버려지는 폐플라스틱, 열분해유로 재탄생했다

한국화학연구원 저탄소화학공정융합연구단 연구진

지난해 4월 중국 선전(심천·深圳)에서 열린 ‘차이나플라스 2023′ SK지오센트릭 부스에 화학적 재활용 공정이 소개돼 있다. 열분해유(가운데)는 석유화학 공정 재활용에 쓰이는 자원으로 주목 받고 있다. 한국화학연구원 연구진은 최근 폐플라스틱 열분해유의 재활용률을 높이는 촉매, 공정 기술을 개발했다./정재훤 기자

국내 연구진이 버려지는 플라스틱 일회용품을 손쉽게 재활용하는 기술을 개발했다. 연구진이 개발한 기술은 기존 공정보다 낮은 온도에서 작동하면서 원료 수율을 10% 가까이 늘릴 수 있다. 국내 석유화학 업계의 경쟁력 강화와 탄소 중립 달성에 기여할 수 있을 것으로 기대를 모은다.

박용기 한국화학연구원 저탄소화학공정융합연구단단장과 김도경 책임연구원이 이끄는 공동 연구진은 폐플라스틱 열분해유에서 플라스틱 원료인 경질 올레핀을 뽑아내는 기술을 개발했다고 9일 밝혔다.

폐플라스틱 열분해유는 플라스틱을 높은 온도에서 분해하면 나오는 물질이다. 열분해유를 활용하면 플라스틱 원료를 재활용할 수 있어 석유화학 업계가 최근 주목하고 있다. 플라스틱 사용량이 전 세계적으로 늘면서 폐플라스틱으로 인한 환경오염과 플라스틱 생산 과정에서 발생하는 탄소 배출을 줄이기 위한 대체 수단으로 주목 받고 열분해유를 활용한다는 전략이다.

한국도 폐플라스틱 열분해유를 플라스틱 재활용의 주요 수단 중 하나로 인정했다. 환경부는 2022년 ‘폐기물관리법 시행규칙’ 개정하며 폐기물 재활용 유형에 열분해유를 추가했다. 산업통상자원부도 지난 7월 석유화학공정 원료로 석유만 허용하던 것에서 열분해유를 허용하기로 했다.

한국화학연구원 연구진이 개발한 '순환 유동층 반응기 기반 폐플라스틱 열분해유의 촉매 분해 기술'의 작동 모식도. 기존 공정보다 낮은 온도에서 고품질의 플라스틱 원료인 경질올레핀을 얻는 데 성공했다./한국화학연구원

화학연 연구진은 폐플라스틱 열분해유에 특화된 촉매와 공정을 개발해 열분해유에서 고품질의 플라스틱 원료를 추출할 수 있게 했다. 기존에는 열분해유는 추출 원료의 품질이 떨어진다는 문제가 있었다. 열분해유는 기존 석유화학 원료인 나프타와 비교해 탄소 사슬이 길어 활용 범위가 제한적이며, 기존 나프타 공정에 사용할 수 있는 비율이 20%에 미치지 못했다. 열분해유는 불순물도 많이 포함돼 있어 섭씨 850도 이상의 고온 공정이 필요하다는 문제도 있었다.

연구진이 개발한 촉매와 공정을 이용하면 추가적인 고온 공정 없이도 열분해유 100%를 플라스틱 재활용에 사용할 수 있다. 플라스틱 원료인 에틸렌, 프로필렌, 부텐 같은 경질 올레핀을 높은 비율로 얻을 수 있다. 일반적인 형태의 올레핀은 폐기물로 여겨지지만 경질 올레핀은 플라스틱 산업에서 필수품으로 여겨진다.

연구진은 폐플라스틱 열분해유 활용 공정의 효율을 떨어뜨리는 문제도 해결했다. 기존 공정은 열분해유를 분해하는 과정에서 촉매 표면에 찌꺼기가 쌓여 효율이 급격히 떨어진다. 연구진은 ‘순환 유동층 반응기’ 적용해 촉매와 원료가 함께 움직이며 촉매가 재생되도록 해 이 같은 문제를 해결했다.

이번에 개발한 기술은 반응 온도를 680도로 낮추는 데 성공했다. 기존 공정보다 170도 낮아진 것이다. 경질 올레핀 수율은 나프타를 사용했을 때 34.6%보다 높은 44.1%로 나타났다. 24시간 연속으로 공정을 운영하더라도 효율이 유지돼 실제 산업 공정에서도 활용이 가능한 것으로 확인됐다.

연구진은 후속 연구를 통해 공정 규모를 확대하고 경제성을 높여간다는 계획이다. 실증 가능성을 2030년까지 따져본 후 실증에 나설 예정이다.

이영국 화학연 원장은 “시장 경쟁이 치열한 폐플라스틱 열분해유 활용을 위한 대체 기술을 개발했다”며 “국가 석유화학산업 경쟁력 강화와 탄소중립 구현에 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘ACS 지속가능 화학 및 공학’에 지난 7월 25일 소개됐다.

참고 자료

ACS sustainable chemistry & engineering(2024), DOI: https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.4c03763

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