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화학연, 이산화탄소를 휘발유로 직접 전환하는 ‘촉매기술’ 개발

- 계산과학 이용 직접전환 반응 메커니즘 규명… 촉매 최적화 성공- 온실가스감축 분야 권위지 『Journal of CO2 Utilization』 12월호 게재우리나라가 2030년까지 온실가스 배출 전망치 대비 37%를 감축해야 하는 가운데, 국내 연구진이 이산화탄소를 휘발유로 전환하는 촉매 제조기술을 개발했다.한국화학연구원 탄소자원화연구소 전기원·김석기 박사팀은 온실가스의 주범인 이산화탄소를 휘발유로 직접 전환하는 반응 메커니즘을 밝히고, 전환공정의 핵심인 촉매를 최적화하는 데 성공했다. 직접전환은 두 단계로 나눠진 간접전환을 단일한 공정으로 통합한 기술이다. 간접전환 반응이 800℃ 고온에서 진행되는 반면, 직접전환 반응은 300℃ 저온에서 진행돼 에너지를 적게 쓴다. 즉, 에너지 효율이 높은 것이다. 이처럼 직접전환의 에너지 효율이 높은데도, 그 반응 메커니즘이 베일에 가려져 있던 탓에 촉매의 성능을 최적화하는 데 한계가 있었다. 한국화학연구원 연구진은 계산과학을 이용해 직접전환 반응에 쓰이는 촉매의 성분별 역할을 규명하고, 이를 바탕으로 촉매의 성능을 최적화했다. 직접전환 반응에는 철 기반의 철·구리·칼륨 촉매가 쓰이는데, 구리와 칼륨의 역할을 밝혀낸 것이다. 연구진은 구리가 이산화탄소(CO2)를 CO와 O로 쪼개고 철 표면에 흡착된 산소를 제거하는 반응을 촉진하고, 칼륨이 일산화탄소(CO)끼리 연쇄적으로 붙어서 휘발유로 전환되는 반응을 도와준다는 것을 알아냈다. 또한, 직접전환 반응 공정에 칼륨을 첨가할 경우, 철과 구리의 합금 형성을 촉진해 안정성을 높인다는 사실도 실험을 통해 확인했다. 이를 통해 철 기반 촉매에 들어가는 구리와 칼륨의 적절한 양을 알아내고, 최적화된 촉매를 개발했다. 그 결과 20%의 안정적인 수율(이산화탄소의 휘발유 전환율)을 확보했다. 이에 대해 한국화학연구원 전기원 박사는 “간접전환 방식보다 효율적인 직접전환 공정 개발에 큰 도움을 줄 것”이라며, “이번에 개발된 원천기술을 바탕으로 파일럿 플랜트로 규모를 키우는 연구에 힘을 기울이겠다”고 말했다.또한, 직접전환 공정은 800℃ 고온에서 공정이 이뤄지는 간접전환과 비교해 300℃의 저온에서 반응이 진행되어, 전력공급이 안정적이지 못한 환경에서도 가동될 수 있다. 즉, 태양열과 풍력 등 재생에너지를 전환공정의 전력 공급원으로 사용할 수 있는 것이다.이에 대해 한국화학연구원 김석기 박사는 “재생에너지는 자연환경과 계절에 따라 출력량이 변동될 수 있는데, 이번에 개발된 직접전환 공정은 이러한 유동적인 환경에 적합하다”라면서, “최근 보급량이 증가하고 있는 신재생에너지의 저장수단으로도 활용할 수 있다”고 설명했다.한국화학연구원 연구진은 이 같은 내용을 온실가스저감 분야 최고 권위지인 『Journal of CO2 Utilization (IF: 5.189)』* 12월호에 게재했다. * 『Journal of CO2 Utilization』: 온실가스 저감 분야 저널로, 화학공학 분야 138개 저널 중 11위에 이름을 올렸다.또 이번 연구는 과학기술정보통신부의 기후변화대응기술개발사업의 일환인 차세대탄소자원화연구단의 지원을 받아 수행됐다.
