기계적 재활용인가, 화학적 재활용인가? 그것이 올바른 질문이 아닙니다.

업계에는 단일 승자 기술이 필요한 것이 아닙니다. 각 폐기물 스트림에 적합한 올바른 공정과 실제로 얼마나 많은 소재가 순환으로 복귀하는지에 대한 정직한 평가가 필요합니다.

플라스틱 재활용에 대한 논의는 종종 두 기술 간의 경쟁으로 제시됩니다.

한편으로는 기계적 재활용이 더 적은 에너지를 사용하고 이미 내재된 가치를 보존하기 때문에 유일하게 합리적인 선택으로 설명됩니다. 반면, 화학적 재활용은 혼합, 다층 및 오염된 플라스틱 폐기물 문제를 마침내 해결할 기술로 제시됩니다.

두 주장 모두 일정 부분 진실을 담고 있습니다. 그러나 모든 고분자와 모든 폐기물 스트림에 적용될 때는 오해의 소지가 있습니다.

PET, PE, PP, PA, PVC, PS, PUR, PMMA, 복합재 및 라미네이트에 모두 똑같이 적합한 단일 기술은 존재하지 않습니다. 또한 “플라스틱 폐기물”이라는 일반적인 소재도 존재하지 않습니다.

조성, 사용 이력, 열화 수준, 첨가제 함량, 수분, 오염 및 이물질이 정의된 폐기물 스트림이 존재합니다. 이러한 변수들이 검토된 후에야 책임감 있게 재활용 경로를 선택할 수 있습니다.

먼저, 용어가 명확해야 합니다.

기계적 재활용은 고분자를 의도적으로 단량체로 분해하지 않습니다. 소재는 선별, 분쇄, 세척, 분리, 건조, 여과, 탈기, 용융, 균질화 및 펠릿화되거나, 직접 새로운 제품으로 가공됩니다.

이는 고분자 구조가 완전히 변하지 않는다는 것을 의미하지는 않습니다.

사용, 세척, 건조 및 재가공 과정에서 소재는 열, 산소, 수분 및 전단력에 노출됩니다. 다음과 같은 현상이 발생할 수 있습니다:

• 고분자 사슬 절단,
• 산화,
• 가지 형성,
• 가교결합,
• 가수분해,
• 분자량 분포의 변화,
• 안정제의 소모,
• 휘발성 열화 생성물의 형성.

PP에서는 사슬 절단으로 인해 용융 유동 속도가 자주 증가합니다. PE에서는 산화로 인해 사슬 열화뿐만 아니라 가지 형성 또는 젤 형성이 발생할 수 있습니다. PET는 용융 가공 중 수분에 특히 민감한데, 가수분해로 인해 분자량과 고유 점도가 감소하기 때문입니다.

이러한 이유로, 소재에 “100% 재생원료 함유”라는 문구가 있다고 해서 가공 안정성, 배치 간 일관성 또는 특정 용도에 적합한지에 대해 아무런 정보를 제공하지 않습니다.

기계적 재활용이 가장 큰 이점을 가지는 곳은 어디입니까?

기계적 재활용은 조성이 제어될 수 있는 비교적 깨끗하고 균질한 열가소성 플라스틱 스트림에서 가장 우수한 성능을 보입니다.

예시로는 다음과 같습니다:

• 분리수거 시스템에서 수거된 PET 병,
• 통제된 순환 시스템에서 순환되는 상자, 팔레트 및 운송 용기
• 동질적인 산업 스트림에서 나온 PE 필름,
• 전용 시스템을 통해 수거된 PVC 파이프 및 프로파일,
• 조성이 명확히 알려진 산업 부산물,
• 효과적인 분류 후 선별된 HDPE 및 PP 스트림.

이러한 경우, 고분자 내에 이미 형성된 대부분의 가치가 보존될 수 있습니다. 소재를 더 작은 분자로 분해하고, 반응 생성물을 정제하고, 다시 중합할 필요가 없습니다.

