폴리비닐알코올, 지방족 폴리에스터, 폴리에틸렌글리콜, ε-카프로락탐 등의 합성 고분자류의 미생물 분해성이 연구되었다. 한편, 방향족 폴리에스터의 하나인 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 등 플라스틱으로서 유용하고 대량 생산되는 합성 고분자의 생분해에 관해서는 부정적인 결과가 많은 편이었다.
최근에는 기존에 생분해가 어렵다고 여겨졌던 합성수지를 분해하는 미생물이나, 동물이 합성수지를 섭취하고 대사하는 사례가 보고되는 등 합성수지의 생분해에 관한 새로운 지식이 축적되고 있다. 이는 플라스틱 폐기물 문제 해결에 중요한 실마리를 제공할 수 있다.
; 폴리에틸렌
: 폴리에틸렌(PE)의 생분해는 1970년대부터 연구되었지만, 미생물에 의한 생분해는 주로 저분자량 성분에 한정되며, 분자량이 2000을 초과하는 고분자량 PE는 환경에서 생분해되기 어렵다고 알려져 왔다. 높은 분자량이 생분해를 저해하는 주요 원인이므로, PE 생분해를 위해서는 열, 자외선, 산화제 등을 사용한 기계적·화학적 전처리가 필요하다고 여겨졌다. 그러나 최근에는 전처리되지 않은 장쇄 PE를 분해할 가능성이 있는 세균이나 진균이 환경에서 다수 발견되고 있다. 예를 들어, 일본에서는 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)를 분해하는 박테리아가 보고되었다.
: 또한, 여러 종의 곤충 유충이 LDPE를 섭취하고, 장내 세균을 통해 대사할 수 있다는 보고는 주목할 만한 생분해 사례이다. LDPE를 섭취하는 것으로 보고된 곤충은 나비목의 큰흰쥐꼬리나방([Achroia grisellala ''Achroia grisellala'']), 꿀벌나방([Galleria mellonellala ''Galleria mellonellala'']), 도둑나방([Plodia interpunctellala ''Plodia interpunctellala''])과 딱정벌레목거저리과의 [Zophobasla ''Zophobasla''](슈퍼 웜)이다. 꿀벌나방 유충 실험에서는 유충이 LDPE를 섭취하여 글리콜을 주성분으로 하는 액상 분을 배설하고, 유충 장내 세균총에서 분리 배양된 [Acinetobacterla ''Acinetobacterla''] 속 세균이 PE를 유일 영양원으로 1년 이상 생존 가능하다는 것이 확인되었다. ''in vivo''(유충)와 ''in vitro''(세균)의 PE 분해 속도를 비교하면 전자가 후자보다 빠르므로, 유충과 세균의 상호작용이 LDPE 생분해를 촉진할 가능성이 제시된다. 2022년 10월, 네이처 커뮤니케이션즈에는 꿀벌나방 유충 타액 속 효소가 폴리에틸렌을 분해할 수 있다는 발표가 있었다.
: PE 분해 효소로는 [Phanerochaete chrysosporiumla ''Phanerochaete chrysosporiumla''] 유래 망간 퍼옥시다아제, 콩 유래 퍼옥시다아제, [Rhodococcusla ''Rhodococcusla''] C208주가 세포 외부에 분비하는 라카아제 등이 알려져 있다.
