리그닌에서 탄소 구조체 및 나일론 전구체 화합물을 얻는 과정. 울산과학기술원 제공울산과학기술원(UNIST) 연구진이 종이를 만드는 과정에서 나오는 찌꺼기를 활용해 나일론 원료를 제조하는 촉매 공정을 개발했다.
UNIST는 에너지화학공학과 안광진·김용환 교수 연구팀이 산업 공정에서 배출된 부산물인 '리그닌'(Lignin)에서 탄소 화합물과 방향족 화합물을 추출해 나일론 섬유의 원료인 '카프로락탐'(Caprolactam)과 '아디프산'(Adipic acid)을 제조하는 촉매 공정을 개발했다고 19일 밝혔다.
해당 공정은 '리그닌을 이용한 고분자 단량체의 제조 방법'이라는 이름으로 특허 출원됐다.
리그닌은 목재의 15~35%를 구성하는 성분으로, 종이를 만드는 펄프 공정이나 바이오 연료 생산 시 나오는 부산물이다. 유용한 방향족 물질이 많고 산업적으로 배출되는 양도 상당해 제지회사에서 배출된 리그닌은 전량 회수돼 전력과 스팀 공급원으로 이용되기도 한다. 하지만 산업 공정에서 나오는 리그닌에는 다량의 오염물질이 포함돼 있고, 구조도 복잡해 다른 물질로 쉽게 전환하기 어려워 고부가가치 활용에는 한계가 있었다.
이에 연구팀은 리그닌에 수열 반응(섭씨 100도, 1기압 이상 고온·고압의 물이 관여하는 반응)을 적용해 수용성 유분, 탄소 분말, 리그닌 오일 등 서로 다른 성분을 분리해냈다. 이 중 수용성 유분에서는 나일론 원료로 전환할 기초 물질이 되는 '구아이아콜'(Guaiacol)을 추출했다.
연구팀은 또 탄소 분말과 리그닌 오일로 만든 탄소 구조체에 산화몰리브덴이나 팔라듐을 추가해 반응 촉매를 만들었다. 구아이아콜에 두 촉매를 단계적으로 반응시킨 뒤, 산을 이용한 촉매 반응까지 추가하면 나일론 원료가 만들어진다고 연구팀은 설명했다.
이번에 개발된 공정은 최종 생성물을 얻기까지 여러 단계가 걸리는데, 연구팀은 이 부분을 개선해 산업에 적용할 수 있는 후속 연구를 추진하고 있다.
안광진 교수는 "산업 공정에서 배출되는 폐기물은 골칫덩어리일 수밖에 없는데 이를 재처리해 고부가가치를 갖도록 원료화하는 기술을 개발한 것"이라며 "앞으로 촉매 효율을 높이고 분리 공정을 고도화해 실험실 단위의 성과를 산업적으로 구현할 수 있도록 할 것"이라고 밝혔다.
연구 결과는 촉매, 화학공학 분야 국제 학술지인 '촉매과학 및 기술'(Catalysis Science & Technology) 6월호 뒤표지 논문으로도 선정됐다. 연구 수행은 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 '기후변화대응기술개발사업'과 그 후속 과제인 '기후·환경연구개발사업'의 지원을 받아 이뤄졌다.