이용우 2020-01-02
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화학연, 바이오화학산업의 쌀 ‘바이오슈가’ 제조기술 개발

- 국내 최초로 시험용 공장서 ‘바이오슈가+고부가가치 부산물’ 생산 성공- 바이오플라스틱·식품첨가물·정밀화학제품 등 바이오화학 기초 원료로 사용한국화학연구원 미래융합화학연구본부 바이오화학연구센터 유주현 박사 연구진한국화학연구원 연구진이 파일럿 플랜트의 연속고압 반응기를 들여다보고 있다.국내에서 처음으로 바이오화학산업의 쌀 ‘바이오슈가’를 고부가가치 부산물과 함께 대량 생산할 수 있는 기술이 개발됐다. 한국화학연구원 바이오화학연구센터 유주현 박사팀은 바이오슈가와 고부가가치의 부산물을 시험용 공장(파일럿 플랜트)에서 생산하는 데 성공했다. 바이오슈가는 억새 등 식물 바이오매스로 만든 공업용 포도당으로, 바이오화학 제품의 기초 원료이다. 바이오연료, 바이오플라스틱, 바이오섬유, 바이오포장재뿐 아니라 식품, 식품첨가물, 정밀화학제품 등을 만드는 데 쓰인다. 이번에 개발된 기술은 화공약품 없이 물을 주로 사용하는 공정으로, 비용이 많이 드는 정제공정이 없고 폐기물이 발생하지 않는 데다, 고부가가치의 부산물도 얻을 수 있어 경제성이 높다. 현재 상용화에 성공한 기업은 미국의 아메리칸 프로세스와 영국의 코멧바이오 등 극소수에 불과한데, 한국화학연구원이 이들에 이어 시험용 생산에 성공하고, 상용화를 남겨 두고 있는 것이다. 이로써 최근 빠른 속도로 성장하는 바이오화학시장 선점을 위한 유리한 고지에 올라섰다.바이오슈가를 기초 원료로 하는 바이오화학산업 흐름도비식용 식물 바이오매스 원료 바이오슈가 제조공정 모식도바이오슈가 및 부산물 견본한국화학연구원 연구진은 억새풀과 팜 공과방(empty fruit bunch of oil palm) 등 식물 바이오매스로부터 바이오슈가와 고부가가치의 부산물을 생산하는 종합공정기술(KrictBiosugarⓇ Process)을 개발했다.우선, 억새풀을 잘게 부숴 곤죽을 만든 후 눌러서 짜낸다. 이 같은 습식분쇄 및 압착공정을 거쳐 첫 번째 부산물인 액상 비료와 생리활성물질을 얻는다. 이후 액체와 분리된 고체만 고온·고압에서 찌면 두 번째 부산물인 자일로스와 식이섬유를 얻을 수 있다. 이어 기계적 정쇄 및 효소 가수분해 공정을 통해 포도당을 추출하고 당용액을 분리한다. 이때 세 번째 부산물인 리그닌 함유물이 고체로 얻어진다. 끝으로 당용액을 에너지 절약형 공정으로 농축하면 바이오슈가(공업용 포도당)가 나온다. 이를 통해 1일 기준으로 바이오슈가 70㎏(포도당 기준)과 고부가가치 부산물(액상 비료 200L, 자일로스·식이섬유 200L, 리그닌 50㎏) 등 바이오화학제품 기초 원료를 생산할 수 있다. 단일 공정으로 바이오슈가 이외에도 다양한 고부가가치 부산물을 생산할 수 있어, 현재 상용화에 성공한 외국기업보다 경제성이 높다. 이에 비해 아메리칸 프로세스는 가축 사료용 펠릿 접착제, 코멧바이오는 기능성 식용당을 생산하고 있다.이와 같이 경제성이 높은 건 제조공정에서 공업용 화학물질을 거의 쓰지 않고 물만 사용하기 때문이다. 고온·고압 반응에 물만 사용하고 공정 조건을 조절하면 바이오매스의 화학적 변형은 거의 일어나지 않는다. 이에 따라 바이오매스를 성분별로 고부가가치의 부산물로 분리할 수 있다. 실제 부산물의 하나인 식이섬유는 중간제품 가격이 바이오슈가보다 50배 정도 높을 것으로 추정된다. 이에 반해 염산과 황산 등 화공 약품을 사용하여 바이오슈가를 제조하는 기술은 특수한 반응기 등 초기투자비가 많을 뿐만 아니라 독성물질 제거와 폐기물 처리에 비용이 많이 들게 된다.한국화학연구원 유주현 박사는 “화공 약품을 사용하여 바이오슈가를 만드는 공정은 또한 고부가가치 부산물이 거의 나오지 않아 수익성에 문제가 있을 수 있다”면서, “이에 비해 우리 기술은 고부가가치 부산물 생산이 가능하고 정제 비용이 들지 않아 상용화가 가능할 것으로 확신한다”고 설명했다.전 세계 바이오화학 제품 시장규모*는 2017년 기준 약 3,490억 달러이며, 2022년에는 화학산업의 22%, 2050년에는 절반을 차지할 것으로 전망되고 있다. 바이오슈가 시장은 바이오화학 시장의 10% 이상을 차지하게 될 것으로 예상된다.* 출처: 프로스트&설리번, 한국바이오경제연구센터 현재 한국화학연구원 연구진은 목질계 바이오매스로부터 바이오슈가를 제조하는 방법 등 27건의 등록 및 출원 특허를 보유하고 있다. 한편, 이번 연구는 산업통상자원부와 한국산업기술평가관리원, 울산광역시의 지원을 받아 수행됐다.