; 폴리스티렌
: [Xanthomonasla ''Xanthomonasla''] 속이나 [Pseudomonasla ''Pseudomonasla''] 속 등에 속하는 세균이 폴리스티렌(PS)을 생분해하지만, 일반적으로 세균이나 진균에 의한 PS 분해 속도는 매우 느리다. 한편, 유충기에 PS를 섭취할 수 있는 곤충이 여러 종 알려져 PS 생분해 연구에서 주목받고 있다. PS를 섭취하는 것으로 보고된 곤충은 갈색거저리([Tenebrio molitorla ''Tenebrio molitorla''], 밀웜), 애밀웜([Tenebrio obscurusla ''Tenebrio obscurusla'']), [Zophobasla ''Zophobasla''](슈퍼 웜), 쌀바구미([Tribolium castaneumla ''Tribolium castaneumla''])(이상 딱정벌레목 거저리과) 및 나비목 꿀벌나방이다. 밀웜, 슈퍼 웜, 꿀벌나방 유충 실험에서는 세 종 모두 PS폼을 유일한 먹이로 30일간 사육 가능하며, 장내 세균을 매개로 한 생분해 증거도 얻었지만, 통상 먹이로 사육한 대조군에 비해 생존율과 체중이 유의적으로 감소하여 PS만으로는 유충 발육에 필요한 에너지를 충족할 수 없을 가능성이 지적된다. 또한, 유충 장내 세균총에서 PS 생분해에 관여할 가능성이 있는 미생물이 다수 분리되었다.
: PS 생분해 관련 효소로는 [Azotobacterla ''Azotobacterla''] HM121주가 분비하는 히드로퀴논 퍼옥시다아제가 알려져 있다.
; 폴리프로필렌
: 폴리프로필렌(PP) 생분해 가능성이 있는 세균이나 진균이 여러 환경에서 발견되지만, 이들은 가소제나 저분자량 성분 분해에만 기여하고 고분자량 장쇄 PP 해중합은 수행하지 않을 가능성이 있어 평가가 어렵다. 분해 효소도 알려져 있지 않지만, PE처럼 기계적·화학적 전처리를 통해 생분해가 촉진될 수 있다.
; 폴리염화비닐
: 폴리염화비닐(PVC)은 이용 시 가소제가 첨가되는 경우가 많은 합성수지이다. 가소제는 탄소원으로서 많은 세균이나 진균에 의해 이용(생분해)되며, 가소화된 PVC 이용 제품(예: 욕조 뚜껑, 농업용 시트)은 여러 미생물에 의해 손상될 수 있다. 그러나 가소제와 PVC를 모두 분해할 수 있는 미생물이나 효소는 알려져 있지 않아 생분해 후 잔류물 문제가 크다.
; 폴리우레탄
: 폴리우레탄(PUR)은 합성에 사용되는 폴리올 종류에 따라 폴리에스터 PUR과 폴리에테르 PUR로 나뉜다. 폴리에스터 PUR 생분해 연구는 널리 진행되어 (슈도모나스 푸티다) 등 많은 세균·진균에 의해 생분해된다고 보고된다. 반면 폴리에테르 PUR은 생분해 가능성이 있는 세균·진균이 일부 보고되지만, 폴리에스터 PUR에 비해 미생물에 의한 생분해가 어렵다고 알려져 있다. 분해 효소도 마찬가지로, 폴리에스터 PUR의 경우 에스터 결합을 가수분해하는 여러 리파아제나 에스테라아제가 다양한 미생물에서 발견되지만, 폴리에테르 PUR 분해 효소는 알려져 있지 않다.
; 폴리에틸렌 테레프탈레이트
: 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)의 생분해성은 결정화도에 따라 다르다. 결정화도가 낮은 lcPET(low-crystallinity PET)와 결정화도가 높은 hcPET(high-crystallinity PET)로 나눌 때, 생분해되는 것은 대부분 lcPET이며, hcPET는 거의 생분해되지 않는다. 열성형되는 PET병 등 PET 제품은 결정화도가 높아 대부분 생분해에 적합하지 않다. lcPET 생분해와 관련하여 (이데오넬라 사카이엔시스)와 이 종에서 분리 동정된 PET 분해 효소 PETase가 잘 알려져 있지만, PETase는 열 불안정성이며 분해 속도도 매우 느려 PET 가수분해 효소로서의 요건을 충족하지 못한다는 지적이 있다. 반면, 등에서 얻어진 쿠티나아제류는 열 안정성이면서 높은 PET 분해성을 나타내어 PET 가수분해 효소로 유망하다.
