폐플라스틱 열분해유 걸림돌 '불순물' 영향 AI로 밝혀

[이데일리 강민구 기자] 국내 연구진이 폐플라스틱 열분해유를 석유화학 원료로 활용할 때 걸림돌이 되는 불순물의 영향을 촉매 실험과 인공지능(AI) 기반 계산화학으로 밝혀냈다. 이를 통해 불순물 종류와 함량에 따른 촉매 성능 저하 가능성을 사전에 파악하기 위한 과학적 근거를 마련했다.

한국화학연구원은 김도경 박사 연구팀이 김태용 한국기술교육대 교수 연구팀과 폐플라스틱 열분해유 속 질소·황·염소·산소계 불순물이 촉매 성능에 미치는 영향과 작동 원리를 규명했다고 9일 밝혔다.

연구진의 단체 사진.(왼쪽 상단부터)김태용 한국기술교육대 교수, TranNgan Ha UST 학생연구원, 원근혜 석사후연구원, Ngo Thi Thanh Ngan UST학생연구원, 김도경 책임연구원,Tran Xuan Tin 박사후연구원, 정동재 박사후연구원.(사진=한국화학연구원)

폐플라스틱 열분해유는 버려진 플라스틱을 고온 분해해 얻는 기름으로 석유나 나프타 원료를 대체할 수 있다. 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 달라져 안정적으로 생산하려면 이들이 촉매 성능에 미치는 영향을 파악해야 한다.

연구팀은 앞서 2024년 폐플라스틱 열분해유를 추가 수소화 처리 없이 경질 올레핀으로 전환하는 순환 유동층 촉매분해 기술을 발표했다. 당시에는 한 종류의 열분해유를 대상으로 진행돼 불순물 조성이 달라지는 원료에 대한 촉매 성능을 판단하는 데에는 한계가 있었다. 이번 후속 연구는 다양한 불순물의 종류와 함량 변화가 경질 올레핀 생산에 미치는 영향을 파악하는 데 초점을 맞췄다.

연구팀은 실제 폐플라스틱 열분해유에 질소·황·염소·산소계 불순물 13종을 각각 첨가하고, 2024년 확보한 제올라이트 촉매를 이용해 경질 올레핀 생산량과 생성물 분포의 변화를 비교했다.

폐플라스틱 열분해유 종류별 다양한 불순물 함유 샘플.(자료=한국화학연구원)

그 결과, 황·염소·산소계 화합물의 영향은 상대적으로 작았지만, 일부 질소계 화합물은 촉매 성능을 크게 떨어트렸다. 특히 2-메틸피리딘의 영향이 컸고, 벤조니트릴은 상대적으로 작았다. 총 질소 함량뿐만 아니라 어떤 형태의 질소 화합물이 포함돼 있는지도 중요한 셈이다.

연구팀은 ‘머신러닝 포텐셜(MLP)’이라는 AI 기반 계산화학 기법을 활용해 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 분자 크기와 촉매 내부 공간도 성능 저하에 영향을 미친다는 사실을 확인했다.

또 질소계 불순물의 농도가 높을수록 성능 저하가 커졌지만 반응 온도를 높이면 영향이 줄어들었다. 반복 사용으로 성능이 떨어진 촉매도 탄소 찌꺼기를 제거하는 재생 처리 후 초기 성능을 회복했다. 촉매를 연속 재생하는 순환 유동층 공정의 가능성을 뒷받침하는 결과다.

연구는 불순물의 총량뿐 아니라 종류까지 고려해 폐플라스틱 열분해유의 원료 적합성을 평가할 근거를 마련했다는 점에서 의미가 있다.

신석민 화학연 원장은 “원료를 공정에 투입하기 전 불순물 조성을 분석해 촉매 성능 저하 가능성을 가늠할 수 있다”며 “원료 특성에 맞는 불순물 관리와 운전 전략을 마련하는 데 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.

연구 결과는 국제학술지 ‘ACS Catalysis’에 지난 4월 표지 논문으로 게재됐다.