Retrofitting Steam Cracking for Circular Olefins from Plastics-waste Naphtha

거대한 플라스틱 퍼즐: 쓰레기에서 보물로

화학 산업을 거대하고 오래된 주방이라고 상상해 보세요. 수십 년 동안 이 주방은 본질적으로 화석화된 고대 생명체인 원유라는 특정 재료를 사용하여 세계의 플라스틱, 연료, 섬유를 요리해 왔습니다. 하지만 세상은 이 화석 연료가 고갈되어 가고 있으며, 우리가 만들어낸 플라스틱 쓰레기의 산은 매립지와 바다를 막으며 쌓여가고 있습니다. 이제 과학자들은 큰 질문을 던지고 있습니다. 그 플라스틱 쓰레기 산을 새로운 화학 물질을 요리하는 데 필요한 원료로 다시 되돌릴 수 있을까?

이를 위해서는 몇 가지 핵심 개념을 이해해야 합니다. 첫째, 화학 세계의 "오븐"인 **스팀 크래킹(steam cracking)**이 있습니다. 이것은 원료에 초고온의 증기를 쏘아 분해하여 새로운 플라스ics을 만드는 레고 블록과 같은 올레핀(에틸렌 및 프로필렌 등)이라는 작고 유용한 빌딩 블록으로 만드는 과정입니다. 둘째, **나프타(naphtha)**는 보통 석유 정제소에서 나오는 액체 연료로, 이 오븐의 표준적인 "밀가루" 역할을 합니다. 마지막으로, **하이드로크래킹(hydrocracking)**은 수소와 특수 촉매를 사용하여 긴 플라스틱 사슬을 나프타와 유사한 기름 형태의 작은 액체로 잘게 자르는 방법입니다. 큰 과제는 이 "플라스틱 유래 나프타"를 기존의 산업용 오븐을 망가뜨리거나 손해를 보지 않고 교체하여 넣을 수 있는지 알아내는 것입니다.

쓰레기를 보물로 바꾸는 법: 개조 레시피

델라웨어 대학교와 사우디 기본 산업 공사(SABIC) 연구진이 이끄는 이 논문은, 이 "플라스틱 유래 나프타"를 가져와 오늘날 존재하는 거대한 스팀 크래커에 공급할 수 있는지에 대한 문제를 다룹니다. 완전히 새로운 공장을 처음부터 짓는 것(비싸고 느린 일) 대신, 연구팀은 "기존의 것을 약간 수정할 수 있을까?"라고 물었습니다. 그들은 이를 "레트로피팅(retrofitting, 개조)"이라고 부릅니다.

이것을 가족이 오래된 주방에서 새로운 실험적인 수프를 요리하려는 상황에 비유해 보세요. 그들은 수십 년 동안 전통적인 채소(석유 기반 나프타)로 수프를 만들기 위해 사용해 온 거대한 냄비(스팀 크래커)를 가지고 있습니다. 이제 그들은 새로운 재료, 즉 재활용 플라스틱으로 만든 퓨레를 추가하고 싶어 합니다. 걱정되는 점은 이 새로운 퓨레가 너무 걸쭉하거나, 너무 묽거나, 혹은 맛이 이상해서 수프를 태우거나 냄비를 깨뜨릴 수도 있다는 것입니다.

연구진은 이 아이디어를 테스트하기 위해 강력한 컴퓨터 시뮬레이션 조합을 사용했습니다. 그들은 단순히 추측한 것이 아니라, 실제 화학 공장의 디지털 트윈을 구축했습니다. 그들은 플라스틱 유래 나프타가 열을 만났을 때 어떤 일이 일어나는지 보기 위해 미세 운동학적 모델링(microkinetic modeling)(분자가 어떻게 분해되는지 정확히 예측하는 매우 상세한 레시피 북)을 사용했습니다. 그런 다음, 이 새로운 수프가 실제로 돈을 아껴줄지 아니면 엄청난 비용을 들게 할지 확인하기 위해 기술 경제성 분석(techno-economic analysis)(세련된 방식의 비용 대비 편익 스프레드시트)을 실행했습니다.

놀라운 발견: 가격만이 전부가 아니다

연구팀은 플라스틱 나프타를 기존 오븐에 그냥 들이붓는 것이 최선이 아니라는 것을 발견했습니다. 플라스로 유래한 나프타는 거의 전적으로 직선형 사슬(파라핀)로 구성되어 있는 반면, 석유 나프타는 다양한 형태가 섞여 있어 열 아래에서 다르게 행동하기 때문입니다. 이 둘을 같은 냄비에 섞으면 결과는 괜찮긴 하지만 아주 훌륭하지는 않습니다.