11. 3. 재활용
플라스틱은 종이처럼 재활용을 거듭할 때마다 품질이 나빠지는 특성이 있다. 그러나 미국 콜로라도 주립대학의 jianbo zhu 박사는 분자의 종류가 동일하여 여러 번 재활용해도 본래의 성질이 유지되는 플라스틱을 개발하는 데 성공했다. 이러한 기술은 페트병과 같이 플라스틱이 많이 쓰이는 분야에 적용될 예정이다.[149]
재활용이 원활하게 이루어질 경우 수거된 플라스틱은 분류 작업을 거쳐 펠렛 형태로 재가공된다. 하지만 모든 플라스틱이 재활용 가능한 것은 아니며, 경제적인 이유 등으로 인해 재활용률이 높지 않은 상황이다.
플라스틱 첨가제는 플라스틱의 특성을 변화시키기 때문에 재활용 과정에서 문제가 될 수 있다. 재활용 과정에서 첨가제를 제거하기 어렵기 때문에, 재활용 제품에 위험을 초래할 수 있다. 폐플라스틱은 같은 종류라도 다양한 첨가제를 포함하고 있어, 이를 섞으면 특성이 불일치하는 재료가 생성될 수 있다. 예를 들어, 플라스틱 착색제와 함께 섞으면 변색되거나 갈색의 재료가 생성될 수 있다. 이러한 이유로 플라스틱은 재활용 전에 폴리머 유형과 색상별로 분류된다.[2]
가치 사슬 전반에 걸친 투명성과 보고의 부재는 최종 제품의 화학적 특성에 대한 지식 부족으로 이어지기도 한다. 예를 들어, 브롬계 난연제를 함유한 제품이 새로운 플라스틱 제품에 통합될 수 있는데, 이는 식품 포장이나 아동용 제품에는 포함되어서는 안 되는 물질이다.
플라스틱 재활용에는 폐플라스틱을 용융하여 그대로 플라스틱으로 재생하는 물질 재활용(Material Recycling), 분해하여 원료로 되돌린 후 가공하는 화학적 재활용(Chemical Recycling), 그리고 플라스틱을 연료화하여 열에너지를 회수하는 열 재활용(Thermal Recycling)의 세 가지 방법이 있다.[111] 플라스틱을 다시 석유로 되돌리는 유화(油化)도 재활용의 한 방법이다.
주요 10개국 플라스틱 폐기물 누적 수출량 (1988년~2016년)
2019년 바젤협약 개정안이 발효됨에 따라 2021년 이후로는 오염된 플라스틱 폐기물을 수출할 때 상대국의 동의가 필요하게 되었다.[108]일본의 경우, 2017년에 배출된 플라스틱 903만 톤 중 재활용된 것은 251만 톤이었고, 그중 149만 톤이 해외로 수출되어 처리되었다.[109] 그러나 주요 수출국이었던 중국이 2017년 말에 폐플라스틱 수입 금지 조치를 내렸고, 다른 국가들도 잇따라 수입 규제를 도입하면서 폐플라스틱의 국내 처리 문제가 심각해졌다.[110] 2021년 시점에서 일본의 플라스틱 재활용률은 87%였고, 그중 소각하여 에너지로 이용하는 열병합 재활용이 62%, 소재 재활용과 화학적 재활용이 25%였다.[111]
11. 3. 1. 열분해
산소가 없는 상태에서 플라스틱을 500°C 이상으로 가열하면 더 간단한 탄화수소로 분해할 수 있다. 이 탄화수소는 새로운 플라스틱의 원료나 연료로 재활용될 수 있다.[79][80]
11. 4. 온실가스 배출
플라스틱은 생산과 폐기 과정에서 온실가스를 배출하여 지구 온난화에 영향을 미친다. 2019년에는 플라스틱으로 인해 대기 중으로 18억 톤의 이산화탄소(carbon dioxide영어)에 해당하는 온실가스가 배출되었는데, 이는 전 세계 배출량의 3.4%에 해당한다.[81] 2060년에는 플라스틱이 연간 43억 톤의 온실가스를 배출할 수 있다는 예측도 있다.