편집부 2019-12-14
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기계연, 생분해성 키토산 성분으로 친환경 나노코팅에 성공

- 게 껍데기 키토산으로 자가 세정 반사방지 유리 제작- 생분해성 소재로 환경위험 줄이는 나노 공정 길 열려한국기계연구원(이하 기계연, 원장 박천홍)이 생분해성 키토산을 이용한 나노입자 코팅공정으로 자기 세정과 반사방지 기능을 갖는 유리를 만드는 데 성공했다. 생분해성 소재를 나노 공정에 사용한 첫 사례다. 최근 독성 문제가 불거지고 있는 미세플라스틱 폐기물 나노입자를 발생시키지 않고, 안전하게 활용할 수 있는 길이 열렸다.기계연 나노융합기계연구본부 나노자연모사연구실 임현의 실장과 박승철 박사 연구팀은 게 껍데기의 주성분인 키토산을 이용한 친환경 나노코팅 공정을 개발하고 관련 연구성과를 ACS Applied Materials & Interfaces(ACS 응용물질 및 계면) 지에 게재*했다. (10월 30일 자)* 논문명: Synthesis of Surface-Reinforced Biodegradable Chitosan Nanoparticles and Their Application in Nanostructured Antireflective and Self-Cleaning Surfaces게 껍데기를 이용한 친환경 나노 공정과 일반적인 고분자 나노입자를 사용하는 공정의 비교연구팀은 유리 표면에 자기 세정과 반사방지 기능을 갖는 나노 구조를 가공하기 위해 기존 나노 공정에 폴리스티렌 나노입자 대신 생분해성 키토산을 이용했다. 이번에 개발된 공정은 친환경 소재를 이용하여 기존의 나노 공정에서 발생하던 미세플라스틱 폐기물이 없다는 것이 가장 큰 장점이다.환경문제에 대한 관심이 커지면서 기존의 가공 공정을 친환경 공정으로 개선하기 위한 다양한 연구가 펼쳐지고 있지만, 생분해성 소재의 경우 물성이 취약해 가공 공정에 활용하기 어려웠다.실온 보관 시 시간의 변화에 따른 키토산 나노입자의 변화를 전자현미경으로 촬영한 사진, 특정 구조로 형성되어 있던 키토산 나노입자가 30일 후 분해된 것을 볼 수 있다.연구팀은 기존의 나노입자 코팅에 주로 사용되는 폴리스틸렌 대신 생분해성 소재인 키토산 성분을 나노 가공 공정에 사용할 수 있도록 나노입자로 만들고 표면처리 하여 물성을 강화시켰다.키토산 입자를 식품이나 약물 전달을 위해 활용한 사례는 있지만, 나노 공정에 활용한 것은 처음이다. 이번 연구성과는 고분자 나노입자가 활용되는 다양한 공정에 적용이 가능할 것으로 기대를 모은다.일반 유리와 키토산 성분으로 만든 나노입자를 가공한 자기 세정 유리의 물흐름을 비교한 실험장면. 왼쪽의 일반 유리는 유리의 접촉각이 23도로 물을 뿌렸을 때 물방울이 퍼져서 맺히지만, 오른쪽의 자기 세정 유리는 152도의 접촉각이 형성돼 물이 맺히지 않고 흘러 떨어진다.지금까지 표면에 나노 구조물을 만들기 위해 값싸고 구형으로 합성이 쉬운 폴리스티렌 고분자가 사용되어 왔다. 이 과정에서 다량의 플라스틱 나노입자가 포함된 용액이 버려져 환경에 영향을 줄 수 있다는 우려가 제기되어 왔다.교신저자인 임현의 박사와 1저자인 박승철 박사나노자연모사연구실 임현의 실장은 “이번 연구성과는 나노 플라스틱 입자의 사용을 줄이기 위하여 세계 최초의 친환경 나노 공정의 가능성을 제시한 데 의의가 있다”며, “향후 고분자 나노입자를 필요로 하는 다양한 공정에 활용될 것으로 기대된다”고 말했다.한편 이번 연구는 국가과학기술연구회 융합연구사업 ‘테플론 대체 고온 내구성 초발수 표면 설계 및 공정 기술 선행 연구’와 산업통상자원부 ‘도심형 건물용 태양광 모듈 개발을 위한 자가 세정 기능의 고부가가치 컬러유리 개발’과제의 지원을 받아 수행됐다. 
