화학연, 온실가스로 고부가 화학물질 만드는 기술 개발

▲개발된 철-산화아연 촉매. 이 고체촉매를 사용하면 촉매는 부생가스와 CO2 동시전환을 수행할 수 있다. 산화철과 탄화철이 고르게 산화아연 지지체 표면에 분포돼 있다. (사진제공=한국화학연구원)

버려지는 이산화탄소와 산업 부생가스에서 고부가가치 화학물질인 ‘알파올레핀’을 만드는 촉매 공정 기술이 개발됐다.

한국화학연구원(KRICT) 김용태 박사팀은 에틸렌과 비싼 촉매 없이도 온실가스인 이산화탄소와 버려지는 산업 부생가스, 저렴한 촉매를 활용해서 알파올레핀을 만드는 새로운 촉매 공정 기술을 개발했다고 3일 밝혔다.

알파올레핀은 세정제, 윤활유, 화장품, 플라스틱 등을 만드는 데 쓰이는 정밀화학원료다. 알파올레핀을 첨가해 만든 플라스틱은 일반 플라스틱보다 강도가 높다. 또 알파올레핀 포함 윤활유는 부식방지 등의 기능이 좋아 최고급 윤활유로 분류된다. 시장규모는 전 섹 연간 400만 톤 수준이며 우리나라 시장규모도 연간 약 10만 톤에 이른다.

기존에 알파올레핀을 만들기 위해서는 에틸렌을 원료로 하는 까다로운 공정 기술이 필요했다. 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.

▲알칼리 금속의 추가에 따라서 CO와 CO2 가 전환되는 반응성을 나타낸다. (사진제공=한국화학연구원)

연구팀은 버려지는 온실가스를 원료로 활용하는 것은 물론 촉매 반응의 결과물로 온실가스가 배출되지 않고 알파올레핀을 만드는 새로운 촉매 공정 기술을 개발했다. 공정의 핵심 기술은 철광석을 원료로 한 촉매 제조 기술이다. 공정의 화학반응은 이산화탄소가 화학반응을 거쳐 일산화탄소가 되는 과정, 일산화탄소가 또다른 화학반응을 거쳐 알파올레핀이 되는 과정 두 가지다.

연구팀은 공정의 효율화를 위해 두 과정을 한 시스템 안에서 일어날 수 있도록 한 촉매에 산화철과 탄화철을 모두 포함했다. 지지체 물질인 산화아연의 표면에, 산화철과 탄화철이 균일하게 들어갈 수 있도록 촉매를 만들었다. 첫 번째 반응이 일어날 때는 촉매의 산화철 부분이 반응에 관여하고, 두 번째 반응이 일어날 때는 탄화철 부분이 반응에 관여한다.

이 공정은 에틸렌 대신 온실가스를 사용하기 때문에 원료가 약 4배가량 저렴하다. 또 저렴한 철광석으로 촉매를 제조할 수 있다. 아울러 산업 부생가스는 일산화탄소, 메탄, 수소의 조성이 상황에 다르게 배출되는데, 가스가 어떤 비율로 조성돼 있든 상관없이 알파올레핀이 생산될 수 있도록 촉매를 최적화했다.

김용태 박사는 “향후 상용화되면 온실가스 감축과 수입대체 효과를 모두 달성할 수 있을 것으로 기대한다”며 “내년까지 미니 파일럿 운전을 통해 일당 1kg 알파올레핀 생산을 검증할 계획”이라고 말했다.