잘 설계된 기계적 공정에는 광학 분류, 금속 분리, 밀도 분리, 세척, 건조, 용융 여과, 탈기, 안정화, 상용화 및 배치의 제어 혼합이 포함될 수 있습니다.

따라서 단순히 “폐기물을 다시 녹이는 것”만으로 해결되는 문제가 아닙니다.

현대의 기계적 재활용은 고분자, 첨가제, 유변학, 열화 및 재생원료의 최종 용도에 대한 이해에 기반한 재료공학적 공정입니다.

그 한계는 어디서부터 시작되는가?

기계적 재활용의 주요 한계는 한 문장으로 요약할 수 있습니다:

재생원료의 품질은 원료의 품질과 사용 가능한 정제 방법이 허용하는 범위를 초과할 수 없습니다.

주요 고분자 유형별로 분류한다고 해서 아직 균질한 소재가 만들어지는 것은 아닙니다. PP로 표시된 두 개의 포장재는 서로 다른 공중합체, 충전제, 안정제, 안료 및 코팅제를 포함할 수 있으며, 노화 이력도 매우 다를 수 있습니다.

대부분의 고분자는 분자 수준에서 상호 혼합되지 않습니다. 겉보기에 유사한 PE와 PP 혼합물조차도 불안정한 상 구조를 형성하고, 충격 강도, 인장 성능 및 신율이 저하될 수 있습니다.

상용화제는 상(phase) 간의 접착력을 향상시킬 수 있지만, 조성 관리(compositional control)를 대체할 수는 없습니다. 한 배합에서 효과적인 조성이 다른 배합에서는 효과가 없을 수 있습니다.

용융 필터만으로도 문제를 해결할 수 없습니다. 필터는 종이, 알루미늄, 목재, 모래 및 기타 고형 입자를 걸러낼 수 있습니다. 그러나 두 번째 용융 중합체, 용해된 첨가제, 안료, 이행된 물질 또는 냄새의 원인이 되는 모든 화합물을 제거할 수는 없습니다.

특히 처리하기 어려운 스트림에는 다음이 포함됩니다:

• 다층 포장재,
• 강하게 착색된 플라스틱,
• 식품 잔류물로 오염된 폐기물,
• 토양, 수분 및 유기물이 포함된 농업용 필름,
• 난연제가 포함된 플라스틱,
• 폐전기전자기기 플라스틱
• 복합재 및 가교 플라스틱,
• 사용 이력이 불분명한 소재,
• 식품 접촉 용도의 재사용을 제한하는 물질이 포함된 폐기물.

이는 기계적 재활용이 반드시 다운사이클링으로 이어진다는 것을 의미하지 않습니다. 다운사이클링은 종종 부적절한 분리, 통제되지 않은 혼합 또는 재생원료가 요구 조건을 충족하지 못하는 용도에 사용될 때 발생합니다.

플라스틱이 “더 이상 재활용될 수 없는” 보편적인 사이클 횟수도 존재하지 않습니다. 그 답은 폴리머, 이전 용도, 안정화, 수분, 온도, 용융 가공 시스템 내 체류 시간, 전단 강도 및 다음 제품에서 요구되는 특성에 따라 달라집니다.

화학적 재활용은 하나의 기술이 아닙니다

화학적 재활용이라는 용어는 근본적으로 다른 메커니즘을 가진 공정을 포괄합니다.

용해분해

용해분해는 폴리머와 적합한 화학 매질 간의 반응을 이용합니다. 여기에는 글리콜분해, 메탄올분해, 가수분해 또는 아미노분해가 포함될 수 있습니다.

이는 선택적으로 절단될 수 있는 결합을 포함하는 폴리머, 예를 들어 PET, PA, PC 및 특정 폴리우레탄에 가장 적합합니다.