편집부 2019-12-14
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우리 생활에 없어서는 안될 유용한 플라스틱 제품을 만드는 사출성형기 이야기 17

자료제공: LS엠트론 기술교육아카데미 (http://lsmtronacademy.com)
취재부 2019-12-08
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고분자 발포기술 동향 2

자료제공: 소재종합솔루션센터(www.matcenter.org), 화학소재정보은행(www.cmib.org) 지식정보 심층보고서
취재부 2019-12-08
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우리 생활에 없어서는 안될 유용한 플라스틱 제품을 만드는 사출성형기 이야기 16

자료제공: LS엠트론 기술교육아카데미  (http://lsmtronacademy.com)
편집부 2019-11-10
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고분자 발포기술 동향 1

자료제공: 소재종합솔루션센터(www.matcenter.org), 화학소재정보은행(www.cmib.org) 지식정보 심층보고서
편집부 2019-11-10
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‘링링’ 이어 '타파'… 연이은 태풍 등 급격한 기후변화로 해안침식 문제 심각, 친환경 솔루션에서 해

-  급격한 기후변화로 발생하는 이상기후 현상이 세계 곳곳에서 해수면 상승 및 해안침식을 가속하며    삶의 터전까지 위협-  해안침식 방지는 물론, 건강한 해양 생태계 형성을 돕는 등 다양하고 혁신적인    친환경 해안 보호 솔루션들이 지속 가능한 대안으로 주목받아 최근 제13호 태풍 ‘링링’에 이어 많은 비와 강한 바람을 동반한 제17호 태풍 ‘타파’까지 연이은 태풍의 위력으로 인근 시설물 파손은 물론, 농작물 및 수십 명의 인명 피해 등이 발생했다. 지난 10년 사이 더욱 심해진 이상기후 현상은 해수면의 급격한 상승 및 해안침식의 가속화를 야기하며 해안가 삶의 터전까지 심각하게 위협하고 있는 실정이다.현재까지는 이와 같은 해안침식을 방지하기 위해서 콘크리트 방파제를 활용하는 등 해안의 모래 퇴적을 유도하는 방식이 많이 사용되어 왔다. 그러나 기존 방식들이 효과성, 안전성 및 지속성 차원에서 문제 제기를 받을 뿐만 아니라, 환경보호에 대한 사회적 의식을 충분히 반영하지 못해 이를 보완할 대안 중 하나로 다양한 국내외 친환경 해안 보호 솔루션이 주목 받고 있다. 폴리우레탄 기반 친환경 해안 보호 솔루션 – 바스프의 엘라스코스트(Elastocoast®) 해안 및 하천 주변 자연 제방의 침식을 막기 위한 구조물에 사용되는 글로벌 화학기업 바스프의 엘라스토코스트는 특수 개발된 폴리우레탄 접착제로 일반 골재와 혼합되어 해안에 적용되어 지속 가능한 해안 보호가 가능하다. 기존의 콘크리트 혹은 타르로 포장된 해안선에 비해 상대적으로 적은 양의 바인더를 사용하면서도 골재 사이에 많은 공극을 가진 거친 표면에서 비롯된 우수한 투과성과 다공성을 기반으로 파도의 충격 에너지를 효과적으로 흡수해 파도가 높아도 구조물이 보다 안정적이고 유연하게 견딜 수 있도록 도와준다. 뿐만 아니라 엘라스토코스트는 식물성 원료를 사용하여 친환경성을 극대화했으며, 어떠한 유해물질 방출도 없어 해양 생태계에 영향을 미치지 않아 동식물이 안정적으로 서식할 수 있는 환경을 제공한다. 