현대 인류 문명은 고분자의 시대라 해도 과언이 아니다. 플라스틱, 합성섬유, 고무 등 고분자 물질은 가볍고 내구성이 뛰어나며 가공하기 쉽다는 압도적인 장점을 바탕으로 현대 산업과 일상생활의 근간을 이루고 있다. 그러나 고분자의 가장 큰 장점인 뛰어난 내구성, 즉 화학적 안정성은 역설적으로 심각한 환경 문제를 낳고 있다. 자연 상태에서 쉽게 분해되지 않고 축적되는 폐플라스틱은 지구 생태계를 위협하는 국제적 환경 문제로 부상했다.

전통적인 플라스틱 재활용 방식인 물리적 재활용은 고분자를 녹이고 재가공하는 과정에서 사슬이 끊어지고 불순물이 혼입되어 물성이 지속적으로 하락하는 다운사이클링의 한계를 지닌다. 진정한 의미의 지속 가능한 순환경제를 구현하려면 폐플라스틱을 다시 고품질 원료로 환원하여 반복적으로 활용할 수 있어야 한다. 이를 위한 핵심 대안 중 하나가 고분자를 구성 단위인 단량체로 되돌리는 화학적 재활용, 즉 해중합이다.

『순환경제를 위한 고분자 해중합: 이론부터 실전 연습문제까지』는 해중합 기술의 기초 원리부터 산업적 응용까지 함께 갖춘 포괄적인 지침서로 기획되었다. 제1부 ‘기초 및 열역학’에서는 고분자-단량체 평형, 천정 온도와 깁스 자유 에너지, 반응 속도론 등 해중합을 지배하는 물리화학적 원리를 다룬다. 나아가 온도, 압력, 농도, 용매 등의 반응 조건을 조절하여 평형을 이동시키는 방법과 엔탈피와 엔트로피의 균형을 조정하는 열역학적 튜닝의 원리를 살펴본다. 제2부 ‘해중합 메커니즘’에서는 열분해와 가용매분해를 비롯한 전통적 방식부터 광화학적･기계화학적 방법, 미생물과 효소를 이용한 생물학적 해중합까지 다양한 분해 메커니즘을 살펴본다. 또한 촉매가 반응 경로와 선택성에 미치는 영향과 상분리･확산 등의 물질 전달 현상이 전체 해중합 속도에 미치는 공학적 영향도 함께 다룬다.

제3부 ‘응용과 순환경제’에서는 상업용 플라스틱의 실제 재활용 공정, 바이오매스의 가치 창출, 재활용을 전제로 한 차세대 고분자 설계까지 산업 현장의 주요 이슈와 미래 전망을 다룬다. 특히 제품의 사용 성능뿐 아니라 수명이 다한 뒤의 해중합 가능성까지 설계 단계에서 고려하는 ‘해중합을 위한 설계(Design for Depolymerization, DfD)’의 개념과 차세대 순환형 고분자의 설계 방향을 살펴본다.

이처럼 이 책은 열역학, 메커니즘, 응용의 세 축을 유기적으로 연결하여 고분자 순환 기술의 이론과 실제를 종합적으로 이해하도록 구성하였다. 이와 함께 이 책의 또다른 특징은 이론 설명에 그치지 않고 독자가 핵심 개념을 직접 적용해 볼 수 있도록 예제와 연습문제를 체계적으로 구성했다는 점이다. 본문 중간에는 주요 개념과 수식을 실제 사례에 적용하는 예제를 배치하였으며, 각 장 말에는 해중합 메커니즘과 순환경제의 연관성을 논리적으로 설명하는 서술형 문제, 열역학 및 속도론의 주요 식을 직접 적용하는 계산 문제를 수록하였다. 이를 통해 독자가 개념을 단계적으로 이해하고 공학적 문제 해결 능력을 기를 수 있도록 하였다.

이 책은 환경 문제 해결이라는 인류의 시급한 과제를 화학, 재료공학, 화학공학의 융합적 시각으로 풀어낸다. 해중합은 단순히 플라스틱을 분해하는 파괴의 과정이 아니라, 고분자를 다시 원료 수준으로 되돌려 새로운 소재의 생산을 가능하게 하는 분자 수준의 재생 기술이다. 화학, 화학공학, 고분자공학, 환경공학 등 관련 분야를 공부하는 학부생과 대학원생에게는 탄탄한 기초를 다지는 교재가 되고, 화학적 재활용 기술을 연구하는 실무자와 연구자에게는 문제 해결의 실마리를 제공하는 참고서가 되기를 진심으로 바란다.

