플라스틱은 왜 석유에서 만들어지나요?

Question

우리가 일상에서 쓰는 플라스틱이 석유화학 제품이라고 배우는데, 원유의 어떤 성분이 어떻게 가공되어 플라스틱 원료가 되는지 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요. 김찬우 전문가입니다.

플라스틱이 석유에서 만들어지는 이유는 석유속에 플라스틱의 주요 재료가 되는 탄소와 수소 분자가 들어있기 때문입니다.

유전에서 뽑아낸 원유는 증류탑에서 끓여서 기체로 분리를 하게 됩니다. 이 과정에서 플라스틱의 기본 단위인 에틸렌, 프로필렌과 같은 단량체가 만들어지게 됩니다.

이러한 단량체를 서로 길게 이어 중합시키게 되면 단량체가 서로 이어져서 다량체인 고분자가 만들어지게 됩니다. 그래서 에틸렌이 폴리에틸린으로 만들어지게 되고 이것이 우리가 주로 사용하는 PE 입니다.

그럼 답변 읽어주셔서 감사드립니다:)

Answer 2

안녕하세요, 미스터리살롱님. 이중철 전문가입니다.

먼저, 플라스틱이 석유에서 만들어지는 가장 근본적인 이유는 원유 속에 포함된 '나프타'라는 성분이 탄소와 수소로 이루어진 거대 고분자 화합물을 합성하기에 가장 풍부하고 경제적인 기초 탄화수소 원료이기 때문이에요.

바로 '나프타'를 우리가 초고온으로 쪼갠 뒤 작은 단위체들을 화학적으로 길게 사슬처럼 잇는 중합 반응을 거치게 되면, 플라스틱이 탄생하는 것이랍니다.

■ 원유 속 플라스틱의 기초 원료인 '나프타 분별증류'

​정유공장에서는 지하에서 채굴한 원유를 가열로에 넣고 끓는점 차이를 이용해 상압증류탑에서 층별로 분리하게 됩니다. 이때 끓는점이 약 30도에서 200도 사이인 가벼운 액체 유분이 분리되어 나오는데, 이것이 바로 석유화학 산업의 쌀이라 불리우는 나프타(납사)인 것이랍니다. ​그리고 이 나프타는 탄소 원자 5개에서 10개 내외가 수소와 결합한 액체 혼합물로, 분자 사슬의 길이가 적당하고 화학적 반응성이 뛰어나 고분자 화합물을 합성하기에 최적화된 출발 물질이 되고 있답니다.

■ 나프타 분해 공정(NCC)과 단위체(단량체)의 생성

​정유공장에서 분리된 나프타는 석유화학 공장의 나프타 분해 설비(NCC)로 보내져 본격적인 화학적 분해를 겪습니다. 나프타를 800도 이상의 초고온 수증기와 함께 순간적으로 가열하면 길쭉한 탄소 사슬이 잘게 쪼개지는 열분해(크래킹) 반응이 일어나는데요. 바로 이 과정에서 탄소와 탄소 사이에 결합력이 강한 이중결합을 가진 반응성 높은 작은 기체 분자들이 만들어지는 것이지요. 이것이 바로 플라스틱이라는 거대한 성을 쌓기 위한 기본 벽돌 역할을 하는 에틸렌, 프로필렌, 부타디엔 같은 단위체(단량체, 모노머)랍니다.

■ 중합 반응을 통한 거대 고분자 플라스틱 합성

​기체 상태로 정제된 단위체들은 고온과 고압 조건의 반응기 안에서 촉매와 반응하며 사슬처럼 서로 엮이는 중합(Polymerization) 과정을 거칩니다. 단위체 분자 내부에 있던 탄소 간 이중결합이 열리면서 인접한 다른 단위체의 탄소와 손을 잡듯 양옆으로 수천에서 수만 개가 끝없이 연결되거든요. 예를 들어, 에틸렌 분자들이 길게 결합하면 폴리에틸렌(PE)이 되고, 프로필렌 분자들이 결합하면 폴리프로필렌(PP)이 됩니다. 이렇게 합성된 거대한 고분자 사슬 덩어리를 식혀서 쌀알 크기의 펠릿 형태로 굳힌 것이 플라스틱 가공 전 단계인 합성수지인 것이랍니다. 이 알갱이를 열로 녹여 틀에 넣고 찍어내면 페트병, 비닐, 자동차 내장재 등 우리가 쓰는 다양한 플라스틱 제품이 되는 것이지요.

■ 석유가 플라스틱 원료로 널리 쓰이는 경제적 이유는?

​이론적으로는 옥수수나 사탕수수 같은 식물성 원료에서도 탄소를 추출하여 플라스틱을 합성하는 것이 가능하기는 해요. 하지만, 석유는 고대 생명체의 유기물이 수억 년 동안 땅속에서 고농도로 농축된 탄화수소 덩어리이기 때문에, 전 세계가 사용하는 연간 수억 톤 규모의 플라스틱을 가장 저렴한 비용과 높은 순도로 대량 공급할 수 있는 유일한 원료라고 할 수 있어요. 가볍고 단단하며 부식되지 않는 플라스틱 고유의 강점 역시 석유에서 유래한 탄소-탄소 공유결합 골격의 유연성과 안정성에 기반하고 있는 것이지요.

​정리하자면,

플라스틱이 석유에서 만들어지는 이유는 원유를 분별증류하여 얻은 나프타를 초고온에서 열분해해 에틸렌과 프로필렌 같은 반응성 높은 단량체를 얻고, 이를 촉매와 함께 길게 사슬처럼 엮는 중합 반응을 통해 원하는 물성의 고분자 화합물을 가장 경제적이고 안정적으로 대량 생산할 수 있기 때문이랍니다.

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