잠재적 이점 중 하나는 고순도 단량체 또는 올리고머의 회수입니다. 이는 모든 원료가 허용될 수 있다는 의미는 아닙니다. 용해분해는 일반적으로 잘 특성화된 투입물이 필요하며, 첨가제, 금속, 착색제 및 기타 폴리머는 반응, 제품 정제, 용매 또는 촉매 회수를 복잡하게 만들 수 있습니다.

열분해

열분해는 산소가 제한된 조건에서 고온으로 폴리머를 분해합니다. 이 과정에서 오일, 가스, 왁스, 고체 분획 및 기타 제품의 혼합물이 생성됩니다.

이는 기계적 방법으로 효과적으로 재활용할 수 없는 PE 및 PP 혼합물에 특히 고려됩니다.

그럼에도 불구하고 열분해가 “모든 플라스틱을 다시 오일로 만든다”고 말하는 것은 잘못된 것입니다.

PE와 PP는 주로 무작위 사슬 절단을 겪어 복잡한 탄화수소 혼합물을 생성합니다. PS와 PMMA와 같은 폴리머는 더 선택적으로 탈중합되어 스티렌 또는 메틸 메타크릴레이트의 비율이 더 높게 나타날 수 있습니다.

PVC, PET, PA 및 폴리우레탄은 염소, 산소, 질소 및 기타 헤테로원소를 도입합니다. 이는 부식, 코크 형성, 오일 오염, 장비 오염 및 촉매 비활성화에 기여할 수 있습니다.

스팀 크래커용 열분해유는 종종 정제, 탈염소, 수소처리 및 금속 제거가 필요합니다. 또한 석유화학 나프타를 직접 대체할 수 없기 때문에 훨씬 더 많은 양의 화석 원료와 혼합해야 할 수도 있습니다.

따라서 열분해 역시 선별, 원료 준비 및 정의된 투입 사양이 필요합니다.

가스화

가스화는 재료를 훨씬 더 분해하여 주로 일산화탄소와 수소로 구성된 합성가스를 생성합니다.

이 기술은 선택적 탈중합보다 더 다양한 투입물을 허용할 수 있지만, 매우 높은 온도, 대규모 설비 및 고도 가스 정화가 필요합니다.

합성가스가 연소될 경우, 이는 폐쇄된 물질 순환이 아니라 에너지 회수에 해당합니다. 합성가스를 새로운 화학물질과 폴리머로 전환해야만 물질 재활용의 일부가 될 수 있습니다.

용제 기반 용해

용해 공정은 마케팅 목적으로 때때로 화학적 재활용에 포함되지만, 용매 기반 물리적 재활용으로 구분하는 것이 더 정확합니다.

폴리머는 용해되어 일부 첨가제 및 기타 성분과 분리된 후 침전됩니다. 이 과정에서 반드시 화학 구조가 분해될 필요는 없습니다.

이 방법은 특정 라미네이트 및 오염된 폴리머에 유용할 수 있으나, 효율적인 용매 회수, 배출 제어 및 엄격한 에너지 수지가 필요합니다.

중심 질문: 실제 재활용 제품은 무엇인가?

화학적 재활용에서는 세 가지 매우 다른 값이 쉽게 혼동될 수 있습니다.

• 전환 직후의 액체 또는 가스 수율,
• 석유화학 설비에 공급된 제품의 양,
• 최종적으로 새로운 폴리머 제조에 사용된 물질의 양.

이 수치들은 상호 대체될 수 없습니다.

1톤의 폐기물에서 오일, 가스, 왁스, 고체 및 잔류물이 생산된다면, 전체 산출물을 플라스틱 생산을 위한 새로운 원료로 간주할 수 없습니다. 일부 가스는 공정 가열에 사용될 수 있고, 일부 오일은 연료 풀로 들어갈 수 있으며, 일부 탄소는 잔류물, 코크 또는 부산물에 남게 됩니다.

순환경제 관점에서 결정적인 가치는 단순히 중간생산물의 수율이 아니라, 최종적으로 새로운 소재의 일부가 되는 폐기물 유래 탄소의 비율입니다.

