폐플라스틱 재활용 방해하는 불순물 찾았다…AI로 원인 규명[과학을읽다]

김종화 기자

입력 2026.11.09 12:00

화학연·한국기술교육대, 열분해유 불순물 13종 비교 분석
질소계 화합물이 촉매 성능 저하…원료 품질 관리 활용 기대

폐플라스틱을 석유화학 원료로 재활용할 때 생산 효율을 떨어뜨리는 불순물의 종류와 작동 원리가 밝혀졌다. 특히 일부 질소계 화합물이 촉매의 반응 자리를 차지해 플라스틱 원료 생산을 방해하는 것으로 나타났다. 폐플라스틱 열분해유의 품질을 사전에 평가하고 재활용 공정의 효율을 높이는 데 활용될 것으로 기대된다.

한국화학연구원은 김도경 박사 연구팀이 김태용 한국기술교육대학교 교수 연구팀과 공동으로 폐플라스틱 열분해유에 포함된 불순물 13종이 촉매 성능에 미치는 영향을 실험과 인공지능(AI) 기반 계산화학으로 규명했다고 9일 밝혔다.

기술 개요. 한국화학연구원 연구팀 AI 활용 제작

폐플라스틱 열분해유는 버려진 플라스틱을 고온에서 분해해 얻는 기름이다. 석유나 나프타를 대체하는 원료로 활용할 수 있으며, 촉매를 이용해 분해하면 에틸렌과 프로필렌 등 플라스틱·화학제품의 기초 원료인 경질 올레핀을 생산할 수 있다.

문제는 열분해유에 포함된 불순물이다. 폐플라스틱의 종류와 첨가제에 따라 질소·황·염소·산소계 화합물이 섞여 들어가는데, 이들이 촉매의 반응을 방해하면 생산 효율이 떨어질 수 있다. 원료마다 불순물의 종류와 함량이 달라 안정적인 공정 운영에도 어려움이 있다.

연구팀은 2024년 폐플라스틱 열분해유를 별도의 수소화 처리 없이 경질 올레핀으로 전환하는 순환 유동층 촉매분해 기술을 개발했다. 이번에는 당시 연구를 확장해 불순물 조성이 달라졌을 때 촉매 성능이 어떻게 변하는지 분석했다.

질소계 불순물이 촉매 반응 방해…AI로 원인 규명

실제 폐플라스틱 열분해유에 질소·황·염소·산소계 불순물 13종을 각각 첨가한 뒤 제올라이트 촉매를 이용해 경질 올레핀 생산량과 생성물 분포를 비교했다.

그 결과 황·염소·산소계 화합물의 영향은 상대적으로 작았지만, 일부 질소계 화합물은 촉매 성능을 크게 떨어뜨렸다. 특히 질소계 화합물인 '2-메틸피리딘'의 영향이 컸고, '벤조니트릴'은 상대적으로 작았다. 열분해유에 포함된 질소의 총량뿐 아니라 어떤 형태의 질소 화합물이 들어 있는지가 중요하다는 의미다.

AI 기반 계산화학을 통한 질소계 불순물의 촉매 흡착 특성 분석. 연구팀 AI 활용 제작

연구팀은 이러한 차이가 발생하는 원인을 밝히기 위해 머신러닝 포텐셜(MLP)이라는 AI 기반 계산화학 기법을 활용했다. 질소계 화합물과 탄화수소가 촉매 내부의 반응 자리에 얼마나 강하게 달라붙는지 비교한 것이다.

제올라이트 촉매에는 탄화수소를 분해하는 반응 자리가 있다. 일부 질소계 불순물이 이 자리를 먼저 차지하면 탄화수소가 반응할 기회가 줄어 경질 올레핀 생산량이 감소한다. 연구팀은 분자의 크기와 촉매 내부 공간도 성능 저하에 영향을 미친다는 사실을 확인했다.

질소계 불순물의 농도가 높아질수록 촉매 성능 저하가 커졌지만, 반응 온도를 높이면 그 영향이 완화됐다. 반복 사용으로 성능이 떨어진 촉매도 탄소 찌꺼기를 제거하는 재생 처리 후 초기 성능을 회복했다.

연구팀 사진. (왼쪽부터) 김태용 한국기술교육대학교 교수, 쩐 응언 하(Tran Ngan Ha) 과학기술연합대학원대학교(UST) 학생연구원, 원근혜 석사후연구원, 응오 티 타인 응언(Ngo Thi Thanh Ngan) UST 학생연구원, 김도경 한국화학연구원 책임연구원, 쩐 쑤언 띤(Tran Xuan Tin) 박사후연구원, 정동재 박사후연구원. 한국화학연구원 제공

이번 연구는 폐플라스틱 열분해유의 불순물 총량뿐 아니라 종류까지 고려해 원료의 적합성을 평가할 과학적 근거를 마련했다는 데 의미가 있다. 향후 불순물 관리와 전처리 공정, 촉매 운전 조건을 최적화하는 데 활용될 것으로 기대된다.

신석민 한국화학연구원장은 "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.