화학연, 폐플라스틱 열분해유 촉매 성능 저하 원인 규명

불순물 13종 분석…일부 질소 화합물이 문제

AI로 반응 방해 원리 확인…촉매 재생도 검증

한국화학연구원은 김도경 박사 연구팀이 한국기술교육대학교 김태용 교수 연구팀과 공동으로 열분해유 속 불순물이 촉매에 미치는 영향과 작동 원리를 규명했다고 9일 밝혔다. ⓒ한국화학연구원

폐플라스틱 열분해유에 포함된 일부 질소계 불순물이 석유화학 원료 생산에 쓰이는 촉매의 성능을 크게 떨어뜨리는 것으로 확인됐다.

한국화학연구원(화학연)은 김도경 박사 연구팀이 한국기술교육대학교 김태용 교수 연구팀과 공동으로 열분해유 속 불순물이 촉매에 미치는 영향과 작동 원리를 규명했다고 9일 밝혔다.

폐플라스틱 열분해유는 버려진 플라스틱을 고온에서 분해해 얻는 기름으로, 석유화학제품의 기초 원료인 경질 올레핀 생산에 활용할 수 있다. 하지만 플라스틱 종류와 첨가제에 따라 불순물 구성이 달라 안정적인 생산에 어려움이 있었다.

연구팀은 실제 열분해유에 질소·황·염소·산소계 불순물 13종을 각각 첨가해 경질 올레핀 생산량의 변화를 살폈다. 실험에는 연구팀이 2024년 확보한 제올라이트 촉매를 사용했다.

분석 결과 황·염소·산소계 화합물은 영향이 상대적으로 작았지만 일부 질소계 물질은 촉매 성능을 크게 떨어뜨렸다. 특히 2-메틸피리딘은 생산량 감소에 미치는 영향이 컸던 반면 벤조니트릴은 비교적 작았다.

촉매 성능은 질소 불순물의 총량뿐 아니라 화합물의 종류에 따라서도 달라지는 것으로 확인됐다.

연구팀은 인공지능(AI) 기반 계산화학 기법인 기계학습 퍼텐셜(MLP)로 성능 저하 원인을 분석했다. 일부 질소계 불순물이 촉매 내부의 반응 자리를 먼저 차지해 탄화수소 분해를 방해하는 원리다. 분자의 크기와 촉매 내부 공간도 성능을 좌우하는 요인으로 확인됐다.

질소계 불순물 농도가 높을수록 성능 저하가 심해졌지만 반응 온도를 높이면 그 영향은 줄었다. 사용한 촉매 역시 탄소 찌꺼기를 제거하는 재생 처리를 거쳐 초기 성능을 회복했다.

이번 성과는 열분해유의 불순물 종류와 함량에 따라 원료 적합성을 판단하고 전처리 방법과 공정 조건을 조정하는 데 활용될 것으로 기대된다.

연구 결과는 지난 4월 국제 학술지 ‘ACS 카탈리시스(ACS Catalysis)’에 표지 논문으로 게재됐다.

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 말했다.