EU 폐기물 기본지침은 에너지 회수 및 연료로의 재처리를 재활용의 정의에서 명시적으로 제외합니다. 이 구분은 근본적입니다.

매스 밸런스 회계는 필수적이지만, 물질수지를 대체할 수는 없습니다.

대형 석유화학 설비에서는 화학적으로 재활용된 원료가 일반적으로 화석 원료와 혼합됩니다. 이로 인해 완제품 포장 내 개별 분자가 폐기물에서 유래했는지 식별하는 것은 불가능합니다.

따라서 매스 밸런스 회계는 재활용 원료에 생산의 일정 비율을 할당하는 통제된 방법으로 사용됩니다.

2026년 6월, 유럽연합 집행위원회는 일회용 음료병의 재활용 플라스틱 함량 산정에 관한 결정 2026/1425를 채택하였습니다. 이 규정은 추가적인 재활용 방법에 대해 매스 밸런스 회계를 허용하지만, 중요한 안전장치를 도입합니다:

• 연료 및 손실에는 할당 계수가 0이 적용됩니다.
• 기술적으로 실현 가능한 화학적 경로가 존재하는 경우에만 물질을 할당할 수 있습니다.
• 회계는 개별 시설 단위로 수행됩니다.
• 회계 기간은 3개월을 초과할 수 없습니다.
• 음의 물질수지는 허용되지 않습니다.
• 데이터 및 회계 시스템은 검증의 대상이 됩니다.

이는 중요한 발전이지만, 결정의 범위는 정확하게 기술되어야 합니다. 본 결정은 일회용 음료병의 재활용 함량 산정에 관한 것입니다. 이는 모든 화학적 재활용 주장에 대한 자동 승인이 아닙니다.

매스 밸런스는 흐름을 통제하고 할당 비율을 정하는 체인 오브 커스터디 방식입니다. 이는 특정 제품의 모든 분자가 실제로 폐기물에서 유래했음을 입증하지는 않습니다.

어떤 기술이 환경에 미치는 영향이 더 적은가?

기계적 재활용은 고분자 구조를 보존하고 전환 단계가 적기 때문에 일반적으로 에너지 사용이 적습니다.

그러나 이 결론을 모든 사례에 자동적으로 적용해서는 안 됩니다.

실제 재활용 시나리오를 비교한 JRC 보고서는 결과가 폐기물 스트림과 회수 제품의 적용에 따라 얼마나 크게 달라지는지를 보여줍니다.

선별된 PET 포장 폐기물 1톤에 대해 모델링된 순 기후 절감 효과는 약 다음과 같습니다:

• 기계적 재활용은 1,933kg CO₂e,
• 부분 글리콜분해는 1,711kg CO₂e,
• 에너지 회수는 약 1,241kg CO₂e의 순부하를 발생시켰습니다.

이 수치는 모든 PET 설비에 적용되는 보편적인 계수가 아닙니다. 결과는 수율, 에너지 소비, 화학물질 투입, 잔류물 처리, 재생산 산출물이 대체하는 신규 원료의 종류와 비율에 따라 달라집니다.

다른 고분자에 대해서는 순위가 달라질 수 있습니다. PS의 경우, 선택적 스티렌 회수가 신규 PS를 대체할 수 있는 능력이 제한된 기계적 재활용 제품 생산보다 더 우수할 수 있습니다. 혼합 폴리올레핀 필름의 경우, 높은 에너지 소비, 오일 업그레이딩, 연료로 유입되는 산출물 비율을 포함하면 열분해의 명백한 이점이 사라질 수 있습니다.

따라서 신뢰할 수 있는 비교를 위해서는 다음 사항이 확립되어야 합니다:

• 기술들이 동일한 폐기물 스트림을 처리하는지 여부,
• 시스템 경계가 동등한지 여부,
• 선별 및 원료 준비가 포함되는지 여부,
• 실제 재료 수율,
• 산출물 중 신규 원료를 대체하는 비율,
• 가스, 왁스, 고형물 및 폐기물의 처리 경로,
• 에너지, 수소, 용매 및 촉매의 소비,
• 제품 품질이 포함되는지 여부,
• 기능 단위가 폐기물 1톤인지, 제품 1톤인지, 정의된 재료 기능인지 여부.

