우리 연구진이 '폐플라스틱 열분해유'의 석유화학 원료 활용을 증진시킬 연구 성과를 내놓았다. 석유화학 원료 생산시 걸림돌이 되는 불순물 영향을 촉매 실험과 인공지능(AI) 계산화학으로 밝혀냈다. 촉매 성능 저하 가능성을 사전에 가늠할 과학적 근거를 마련한 것이다.
한국화학연구원(원장 신석민)은 김도경 박사팀이 한국기술교육대의 김태용 교수팀과 함께 폐플라스틱 열분해유 속 질소·황·염소·산소계 불순물이 촉매 성능에 미치는 영향 및 작동 원리를 규명했다고 9일 밝혔다.
폐플라스틱 열분해유는 버려진 플라스틱을 고온 분해해 얻는 기름이다. 열분해유 속 탄화수소를 촉매로 분해하면 플라스틱·화학제품의 기초 원료인 경질 올레핀을 얻게 된다.
그러나 열분해유에는 다양한 플라스틱과 첨가제에서 유래한 불순물이 포함된다. 원료에 따라 불순물의 종류와 함량이 달라지므로, 안정적인 생산을 위해서는 이들이 촉매 성능에 미치는 영향을 파악해야 한다.
연구팀은 실제 폐플라스틱 열분해유에 질소·황·염소·산소계 불순물 13종을 각각 첨가하고, 2024년 확보한 제올라이트 촉매를 이용해 경질 올레핀 생산량과 생성물 분포의 변화를 비교했다.
그 결과, 황·염소·산소계 화합물의 영향은 상대적으로 작았지만, 일부 질소계 화합물은 촉매 성능을 크게 떨어트렸다. 특히 2-메틸피리딘의 영향이 컸고, 벤조니트릴은 상대적으로 작았다. 즉 총 질소 함량뿐만 아니라 어떤 형태의 질소 화합물이 포함돼 있는지도 중요했다.
연구팀은 그 원인을 밝히기 위해 머신러닝 포텐셜(MLP)이라는 AI 기반 계산화학 기법을 활용했다. 이를 통해 질소계 화합물과 열분해유를 구성하는 탄화수소가 촉매 내부의 반응 자리에 얼마나 강하게 붙는지를 비교했다.
제올라이트 촉매에는 탄화수소를 분해하는 반응 자리가 있는데, 일부 질소계 불순물이 이 자리를 먼저 차지하면 탄화수소의 반응 기회가 줄어 생산량이 감소한다. 연구팀은 분자의 크기와 촉매 내부 공간도 성능 저하에 영향을 미친다는 사실을 확인했다.
또 질소계 불순물 농도가 높을수록 성능 저하가 커지는 반면, 반응 온도를 높이면 그 영향이 완화됐다. 반복 사용으로 성능이 떨어진 촉매도 탄소 찌꺼기를 제거하는 재생 처리 후 초기 성능을 회복했다. 이는 촉매를 연속 재생하는 순환 유동층 공정 가능성을 뒷받침한다.
이번 연구는 불순물의 총량뿐 아니라 종류까지 고려해 폐플라스틱 열분해유의 원료 적합성을 평가할 근거를 마련했다는 점에서 의미가 있다. 향후 원료별 불순물 관리, 전처리 공정 및 운전 조건 최적화에 활용돼 폐플라스틱 재활용 기술의 산업 적용에 기여할 것으로 기대된다.
신석민 화학연 원장은 “원료를 공정에 투입하기 전 불순물 조성을 분석해 촉매 성능 저하 가능성을 가늠하고, 원료 특성에 맞는 불순물 관리와 운전 전략을 마련하는 데 활용될 것으로 기대한다”고 밝혔다.
이번 성과는 국제학술지 ACS Catalysis에 4월 표지 논문으로 게재됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