플라스틱 생산은 석유화학 제품을 원료로 하는 경우가 많아, 화석 연료 생산 시 발생하는 메탄 누출을 증가시킨다. 또한 플라스틱 생산에 사용되는 에너지의 상당 부분은 지속 가능한 에너지가 아닌, 화석 연료 연소 등을 통해 얻어진다.
하지만 2024년 연구에 따르면, 유리와 알루미늄과 비교했을 때 플라스틱이 환경에 미치는 부정적인 영향이 적을 수 있으며, 따라서 대부분의 식품 포장 및 기타 용도에 가장 적합한 옵션일 수도 있다고 한다. 이 연구는 "대부분의 경우 플라스틱을 대체재로 대체하는 것이 온실가스 배출에 더 악영향을 미친다"는 것을 발견했으며, "16가지 용도 중 15가지에서 플라스틱 제품이 대체재보다 온실가스 배출량이 적다"는 것을 발견했다.[83]
플라스틱 생산에는 많은 에너지가 필요하다. 원유로부터 플라스틱을 생산하는 데는 (미국 발전소의 평균 효율 35%를 고려하여) 7.9kWh/lb~13.7kWh/lb의 에너지가 필요하다.[84] 이는 다른 재료를 생산하는 데 필요한 에너지보다 높은 수치이다. 예를 들어, 철은 2.5kWh/lb~3.2kWh/lb, 유리는 2.3kWh/lb~4.4kWh/lb, 강철은 2.5kWh/lb~6.4kWh/lb, 종이는 3.2kWh/lb~6.4kWh/lb의 에너지가 필요하다.[85]
2019년, Center for International Environmental Law는 플라스틱이 생산에서 폐기까지의 과정에서 대기 중에 배출하는 온실가스의 양이 2019년 8억 5000만 톤에 달할 것이라고 예측했다.[124]
11. 5. 플라스틱 소각
플라스틱 소각은 유해 물질을 배출할 수 있어 주의가 필요하다. 무분별하게 플라스틱을 소각하면 발암물질인 폴리염화디벤조-p-다이옥신이 생성될 수 있다.[86] 이는 노천에서 플라스틱을 소각할 때 낮은 온도에서 연소가 발생하여 유독한 연기를 배출하기 때문이다.
도시 고형 폐기물 소각의 경우, 소각로에서 발생하는 배가스를 처리하여 오염 물질을 줄인다.[86]유럽 연합에서는 도시 폐기물 소각을 산업 배출 지침에 따라 규제하며,[87] 최소 850°C의 온도를 2초 이상 유지하도록 규정하고 있다.[88]
매우 높은 온도에서 플라스틱을 빠르게 연소시키면 다이옥신과 퓨란 같은 많은 유독 성분이 분해된다.
11. 6. 자연 분해 촉진
일반적으로 합성수지는 미생물에 의해 분해되지 않는 것이 장점이었지만, 일부 합성 고분자는 생분해되는 것으로 알려져 있다. 세균이나 진균에 의한 합성수지 분해는 여러 효소에 의해 이루어진다.[104] 최근에는 플라스틱 폐기물 문제 해결을 위해, 기존에 생분해가 어렵다고 여겨졌던 합성수지를 분해하는 미생물이나, 동물이 합성수지를 섭취하고 대사하는 사례가 보고되면서 합성수지의 생분해에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.[104]
폴리에틸렌 (PE): 1970년대부터 연구가 시작되었으며, 주로 저분자량 PE가 미생물에 의해 분해된다. 고분자량 PE는 분해가 어렵지만, 최근에는 전처리 없이 장쇄 PE를 분해할 수 있는 세균이나 진균이 발견되고 있다. 예를 들어, 일본에서는 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)을 분해하는 Bacillus 속 세균이 보고되었다. 또한, 꿀벌나방, 큰흰쥐꼬리나방 등의 곤충 유충이 LDPE를 섭취하고 장내 세균을 통해 대사하는 사례도 보고되고 있다. 2022년에는 꿀벌나방 유충의 타액에 포함된 효소가 폴리에틸렌을 분해할 수 있다는 연구 결과가 발표되었다.
