▲ 화학연 연구진이 폐플라스틱 열분해유에 포함된 불순물의 종류별 특성과 촉매 성능에 미치는 영향을 분석하는 실험을 진행하고 있다.

국내 연구진이 폐플라스틱 열분해유에 포함된 불순물이 촉매 성능에 미치는 영향을 분석해 화학적 재활용 공정의 효율성과 안정성을 높일 수 있는 기반을 마련했다. 특히 불순물의 종류와 함량에 따른 촉매 성능 저하 요인을 밝혀 폐플라스틱의 고부가가치 화학원료 전환과 재활용 기술의 산업적 활용 확대에 기여할 것으로 기대된다.

한국화학연구원(원장 신석민)은 김도경 박사 연구팀이 한국기술교육대학교 김태용 교수 연구팀과 공동으로 폐플라스틱 열분해유에 포함된 질소·황·염소·산소계 불순물이 촉매 성능에 미치는 영향과 작동 원리를 규명했다고 9일 밝혔다.

폐플라스틱 열분해유는 폐플라스틱을 고온에서 분해해 얻는 액상 원료로, 기존 석유계 나프타를 대체할 수 있는 자원으로 주목받고 있다. 열분해유에 포함된 탄화수소를 촉매로 분해하면 플라스틱과 각종 화학제품의 기초원료인 경질 올레핀을 생산할 수 있다. 

그러나 폐플라스틱의 종류와 첨가제에 따라 열분해유에 포함되는 불순물의 종류와 함량이 달라져 촉매 성능과 생산 효율을 안정적으로 유지하는 데 어려움이 있었다.

연구팀은 앞서 2024년 폐플라스틱 열분해유를 추가적인 수소화 처리 없이 경질 올레핀으로 전환하는 순환유동층 촉매분해 기술을 개발한 바 있다. 다만 당시 연구는 단일 열분해유를 대상으로 진행돼 다양한 원료에 포함된 불순물이 촉매 성능에 미치는 영향을 평가하는 데 한계가 있었다.

이에 연구팀은 실제 폐플라스틱 열분해유에 질소·황·염소·산소계 불순물 13종을 각각 첨가하고, 기존에 개발한 제올라이트 촉매를 이용해 경질 올레핀 생산량과 생성물 분포 변화를 비교·분석했다.

그 결과 황·염소·산소계 화합물은 촉매 성능에 미치는 영향이 상대적으로 작았지만, 일부 질소계 화합물은 경질 올레핀 생산량을 크게 감소시키는 것으로 나타났다. 특히 2-메틸피리딘은 촉매 성능 저하에 큰 영향을 미친 반면, 벤조니트릴의 영향은 상대적으로 작았다. 이는 열분해유의 촉매 반응성을 평가할 때 전체 질소 함량뿐 아니라 질소계 불순물의 화학적 구조와 종류까지 고려해야 한다는 것을 보여준다.

연구팀은 이러한 차이가 발생하는 원인을 규명하기 위해 인공지능(AI) 기반 계산화학 기법인 머신러닝 포텐셜(Machine-Learning Potential, MLP)을 활용했다. 이를 통해 질소계 화합물과 열분해유의 탄화수소 성분이 제올라이트 촉매 내부의 활성점에 흡착하는 특성을 비교한 결과, 일부 질소계 불순물이 촉매의 반응 자리를 선점해 탄화수소의 분해 반응을 방해한다는 사실을 확인했다. 또한 분자의 크기와 촉매 내부 공간의 구조도 촉매 성능 저하에 영향을 미치는 것으로 분석됐다.

아울러 질소계 불순물의 농도가 높아질수록 촉매 성능 저하가 심화됐지만, 반응온도를 높이면 이러한 영향이 완화되는 것으로 나타났다. 반복 사용으로 활성이 감소한 촉매 역시 탄소 침적물을 제거하는 재생 처리를 거치면 초기 성능을 회복했다. 

이는 촉매를 연속적으로 재생하는 순환유동층 공정의 적용 가능성을 뒷받침하는 결과로, 향후 원료 특성에 따른 운전 조건 최적화와 촉매 재생 전략 수립에 활용될 것으로 기대된다.

이번 연구는 폐플라스틱 열분해유의 불순물 총량뿐 아니라 개별 성분의 특성을 고려해 원료 적합성을 평가할 수 있는 과학적 근거를 제시했다는 점에서 의미가 있다. 이를 바탕으로 원료별 불순물 관리와 전처리 공정 개선, 촉매 운전 조건 최적화가 가능해져 폐플라스틱의 화학적 재활용 공정 안정성과 산업적 활용도를 높이는 데 기여할 전망이다.

신석민 화학연 원장은 “원료를 공정에 투입하기 전 불순물 조성을 분석해 촉매 성능 저하 가능성을 가늠하고, 원료 특성에 맞는 불순물 관리와 운전전략을 마련하는 데 활용될 것으로 기대한다”고 밝혔다.

한편 이번 연구성과는 국제학술지 ‘ACS Catalysis(IF 13.1)’ 2026년 4월호 표지논문으로 게재됐다. 화학연 Tran Xuan Tin 박사후연구원과 한국기술교육대학교 김태용 교수가 제1저자로, 화학연 김도경 박사가 교신저자로 참여했다.