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한국화학연구원, 온실가스 이산화탄소와 버려지는 부생가스로부터 고급 화학물질 만드는 공정 개발

작성자 : 편집부 2020-11-22 | 조회 : 1734

- 온실가스를 활용해서, 온실가스 배출을 하지 않고도 고부가 화학물질 ‘알파올레핀’ 만드는 신개념 촉매 공정 기술 개발

- 화학연 김용태 박사팀, 『미국 화학회 촉매지(ACS Catalysis), IF:12.35』 9월호 게재

버려지는 이산화탄소와 산업 부생가스*로부터 고부가가치 화학물질인 ‘알파올레핀’을 만드는 촉매 공정 기술이 개발됐다. 본 기술은 온실가스를 배출하지 않는다.

* 산업 부생가스: 석유화학산업과 철강산업에서 부생으로 발생하는 가스로 일산화탄소(CO), 메탄(CH4), 수소(H2) 등을 포함하고 있다. 부생가스를 태울 경우 이산화탄소가 발생하기 때문에 잠재적 온실가스다.

알파올레핀은 세정제, 윤활유, 화장품, 플라스틱 등을 만드는 데 쓰이는 정밀화학원료다. 알파올레핀을 첨가해 만든 플라스틱은 일반 플라스틱보다 강도가 높아 특수 플라스틱으로 분류되고, 알파올레핀 포함 윤활유는 부식방지 등의 기능이 좋아 최고급 윤활유로 분류된다.

이에 알파올레핀은 특수 산업에 널리 응용될 수 있어서 전 세계 연간 400만 톤 수준의 시장규모를 가지고 있다. 이중 우리나라 시장규모도 연간 약 10만 톤에 이른다.

기존에 알파올레핀을 만들기 위해서는 에틸렌*을 원료로 하는 까다로운 공정 기술이 필요했다. 석유의 나프타 분해 또는 셰일가스의 에탄 분해를 통해 얻은 에틸렌을 고순도로 정제해야 하고 비싼 금속이 들어간 촉매를 만들어야 하며, 극소량의 불순물도 반드시 제거해야 했다. 게다가, 해외 기업이 원천기술 및 통합공정 특허를 가지고 있어 알파올레핀은 지금까지 전량 수입에 의존해왔다.

* 합성 고분자인 폴리에틸렌의 원료로 세계에서 가장 많이 생산되는 유기화합물로 알려져 있다(출처: 네이버백과)

한국화학연구원 김용태 박사팀은 에틸렌과 비싼 촉매 없이도, 온실가스인 이산화탄소와 버려지는 산업 부생가스, 그리고 저렴한 촉매를 활용해서 알파올레핀을 만드는 새로운 촉매 공정 기술을 개발했다.

이산화탄소는 대표적 온실가스다. 파리 기후변화협약에 따라 2030년 우리나라 온실가스 감축 목표는 약 314.7 백만 톤이다. 온실가스 감축을 위해 지금까지는 주로 이산화탄소를 포집·저장하는 기술 또는 산업 공정의 효율화를 높이는 기술 등이 개발되어왔는데, 이산화탄소를 자원으로 활용하는 기술의 중요성이 점점 커지고 있다.

주요연구 결과

알칼리 금속의 추가에 따라서 CO와 CO2가 전환되는 반응성을 나타냈다. 철-아연 촉매에 첨가제로 나트륨을 넣은 경우,

CO와 CO2가 알파-올레핀으로 전환되지만, 전통적으로 사용되던 첨가제인 칼륨을 넣은 경우, 표면의 탄소층 형성 때문에

반응성이 낮아져 CO2가 CO로만 전환된다.

개발된 공정 기술은 버려지는 온실가스를 원료로 활용할 수 있다는 장점뿐만 아니라, 반응의 결과물로 온실가스가 배출되지 않는다는 장점이 있다. 기존 알파올레핀 제조 공정은 이산화탄소가 배출된다.

경제적 효과도 크다. 기존 공정은 에틸렌을 이용하는 반면, 새로 개발된 공정에서는 이산화탄소와 버려지는 부생가스를 사용하기 때문에 원료가 약 4배 정도 저렴하다.* 또한, 기존 공정에서는 비싼 금속이 들어간 촉매를 쓰는데, 본 공정 기술에서는 저렴한 철광석으로 촉매를 제조할 수 있다.

