코로나 이후 전세계적으로 플라스틱 사용량이 급증함에 따라 폐플라스틱 배출량이 증가하고 있다. 폐플라스틱의 무분별한 처리는 온실가스 배출량을 증가시켜 환경에 대한 부정적인 영향을 초래하고 있다. 따라서 지속가능한 미래를 위해 온실가스 배출을 줄이고 폐플라스틱의 효율적인 처리 및 새활용(upcycling) 하는 방안이 필요한 실정이다.
본 연구에서는 폐플라스틱을 이용하여 다공성 활성탄을 제조하고 이들의 온실가스 흡착 특성을 조사하였다. 폐플라스틱은 Polyethylene terephthalate(PET), Poly styrene(PS)와 Polytrimethylene terephthalate(PTT)를 선정하였다. 그리고 활성화 공정에 일반적으로 많이 사용되는 수산화칼륨(KOH)을 이용하여 기공 특성이 서로 다른 다공성 활성탄(PETAC-x, PSAC-x, PTTAC-x)을 제조하였다.
제조된 활성탄의 물리화학적 특성은 FT-IR, XRD 및 XPS 를 통해 분석하였으며, 형태학적 표면 특성과 비표면적 및 기공 부피와 같은 구조적 특성은 SEM, TEM 그리고 질소 흡/탈착 분석으로 살펴보았다. 제조된 활성탄(PETAC-x, PSAC-x, PTTAC-x)의 비표면적 및 기공부피 값은 KOH 혼합 비율이 증가함에 따라 커졌고, 이들 값의 크기는 PS > PET > PTT 순으로 나타났다.
대표적인 온실가스인 CO₂, CH₄ 및 N₂에 대한 흡착 특성은 서로 다른 온도(25, 35, 45 ℃)와 압력(0.1 ~ 110 kPa)범위에서 부피식 흡착 장치로 측정하였다. 대상 가스의 흡착량은 CO₂ > CH₂ > N₂ 순으로 나타났으며, 이는 가스의 분극률 크기 순서와 동일하였다. 또한 중간기공 보다 초미세기공이 많이 발달한 활성탄이 대상 가스에 대해 보다 더 우수한 흡착 능력을 보였다. 실험 데이터는 Langmuir, Freundlich 및 Sips 모델로 피팅하였으며, 그 중 Sips 모델이 가장 만족스러운 결과를 보여주었다. 활성탄의 표면 에너지 불균일성은 등량흡착열과 흡착에너지분포함수(AED)를 통하여 조사하였다. 그리고 이상용액 흡착이론(IAST)을 이용하여 CO₂/N₂, CO₂/CH₄및 CH₄/N₂에 대한 흡착 선택도를 평가하였다.
이상의 연구결과는 폐플라스틱 기반 다공성 활성탄이 온실가스 포집을 위한 잠재적인 흡착제로서 활용 가능성이 높음을 보여주는 것이며, 궁극적으로 폐기물로 인한 환경오염 문제를 완화시킬 수 있는 대안으로 기대된다.