인체에도 해가 없어 음용수 시설물에도 적용 가능하다는 인증서를 획득하여 환경친화적인 솔루션으로 자리 잡고 있다. 이 같은 환경적 및 경제적 혜택을 제공하는 엘라스토코스트는 세계 곳곳을 비롯하여 국내 해안가에도 여럿 적용되어 있다. 가장 최근에는 다도해 해상국립공원 내 관매도 해안선을 따라 지난 2012년에 이어 추가 적용되어 국내 해안선을 보호, 주변 소나무 숲과 생태계 재서식에 기여하고 있다. 인공 백사장 조성을 활용한 해안 보호 솔루션 – 샌드 모터(sand motor)샌드 모터(sand motor)는 기존 해변가 앞쪽으로 바다 한가운데 인공 백사장을 추가로 조성하여 바람과 파도를 ‘모터’ 삼아 인공 백사장의 모래가 기존 백사장 쪽으로 이동하면서 퇴적되어 기존 해안을 두텁게 만드는 작업으로 해안 보호 및 생태계 형성에 도움을 준다. 2011년 네덜란드의 국책연구기관 델타레스(Deltares)는 해안침식의 대안책으로 ‘Zandmotor’ 라는 명칭 아래 이와 같은 대규모 프로젝트를 처음 시도, 이로 부터 7년 후, 두 백사장은 점차 하나로 합쳐지는 모양을 띠고 있으며 새롭게 조성된 해안의 두께는 기존보다 절반 이상 늘어나 침식 위험에 대응할 수 있을 것이라고 예측되고 있다.이와 같은 샌드 모터는 기존에 모래를 붓는 방식보다 경제적이고 친환경적이다. 초기에 투입되는 모래량도 많고 비용도 많이 들지만, 매년 모래를 붓지 않아도 되고 한 번에 대량으로 모래를 부어 비용 등이 더 저렴할 수 있다는 논리다. 또한, 파도와 바람 등 자연의 힘으로 해안 퇴적을 유도하는 방식인 만큼 새로 생긴 퇴적층 생물들도 기존 식생에 맞게 자랄 수 있는 것으로 보고 있다. 네덜란드에서의 성공을 기반으로 지난 2017년, 영국 노퍽(Norfolk)에서도 대규모 샌드 모터 프로젝트를 진행, 향후 약 15~20년간 해안을 보호해줄 것으 로 예측하고 있다.인공 산호초 설치를 통한 친환경 해안 보호 솔루션 – 코랄 셀(Coral Cell)해변에 직접 적용하는 방안들과 더불어 애초에 바다로부터 오는 파도의 위력을 감소하기 위해 해안에서 떨어진 바닷속에 설치하는 솔루션도 있으며, 이 중 인공 산호초 설치가 친환경성으로 많은 주목을 받고 있다. 실제 호주 골드코스트(Gold Coast)가 해안침식의 위험이 가속화되며 삶의 터전과 공공시설이 위협받는 가운데, 골드코스트 시의 주최로 지난 4월부터 해안 보호를 위한 인공 산호초 구축 프로젝트가 시작되었다. 대형 암석 바위 8톤으로 만들어질 인공 산호초는 주변 파도와 조류에 영향을 미쳐 모래의 이동을 지연시켜 침식의 위험이 가장 심각한 부분에 모래를 보충할 수 있게 만든다.한국에서 역시 이와 같은 솔루션을 눈여겨보고 있다. 해양스타트업 ㈜한오션은 산호초 군락이 있는 해수욕장의 모래가 늘어나고, 심지어 산호초 근처에 섬이 생기는 것에 착안해 인공 산호초를 개발하고 모의실험을 진행, 부산대와 함께 인공 산호초 ‘코랄 셀(Coral Cell)’ 3차원 옥외 실험과 수조 정밀 실험을 동시에 진행해왔다. 친환경 재료로 만들어진 코랄 셀은 수질 오염 요소가 없으며, 1년이 넘게 진행된 실험 결과, 코랄 셀을 설치하면 유실되는 모래의 75%를 막을 수 있는 것으로 나타나 해안침식 방지에 대한 효과성이 입증되었다. 또한, 바다 바닥에 인공블록 설치 후 로프로 묶어 위에 얹는 간단한 설치 방식을 갖고 있어 파손 시 일부분만 교체할 수 있어 유지 관리가 쉽다는 장점을 갖고 있다.   
관리자 2019-11-01