이환규·이용걸 단국대 교수팀, 폐플라스틱 재활용 열분해 원리 규명

이환규 단국대 화학공학과 교수./사진제공=단국대

단국대학교는 최근 이환규·이용걸 화학공학과 교수 연구팀이 슈퍼컴퓨터를 활용해 폐플라스틱 재활용 효율을 높이는 최적의 메커니즘을 규명했다고 4일 밝혔다.

탄소중립 정책과 더불어 고유가 문제로 폐플라스틱을 활용해 석유화학 원료를 생산하는 화학적 재활용 기술이 시장의 주목을 받고 있다. 특히 폐플라스틱 열분해는 모든 종류의 플라스틱에 적용할 수 있어 재활용 방안으로 가장 널리 활용된다.

폐플라스틱의 재활용 효율은 열분해로 발생되는 중간생성물에 따라 결정된다. 현재는 폐플라스틱을 산소가 없는 반응기에 넣고 밖에서 열을 가해 플라스틱을 분해하는 기술을 사용한다. 하지만 이는 분자 단위까지 관측이 어렵다는 한계가 있다.

연구팀은 슈퍼컴퓨터를 활용해 분자의 움직임과 원자 반응을 분석할 수 있는 '멀티스케일 분자모델링' 기법을 도입했다. 이를 통해 폴리스타이렌(PS, 폴리스티렌)에서 분해된 벤젠 고리가 폴리에틸렌(PE)과 결합해 재활용 효율을 저해하는 가스 생성을 억제한다는 사실을 밝혔다. 폴리스타이렌의 질량비가 10~15%일 때 재활용 효율이 가장 높고, 고부가가치 석유화학물질인 알파올레핀 생산을 촉진한다는 사실도 찾아냈다.

이환규 교수는 "이번 연구는 폐플라스틱의 화학 공정 효율을 크게 개선할 수 있을 것"이라며 "폐플라스틱으로 인한 환경문제를 해결하고, UN이 설정한 지속가능발전목표(SDGs)를 달성하기 위해 후속연구를 이어가겠다"고 말했다.

아울러 학부생으로 연구에 참여한 백상훈 화학공학과 학생(4학년)은 폐플라스틱 분해반응 중간생성물에 대한 핵심 메커니즘을 규명해 논문의 제1저자로 이름을 올렸다.

한편 이번 연구는 한국연구재단의 '2022년 과학기술분야 기초연구실 사업'의 지원을 받아 수행됐다. 연구결과는 'Classical and Reactive Simulations of Plastic Co-Pyrolysis: Effects of Polystyrene and Its Fragments on Product Yields, Aggregation, and Reaction Mechanisms'(플라스틱 혼합물 열분해 분자모델링: 폴리스타이렌 분해가 수율, 응집, 반응 메커니즘에 미치는 영향)라는 제목으로 화학공학 분야 국제학술지 'Chemical Engineering Journal'(IF=15.1, JCR 상위 4%)에 게재됐다.