* 철강·석유화학산업의 부생가스는 질이 낮아 통상 다른 용도로 매매하지 않고 철강·석유화학 산업에 필요한 열원으로 다시 사용하는데, 이 열량의 가치를 추정하면 1톤당 295달러 정도다. 이 추정 가치인 295달러는 에틸렌 가격(1톤당 1,136달러)보다 약 4배 정도 저렴하다.

반응 생성물 사진

부생가스와 CO2 동시전환을 통해 얻어진 액체 생성물. 유기상과 수상(물)으로 분리된 것을 확인할 수 있다. 전체 생성물을 분석하였을 때 알파올레핀의 선택도가 약 52%임을 확인할 수 있음(전체 생성물 중 52% 정도가 알파올레핀). 생성물의 탄소수가 증가될수록 선택도가 점차 감소하는 것을 확인할 수 있다. 제품은 각 용도에 맞게 탄소 개수 별로 분리 후 활용될 수 있다.

더불어, 산업 부생가스는 일산화탄소, 메탄, 수소의 조성이 상황에 다르게 배출되는데, 가스가 어떤 비율로 조성되어있든 상관없이 알파올레핀이 생산될 수 있도록 촉매를 최적화했다.

본 공정의 핵심 기술은 철광석을 원료로 한 촉매 제조 기술이다. 공정의 화학반응을 단순화하면 크게, 이산화탄소가 화학반응을 거쳐 일산화탄소가 되는 과정, 일산화탄소가 또다른 화학반응을 거쳐 알파올레핀이 되는 과정 두 가지다.

이산화탄소에서 일산화탄소가 만들어지는 첫 번째 과정에는 산화철이 촉매로 쓰이고, 일산화탄소에서 알파올레핀이 만들어지는 두번째 과정에는 탄화철(철에 탄소가 결합한 물질)이 촉매로 쓰인다.

촉매 사진

개발된 철-산화아연 촉매. 이 고체촉매를 사용하면 촉매는 부생가스와 CO2 동시전환을 수행할 수 있다.

산화철과 탄화철이 고르게 산화아연 지지체 표면에 분포되어 있다.

연구팀은 공정의 효율화를 위해 두 과정을 한 시스템 안에서 일어날 수 있도록 한 촉매에 산화철과 탄화철을 모두 포함시켰다. 지지체 물질인 산화아연의 표면에, 산화철과 탄화철이 균일하게 들어갈 수 있도록 촉매를 만든 것이다.

첫 번째 반응이 일어날 때는 촉매의 산화철 부분이 반응에 관여하고, 두 번째 반응이 일어날 때는 탄화철 부분이 반응에 관여한다. 따라서 산화철과 탄화철을 고르게 지지체 표면에 분포시키는 게 관건인데 연구팀은 나트륨을 첨가제로 써서 가능하게 했다.

촉매 표면 확대 사진

촉매 표면에 존재하는 철 입자. 나트륨 첨가 시 철 산화물(철과 산소 결합)과

철 탄화물(철과 탄소 결합)이 고루 분포되어 알파올레핀 생산 반응성을 높일

수 있으나, 전통적인 방법인 칼륨 첨가 시 탄소가 철 입자를

코팅하여 반응성을 저해한다.

연구책임자 김용태 박사는 “개발 공정은 온실가스인 이산화탄소와 산업 부생가스를 모두 활용해서 국내 온실가스 저감에 큰 도움이 될 것이다. 향후 상용화되면 온실가스 감축과 수입대체 효과를 모두 달성할 수 있을 것으로 기대된다. 내년까지 미니 파일럿 운전을 통해 일당 1kg 알파올레핀 생산을 검증할 계획이다”라고 말했다.

논문 1 저자인 양선규 연구원은 “지금까지 알파올레핀을 만드는 공정 연구는 대부분 일산화탄소에서 알파올레핀을 만드는 두 번째 반응에 치중되어 있었다. 이산화탄소를 전환해서 알파올레핀을 만드는 연구는 정교하게 진행되지 않았다. 이번 연구는 이산화탄소를 처리해야 하는 기업에게 방향성을 제시할 것이다”라고 말했다.

이번 연구성과는 그 우수성을 인정받아 촉매 부문 최고 권위지인 『미국 화학회 촉매지(ACS Catalysis), IF:12.35』 9월호에 게재됐으며, 과학기술정보통신부 한국연구재단 차세대 탄소자원화 연구단의 지원을 받아 수행됐다.

< 연구자 적사항 >