전세계 골칫덩이 폐플라스틱이 매년 전세계에서 배출되는 양은 4억 톤에 달한다. 그러나 이를 재활용하는 비율은 9%에 불과하다. 폐기 과정에서는 막대한 양의 이산화탄소도 발생한다.
한국화학연구원이 이 같은 폐플라스틱을 녹여 재활용하는 방법을 찾았다.
연구는 김도경·박용기 박사 연구팀이 맡았다. 이들은 최근 논문에서 폐플라스틱 열분해유를 사용해 플라스틱 원료인 경질 올레핀을 친환경·경제적으로 생산하는 촉매와 반응기를 공개했다.
9일 연구팀에 따르면 이들은 확보한 촉매 공정 모델을 바탕으로 촉매와 공정의 스케일업 및 최적화 연구를 진행할 계획이다. 오는 2030년경 실증이 목표다.
폐플라스틱 열분해유는 플라스틱 원료인 경질 올레핀을 만들 수 있다. 독일 바스프, 사우디아라비아 사빅 등 글로벌 기업과 국내 기업도 상업화를 시도 중이다.
그러나 이 기술은 기존의 석유 원료인 나프타와 폐플라스틱 열분해유의 물성 차이로 인해 한계가 존재한다.
기존 나프타는 탄소 수가 5~9개 사이로 구성된 반면 열분해유는 탄소 수가 5~44개다. 나프타 성분이 20%에 불과하다. 열분해유의 약 20%만 나프타 분해 공정 원료로 활용될 수 있다는 의미다.
또한, 열분해유에는 나프타 분해 공정의 원료로 부적합한 올레핀과 다양한 불순물이 포함돼 있다. 이같은 올레핀과 불순물을 제거하려면 고온(850℃)·고압 수소화 공정이 필요하다.
이에 연구팀은 지난 2017년 상업화에 성공한 순환 유동층 반응기 기반 나프타 촉매 분해 공정을 개선했다. 폐플라스틱 열분해유 활용에 특화된 촉매를 개발하고, 반응 조건 최적화를 통해 기존 상업화 기술의 한계를 극복했다.
연구팀은 파일럿 규모의 촉매와 반응기를 사용해 기존 나프타 분해 공정보다 170℃ 낮은 680℃에서 폐플라스틱 열분해유를 투입한 결과, 경질 올레핀 수율이 나프타를 사용할 때(34.6%) 보다 27% 향상(44.1%)됐다고 설명했다.
폐플라스틱 열분해유를 시간당 1㎏씩 24시간 연속 투입해도 성능이 유지돼 산업적 활용 가능성도 확인했다.
연구팀은 실용화를 목표로 촉매 공정 스케일업 연구와 경제성, 환경성에 대한 상세 평가 등 후속 연구를 진행한 뒤 2030년 실증 가능성을 검토할 계획이다.
연구결과는 화학 공정 과학기술 분야 국제학술지 ‘미국 화학회 지속가능한 화학 및 엔지니어링(ACS)’ 2024년 8월 표지 논문으로 게재됐다.
연구는 한국화학연구원 기본사업, 과학기술정보통신부 한국연구재단 석유대체 친환경 화학기술개발사업 및 국가과학기술 연구회 융합연구단 사업의 지원을 받았다.
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한편 환경부는 2022년 ‘폐기물관리법 시행규칙’ 개정으로 폐기물 재활용 유형에 폐플라스틱 열분해유를 추가했다. 산업부는 석유화학공정 원료로 석유만 허용하던 규정을 올해 7월부터 폐플라스틱 열분해유도 허용하도록 개정했다.
국제사회는 플라스틱 생산 규제 및 재활용 의무를 강화 중이다. 오는 11월 부산에서 열리는 UN 플라스틱 오염 대응의 최종 협약 회의(INC-5)에 관심이 쏠린다.