하지만 이 논문은 판도를 바꿀 수 있는 "최상의 시나리오"를 제안합니다. 플라스틱 나프타에 약간 더 높은 온도와 더 빠른 조리 시간을 설정한 자신만의 특별한 버너를 제공한다고 상상해 보세요. 연구진이 이 전용 가열로(dedicated furnace) 접근 방식을 시뮬레이션했을 때, 결과는 인상적이었습니다. 플라스릭 유래 나프타는 전통적인 석유 나프타보다 훨씬 더 많은 가치 있는 빌딩 블록(에틸렌 및 프로필렌)을 분해해 냈습니다.

하지만 여기에는 함정이 있습니다. 플라스틱에서 나프타를 만드는 것은 현재 석유 나프타를 사는 것보다 더 비쌉니다. 논문은 이것이 성공하려면 플라스틱 쓰레기가 쉽고 저렴하게 모을 수 있는 곳, 즉 인구 밀도가 높은 도시에서 수집되어야 한다고 보여줍니다. 연구진은 인구 밀도를 쓰레기 수거의 용이성을 나타내는 대리 지표로 사용했습니다. 사람들이 밀집해 사는 뉴저지나 뉴욕 같은 도시에서는 플라스틱을 수집하고 분류하는 비용이 낮습니다. 외딴 지역에서는 너무 비쌉니다.

시뮬레이션은 "스위트 스팟(최적의 지점)"을 밝혀냈습니다. 만약 번화한 도시에서 플라스틱을 조달하여 전용 고온 가열로에 공급한다면, 전통적인 석유를 사용하는 것보다 최종 플라스틱 빌딩 블록의 비용을 약 톤당 100달러(약 7.2% 감소) 정도 낮출 수 있습니다. 이는 플라스틱 나프타가 석유 나프타보다 더 비싸더라도, 수집 물류가 효율적이라면 플라스틱-투-케미컬 경로가 수익을 낼 수 있음을 의미합니다.

완벽한 레시피: 균형이 핵심이다

이 연구의 가장 유쾌하고 영리한 부분 중 하나는 **능동 학습(active learning)**이라는 기법을 사용한 것입니다. 당신이 수프에 넣을 완벽한 향신료 배합을 찾으려는 요리사라고 상상해 보세요. 세상의 모든 조합을 일일이 맛보는 대신, 당신은 어떤 배합이 맛볼 가치가 있는지 추측하는 스마트한 알고리즘을 사용합니다. 연구진은 이를 사용하여 플라스틱 나프타의 이상적인 "모양"을 찾아냈습니다.

그들은 최고의 플라스틱 나프타가 반드시 가장 많은 빌딩 블록을 만드는 것이 아니라는 것을 발견했습니다. 대신, 승자는 균형을 잡는 배합입니다. 그것은 좋은 올레핀을 만들 만큼 가벼워야 하면서도, 동시에 BTX(벤젠, 톨루엔, 자일렌 - 다른 화학 물질에 사용됨) 및 연료 가스와 같은 가치 있는 부산물을 생산할 만큼 무거워야 합니다. 시뮬레이션은 평균 탄소 수가 11 정도이며 약간의 다양성을 가진 특정 탄소 사슬 길이의 혼합물이 가장 많은 돈을 창출한다고 제안했습니다. 이 "균형 잡힌" 혼합물은 또한 "코크(coke)"(오븐을 막는 끈적한 타르 같은 찌꺼기)를 덜 생성하므로, 공장이 청소를 위해 가동을 중단할 필요 없이 더 오래 가동될 수 있습니다.

이것이 미래에 의미하는 바

논문은 기존 공장을 개조하는 것이 가장 현명한 길이라고 결론짓습니다. 플라스틱 폐기물만을 위한 새로운 공장을 짓는 것은 수억 달러의 추가 비용이 들고 회수하는 데 수십 년이 걸릴 수 있습니다. 이미 가지고 있는 것을 약간 수정함으로써, 우리는 오늘 바로 "순환형" 플라스틱을 만들 수 있습니다.

하지만 저자들은 이것이 해결된 문제라고 단정 짓지는 않습니다. 그들은 자신들의 수치가 시뮬레이션과 번화한 도시에서의 플라스틱 수거 비용에 대한 특정 가정에 기반하고 있다는 점을 지적합니다. 현실 세계에서는 운송 비용, 플라스틱 베일의 품질, 그리고 불순물(염소나 금속 등)의 존재 여부가 계산을 바꿀 수 있습니다. 그들은 이러한 개조 작업을 수행하기 전에, 새로운 "오븐"을 기쁘게 유지할 수 있도록 플라스틱이 충분히 잘 분류되어 있는지 확인해야 한다고 제안합니다.

궁극적으로 이 연구는 희망적인 로드맵을 제시합니다. 우리는 우리의 플라스틱 문제를 해결하기 위해 기적 같은 기술을 기다릴 필요가 없습니다. 우리는 단지 기존의 산업적 거인들에게 어떻게 먹이를 줄지에 대해 조금 더 똑똑해질 필요가 있을 뿐입니다. 우리의 도시에서 나온 쓰레기를 미래를 위한 연료로, 한 번에 하나의 개조된 가열로를 통해 바꾸는 것입니다.