이 정보 없이는 한 기술이 “더 친환경적”이라고 주장하는 것은 주로 마케팅 진술에 불과합니다.

기계적 재활용과 화학적 재활용이 어떻게 협력할 수 있을까요?

가장 합리적인 시스템은 계단식(캐스케이딩) 시스템입니다.

1. 균질한 스트림은 기계적 재활용으로 유도되어야 합니다.

재료가 필요한 특성을 유지하면서 세척 및 재사용이 가능하다면, 이를 모노머나 탄화수소로 분해하는 것은 이미 창출된 가치를 불필요하게 파괴하는 것입니다.

2. 기계적 재활용은 계속 발전해야 합니다.

더 나은 선별, 조성 추적성, 안정화, 탈기, 악취 제거, 상용화, 정제 및 품질 관리가 필요합니다.

디지털 제품 여권과 폴리머, 접착제, 배리어층, 안료 및 첨가제에 대한 보다 정확한 정보 역시 점점 더 중요해질 것입니다.

3. 선택적 용해는 폴리머를 파괴하지 않고 선택된 소재를 정제할 수 있습니다

이는 기계적 방법으로 충분히 정제할 수 없지만, 단량체로 분해할 필요는 없는 스트림에 대한 중간 경로입니다.

4. 해중합은 폴리머의 화학적 특성이 이를 지원할 때 사용해야 합니다

PET, PA, PC, PMMA, PS 및 일부 폴리우레탄은 PE 및 PP와 동일하게 처리해서는 안 됩니다. 각 폴리머 계열마다 반응 화학, 선택성, 정제 및 회수 경제성에 대한 별도의 평가가 필요합니다.

5. 열분해는 선택된 잔류 분획을 처리해야 하며, 최상의 원료를 두고 경쟁해서는 안 됩니다

열분해의 정당성은 기계적 재활용으로 효과적으로 사용할 수 없는 폐기물, 특히 적절히 준비된 혼합 폴리올레핀류를 처리할 때 가장 강력하게 뒷받침됩니다.

만약 열분해 공장이 기계적 재활용을 통해 재활용될 수 있었던 깨끗하고 균질한 PE 또는 PP를 소비하기 시작한다면, 더 이상 시스템을 보완하는 것이 아닙니다. 가장 가치 있는 원료를 두고 경쟁하게 됩니다.

6. 폐기물 역시 품질 관리가 필요합니다

선별 또는 기계적 재활용에서 발생한 폐기물이 자동으로 화학적 재활용에 적합한 원료가 되는 것은 아닙니다. 과도한 PVC, PET, PA, 금속, 수분, 종이, 유리, 충전제 및 유기 잔류물이 포함될 수 있습니다.

화학적 재활용 공장 역시 투입 원료 명세서가 필요합니다.

모든 재활용 기술 공급업체에게 반드시 물어야 할 7가지 질문

• 원료의 정확한 조성과 오염 수준은 어느 정도까지 허용됩니까?
• 총 액체, 가스 또는 펠릿 수율이 아니라, 신규 폴리머 생산에 적합한 제품의 수율은 얼마입니까?
• 얼마나 많은 비율이 연료, 공정 가스, 잔류물, 폐수 또는 폐기물로 끝납니까?
• 제시된 비용 및 배출 균형에서 어떤 원료 준비 단계가 누락되었습니까?
• 이 공정은 폐기물 1톤당 에너지, 물, 수소, 용매, 촉매 및 기타 화학물질을 얼마나 소비합니까?
• 이 공정의 산출물이 실제로 대체할 수 있는 원료는 무엇이며, 그 대체 비율은 얼마입니까?
• 결과가 연속적으로 가동되는 산업 설비에서 나온 것인지, 아니면 실험실 또는 데모 공정에서 나온 것입니까?

