화학연, 폐플라스 촉매 성능 떨어뜨리는 원인 찾았다

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 폐플라스틱을 석유화학 기초원료로 전환하는 과정에서 촉매 성능을 떨어뜨리는 불순물의 종류와 작용원리가 국내 연구진에 의해 밝혀졌다.

한국화학연구원은 김도경 박사팀이 한국기술교육대 김태용 교수팀과 공동으로 폐플라스틱 열분해유에 포함된 질소·황·염소·산소계 불순물 13종이 촉매 성능에 미치는 영향을 분석하고 인공지능(AI) 기반 계산화학으로 작동원리를 규명했다고 9일 밝혔다.

폐플라스틱 열분해유는 버려진 플라스틱을 고온에서 분해해 얻는 기름으로 석유나 나프타를 대체할 원료로 활용할 수 있다.

이를 촉매로 분해하면 플라스틱과 각종 화학제품의 기초 원료인 경질 올레핀을 생산할 수 있으나 원료가 되는 플라스틱의 종류와 첨가제 등에 따라 열분해유의 불순물 조성이 달라져 안정적인 생산을 위해서는 불순물이 촉매에 미치는 영향을 파악하는 것이 중요하다.

이번에 연구팀은 폐플라스틱 열분해유에 질소·황·염소·산소계 불순물 13종을 각각 첨가한 뒤 기존에 확보한 제올라이트 촉매를 이용해 경질 올레핀 생산량과 생성물 분포 변화를 비교 분석했다.

비교 결과, 황·염소·산소계 화합물은 촉매 성능에 미치는 영향이 상대적으로 작았지만 일부 질소계 화합물은 성능을 크게 떨어뜨리는 것으로 나타났다.

특히 2-메틸피리딘의 영향이 컸으며 벤조니트릴은 상대적으로 작았다. 이는 질소 불순물의 총량뿐 아니라 어떤 형태의 화합물이 포함돼 있는지도 촉매 성능에 영향을 미친다는 의미다.

또 연구팀이 '머신러닝 포텐셜(MLP)'이란 AI 기반 계산화학 기법을 활용해 질소계 화합물과 열분해유를 구성하는 탄화수소가 촉매 내부의 반응 자리에 결합하는 정도를 비교한 결과, 일부 질소계 불순물이 탄화수소보다 먼저 반응 자리를 차지하면서 탄화수소의 반응 기회를 줄이는 것으로 나타났다. 분자의 크기와 촉매 내부 공간도 성능 저하에 영향을 미쳤다.

질소계 불순물의 농도가 높을수록 촉매 성능 저하가 커졌지만 반응 온도를 높이면 영향이 완화됐다. 반복 사용으로 성능이 떨어진 촉매도 탄소 찌꺼기를 제거하는 재생 처리를 거치면 초기 성능을 회복했다. 이를 통해 연구팀은 촉매를 반복 재생하는 순환 유동층 공정의 가능성도 확인했다.

이번 연구는 열분해유의 불순물 총량뿐 아니라 화합물 종류까지 고려해 원료의 촉매분해 적합성을 사전에 평가할 수 있는 근거를 마련했다는 데 의미가 있다.

불필요한 처리 비용을 줄이고 경질 올레핀 생산의 안정성과 경제성을 높이는 데 기여할 것으로 평가받는 이번 연구 결과는 국제학술지 'ACS Catalysis'에 최근 표지 논문으로 게재됐다.

신석민 화학연 원장은 "폐플라스틱 열분해유를 석유화학 원료로 안정적으로 활용하려면 원료마다 다른 불순물 특성을 정확히 파악하는 것이 중요하다"며 "폐플라스틱의 자원순환과 화학적 재활용 확대에 보탬이 되길 기대한다"고 말했다.


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