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화학연, 이산화탄소·부생가스로 고급 화학물질 '알파올레핀' 만드는 공정개발
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화학연, 이산화탄소·부생가스로 고급 화학물질 '알파올레핀' 만드는 공정개발
  • 김민철 기자
  • 승인 2020.11.03 12:47
  • 댓글 0
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고부가 화학물질 ‘알파올레핀’ 만드는 신개념 촉매 공정 기술 개발
화학연 김용태 박사팀, '미국 화학회 촉매지' 9월호 게재
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 개수별로 분리 후 활용될 수 있다. /한국화학연구원

한국화학연구원이 버려지는 이산화탄소와 산업 부생가스로부터 고부가가치 화학물질 '알파올레핀'을 만드는 공정을 개발했다고 3일 밝혔다. 

이번 연구성과는 촉매 부문 최고 권위지 '미국 화학회 촉매지(ACS Catalysis)' 9월호에 게재됐다.

알파올레핀은 세정제나, 화장품, 윤활유, 플라스틱 등을 만드는 데 사용되는 정밀화학원료로 알파올레핀을 첨가해 만든 플라스틱은 일반 플라스틱보다 강도가 높아 특수 플라스틱으로 분류된다. 

알파올레핀을 포함한 윤활유는 부식방지 등의 기능이 좋아 최고급 윤활유로 분류되는데 알파올레핀은 특수 산업에 널리 응용할 수 있어 전 세계 연간 400만톤 수준의 시장규모를 가지고 있다. 

국내 시장 규모도 연간 약 10만 톤에 이른다고 한다. 

연구팀에 따르면 알파올레핀을 만들기 위해서 기존에는 에틸렌을 원료로 하는 까다로운 공정 기술이 필요했다. 

에틸렌을 고순도로 정제해야 하고 비싼 금속이 들어간 촉매를 만들어야 했고, 극소량의 불순물도 반드시 제거해야 했다. 또 해외 기업이 원천기술 및 통합공정 특허를 가지고 있어 알파올레핀은 지금까지 전량 수입에 의존해온 실정이었다. 

화학연 김용태 박사팀이 개발한 새로운 공정기술에 따르면 에틸렌과 비싼 촉매 없이도 저렴한 촉매를 활용해 알파올레핀을 만들 수 있게 된다.

또한 이 공정 기술은 버려지는 온실가스를 원료로 활용할 수 있다는 장점과 반응의 결과물로 온실가스가 배출되지 않는다고 한다. 

알칼리 금속의 추가에 따라서 CO와 CO2 가 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. //한국화학연구원

기존 공정보다 원료가 약 4배 정도 저렴하고, 철광석으로 촉매를 제조할 수 있다. 

또한 연구팀은 산업 부생가스가 일산화탄소, 수소, 메탄의 조성이 상황에 따라 다르게 배출되는데 가스가 어떤 비율로 조성되어있든 간에 알파올레핀이 생산될 수 있도록 촉매를 최적화했다고 설명했다. 

핵심 기술은 철광석을 원료로 한 촉매 제조 기술이며 이산화탄소가 화학반응을 거쳐 일산화탄소가 되는 과정, 일산화탄소가 또다른 화학반응을 거쳐 알파올레핀이 되는 과정 두 가지다.

개발된 철-산화아연 촉매. 이 고체촉매를 사용하면 촉매는 부생가스와 CO2 동시전환을 수행할 수 있다. 산화철과 탄화철이 고르게 산화아연 지지체 표면에 분포되어 있다. /한국화학연구원

양선규 연구원(논문1저자)은 “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.”고 말했다.

김용태 박사는 “개발 공정은 온실가스인 이산화탄소와 산업 부생가스를 모두 활용해서 국내 온실가스 저감에 큰 도움이 될 것"이라며 "향후 상용화되면 온실가스 감축과 수입대체 효과를 모두 달성할 수 있을 것으로 기대된다. 내년까지 미니 파일럿 운전을 통해 일당 1kg 알파올레핀 생산을 검증할 계획”이라고 밝혔다. 



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