이 질문들에 답한 후에야 우리가 산업 기술을 논의하는 것인지, 아니면 단순히 매력적인 공정 도면을 보고 있는 것인지 판단할 수 있습니다.

기술 전쟁은 필요하지 않습니다

2022년 JRC 모델에 따르면, EU에서 플라스틱의 평균 폐기물 재활용률은 단 19.6%에 불과했습니다. 기계적 재활용이 주를 이루었으며, 화학적 재활용의 기여도는 미미한 수준에 머물렀습니다.

이는 기계적 재활용만으로는 순환 고리가 완전히 닫히지 않았음을 보여줍니다. 그렇다고 해서 화학적 재활용으로 대체해야 한다는 것을 의미하지는 않습니다.

기계적 재활용은 소재를 보존하고 요구되는 품질의 산출물을 생산할 수 있을 때 우선 선택이 되어야 합니다. 화학적 재활용은 회수 가능한 폐기물의 범위를 확장하는 역할을 해야 하며, 단순히 처리하기 쉽다는 이유로 깨끗한 스트림을 전환해서는 안 됩니다.

유럽연합 집행위원회는 2026년 결정에서 이 원칙을 명확히 밝혔습니다. 화학적 재활용은 기계적 재활용을 보완해야 하며, 기계적 재활용이 충분한 품질과 기술적 성능의 재활용 산출물을 제공하는 경우 일반적으로 환경적으로 더 바람직합니다.

따라서 올바른 질문은 “기계적 재활용이냐, 화학적 재활용이냐?”가 아닙니다.

어떻게 하면 최대한 많은 물질 가치를 보존하고, 최소한의 에너지를 사용하며, 연료, 배출 및 폐기물로 전환되는 탄소의 비율을 최소화할 수 있을까요?

이때에야 비로소 진정한 순환 플라스틱 경제를 논의할 수 있습니다.

참고문헌

1. 유럽연합 집행위원회, 공동연구센터, Amadei A., Venturelli S., Manfredi S., EU-27 내 플라스틱 소재 흐름 및 그 환경 영향. 유럽 플라스틱 가치사슬의 해부, 2025.
2. Garcia-Gutierrez P. 외, 공동연구센터, 플라스틱 폐기물 재활용의 환경 및 경제 평가, 2023.
3. 유럽연합 집행위원회, 일회용 음료병 내 재활용 플라스틱 함량 산정에 관한 집행결정 (EU) 2026/1425, 2026년 6월 30일.
4. 유럽연합, 폐기물에 관한 지침 2008/98/EC, 통합본.
5. 유럽연합, 포장재 및 포장 폐기물에 관한 규정 (EU) 2025/40.
6. Schyns Z.O.G., Shaver M.P., 포장 플라스틱의 기계적 재활용: 리뷰, 2021.
7. Uekert T. 외, 일반 플라스틱의 폐쇄 루프 재활용 기술에 대한 기술적, 경제적, 환경적 비교, 2023.
8. Jeswani H.K. 외, 혼합 플라스틱 폐기물의 열분해를 통한 화학적 재활용의 전과정 환경 영향, 2021.
9. Klotz M. 외, 지속 가능한 순환 플라스틱 경제에서 화학적 및 용매 기반 재활용의 역할, 2024.
10. Schade A. 외, 플라스틱 폐기물 재활용: 화학적 재활용 관점, 2024.

이 기사의 원본은 영어 버전입니다. 다른 모든 언어 버전은 자동 번역을 통해 생성되었습니다. 내용에 차이가 있을 경우, 원본 영어 텍스트를 참고하시기 바랍니다.

플라스틱 재활용, 기계적 재활용, 화학적 재활용, 고분자 재활용, 순환 경제, 플라스틱 폐기물, 재활용 기술, 열분해, 탈중합, 용매분해, 매스 밸런스, 플라스틱 가공,