좋은 책을 위해 노력하였지만 오류가 있을 수 있다. 이 점은 양해를 바라며, 추후 수정사항 및 연습문제 해답 등은 자유아카데미 홈페이지 자료실(www.freeaca.com)을 통해 제공할 예정이니 참고하길 바란다. 이 책을 통해 독자들은 선형경제라는 기존 산업의 한계를 넘어, 순환경제 시대로 나아가는 고분자 과학의 흥미로운 도전을 경험하게 될 것이다. 나아가 지속가능한 지구와 미래 세대를 위한 플라스틱 순환 기술의 발전에 작은 밑거름이 되기를 소망한다.

 

2026년 8월

김 일

[목 차]

제1장 고분자-단량체 평형

1.1 중합 가역성 개론

1.2 고분자-단량체 평형 열역학

1.3 천정 온도와 바닥 온도

1.4 단량체 구조가 열역학에 미치는 영향

1.5 속도론적 제어 대 열역학적 제어

1.6 상 거동 및 용매 효과

1.7 화학적 재활용 공정으로의 응용

 

제2장 열역학: 천정 온도와 깁스 자유 에너지

2.1 해중합의 열역학적 기초

2.2 엔탈피 및 엔트로피의 구조적 요인

2.3 열역학 파라미터의 실험적 측정 및 계산

 

제3장 사슬 절단과 고리 풀림 해중합 속도론

3.1 해중합 속도론 개론

3.2 무작위 사슬 절단 반응 속도론

3.3 지퍼 풀림 반응과 탈성장

3.4 절단과 지퍼 풀림의 복합 거동

3.5 열분석과 속도론 모델링

3.6 물질 전달 및 확산 제어 속도론

3.7 촉매 해중합 속도론

3.8 맺음말: 연구 동향, 과제 및 향후 전망

 

제4장 열화와 열분해

4.1 열분해 개론 및 화학적 재활용 시스템의 열역학적 이해

4.2 라디칼 매개 열분해 메커니즘

4.3 주요 고분자 열분해 거동

4.4 열분해 공정의 열 및 물질 전달

4.5 열분해 생성물의 분포 및 업그레이딩

4.6 반응기 설계 및 차세대 열분해 공정

4.7 맺음말

 

제5장 가용매분해(가수분해, 글리콜분해 및 메탄올분해)

5.1 가용매분해 개론

5.2 가수분해

5.3 글리콜분해

5.4 메탄올분해(메탄올을 이용한 단량체 회수)

5.5 기타 가용매분해 및 공용매 하이브리드 공정

5.6 가용매분해의 열역학 및 속도론 파라미터 심층 분석

5.7 화학적 재활용 공정 엔지니어링 및 정제

5.8 맺음말

 

제6장 광화학 및 기계화학적 해중합

6.1 비열적 활성화 개론

6.2 광화학적 해중합 기초

6.3 광분해 주요 메커니즘

6.4 광촉매 기반 고도 화학적 재활용

6.5 기계화학적 해중합

6.6 기계화학적 반응 공정 및 장치

6.7 메카노포어와 지향성 해중합

6.8 복합 공정 및 스케일업 한계

6.9 맺음말

 

제7장 미생물과 효소를 이용한 해중합

7.1 생물 촉매 해중합 개론

7.2 플라스틱 분해 효소의 종류와 작용 기작

7.3 효소 속도론과 고체-액체 계면 반응

7.4 미생물 군집 및 전세포 생물 촉매

7.5 단백질 공학과 효소 개량

7.6 결정성 장벽과 전처리 기술

7.7 생물 공정 엔지니어링 및 바이오 업사이클링

7.8 맺음말

 

제8장 상업용 플라스틱의 순환형 화학 재활용

8.1 순환형 재활용의 개념과 산업적 요구

8.2 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET): 완전 순환을 향한 여정

8.3 발포 폴리우레탄(PU)의 해중합과 정제

8.4 폴리아마이드: 카펫과 어망의 고부가가치화

8.5 복합 소재 및 혼합 폐기물 한계 극복

8.6 단량체 정제 및 품질 제어

8.7 맺음말

 

제9장 바이오매스 가치 창출

9.1 바이오매스 해중합 개론

9.2 바이오매스 전처리 및 분획 기술

9.3 셀룰로스: 결정성 장벽 극복과 글리코사이드 결합의 절단

9.4 리그닌: 방향족 네트워크의 해체

9.5 키틴 및 키토산: 해양 생물 고분자의 업사이클링

9.6 차세대 바이오매스 해중합 촉매 및 공정

9.7 석유화학 밸류체인과의 통합 및 전망

9.8 맺음말

 

제10장 해중합을 위한 설계 - 차세대 고분자

10.1 해중합을 위한 설계 개론

10.2 열역학적 튜닝: 성능과 해중합성의 탈동조화

10.3 동적 공유 결합과 비트리머

10.4 자극 감응형/절단 가능 결합의 도입

10.5 내재적 순환형 고분자 플랫폼

10.6 초분자 고분자와 자기 조립 고분자

10.7 상용화를 위해 해결하여야 할 과제 및 DfD의 미래

 

예제 정답 및 해설

찾아보기