폴리스티렌 (PS): Xanthomonas 속이나 Pseudomonas 속 등에 속하는 세균이 PS를 생분해하지만, 분해 속도는 매우 느리다. 갈색거저리, 쌀바구미 등 곤충 유충이 PS를 섭취하는 사례가 보고되고 있으며, 이들의 장내 세균이 PS 생분해에 관여할 가능성이 있다.
폴리프로필렌 (PP): PP를 분해하는 세균이나 진균이 발견되고 있지만, 고분자량 PP의 분해는 어려운 것으로 알려져 있다.
폴리염화비닐 (PVC): 가소제가 첨가된 PVC는 미생물에 의해 손상될 수 있지만, 가소제와 PVC를 모두 분해하는 미생물이나 효소는 알려져 있지 않다.
폴리우레탄 (PUR): 폴리에스터 PUR은 많은 세균 및 진균에 의해 생분해되는 반면, 폴리에테르 PUR은 생분해가 어려운 편이다.
폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET): 결정화도가 낮은 lcPET는 생분해되지만, 결정화도가 높은 hcPET (예: 페트병)는 생분해가 어렵다. 이데오넬라 사카이엔시스(Ideonella sakaiensis)에서 분리된 PET 분해 효소 PETase가 알려져 있지만, 열 안정성이 낮고 분해 속도가 느리다.
12. 플라스틱 관련 정책
유엔 회원국들은 2022년 3월 2일 제5차 유엔환경총회(UNEA-5.2)에서 플라스틱 오염에 관한 법적 구속력 있는 국제 협약을 추진하기로 결정했다.[97] 이에 따라 정부간 협상 위원회(INC)가 설립되었으며, 2024년 말까지 법적 구속력 있는 전 세계 협정 초안을 완성하는 것을 목표로 하고 있다.[98]
대한민국은 2012년 기준 플라스틱 생산량이 세계 4위(1335만 톤)를 기록할 정도로 플라스틱 소비가 많은 국가 중 하나이다.[105] 그러나 플라스틱으로 인한 환경오염 문제가 심각해짐에 따라 대한민국 정부는 플라스틱 문제 해결을 위한 정책을 추진하고 있다.
더불어민주당은 플라스틱 문제 해결을 위한 정책 마련에 적극적으로 참여하고 있다. 일회용 플라스틱 사용 규제, 플라스틱 대체재 개발 지원, 재활용 산업 육성 등의 정책을 추진하며 플라스틱 재활용률을 높이고 플라스틱 폐기물 발생량을 줄이기 위해 노력하고 있다.
13. 플라스틱 대체재
플라스틱 대체재로는 바이오 플라스틱, 종이, 유리, 금속 등이 있다. 각 대체재는 장단점을 가지고 있으며, 용도에 맞는 대체재를 선택하는 것이 중요하다. 플라스틱 대체재 개발과 함께 플라스틱 사용량 감소, 재활용률 향상 등 종합적인 노력이 필요하다.
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行き場を失う日本の廃プラスチック {{!}} どうする？世界のプラスチック - 特集 - 地域・分析レポート - 海外ビジネス情報
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日本のプラリサイクル率の闇 真の再生へ不可欠な技術革新
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1カ月｢脱プラスチック生活｣やってみた。日本は1人のプラゴミの排出量、世界ワースト2位
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