우리 학교 생명화학공학과 최민기 교수 연구팀이 폴리우레탄 생산 공정 중 비용과 폐수 문제를 발생시키던 기존의 염산 촉매를 대체할 수 있는 높은 활성도와 안정성을 가진 LTL 제올라이트 기반 고체 촉매를 개발했다고 지난달 14일 밝혔다.
 

기존 염산 촉매의 문제점

플라스틱의 한 종류인 폴리우레탄은 시장 점유율이 높고 사용되는 양도 많은 만큼 폴리우레탄의 기초 원료인 메틸렌디아닐린이라는 물질의 생산 공정은 몹시 중요하다. 기존에는 이 생산 공정에서 무기산 촉매인 염산이 사용되었는데, 부식성이 강한 염산 촉매를 사용하기 위해서는 내산성이 있는 반응기 및 장비 구축이 필요하다. 뿐만 아니라 염산 촉매를 사용하면 생산물이 나온 이후에도 폐수가 다량 발생되는 중화 공정을 거쳐야만 한다. 이에 반해 연구팀에서 개발한 LTL 제올라이트 기반 고체산 촉매의 경우 내산성을 갖춘 장비가 필요하지 않으며 생산물을 분리하는 중화과정에서 발생하는 폐수의 처리에 필요한 비용은 절감할 수 있다.
 

LTL 제올라이트

제올라이트는 알루미늄, 실리콘, 그리고 산소로 화학적 결합을 통해 생성된 다공성 소재이다. 제올라이트는 단순히 한 가지의 형태를 가진 화합물이 아니라 원소의 비율이나 합성 조건에 따라 그 결정 형태가 천차만별이다. 제올라이트의 이러한 자유로운 기공을 원하는 화합물의 구조에 맞게 디자인할 수 있다면 선택도가 높은, 즉 원하는 반응만 일어나게 할 수 있는 촉매를 만들 수 있게 되는 것이다.

제올라이트 중 LTL이라고 하는 구조는 1차원적 채널 형태의 기공을 가졌다. 메틸렌디아닐린 합성반응에서는 원하는 반응 중간체만 기공 구조에 맞추어 배열하게끔 하여 생성물을 만들도록 유도하는 촉매로써 안성맞춤인 모양이다. 하지만 기존에 LTL 제올라이트를 촉매로써 잘 사용하지 않는 이유는 1차원적 기공 내에서 분자들이 몹시 느리게 이동하여 굉장히 낮은 촉매활성과 빠른 비활성화 양상을 나타내었기 때문이다. 이를 해결하기 위해 최교수 연구팀은 직경이 4 nm인 메조기공을 제올라이트에 추가적으로 도입하여 분자의 기공 내 이동속도를 크게 향상하였으며, 이를 통해 촉매 활성과 비활성화 문제를 크게 개선했다.
 

상용 가능성 높인 혁신적인 촉매

고체산 촉매를 통한 메틸렌디아닐린의 생산은 BASF나 다우 케미칼 등 유수의 화학 기업들뿐 아니라 세계적으로 권위 있는 촉매 연구실조차 오랜 기간 고전해왔던 문제이다. 제올라이트 기반의 촉매는 염산에 비해 고부가 가치 물질에 대한 선택도가 낮았다. 특히 제올라이트 내부 기공 안에서 생성물이 형성되고 이게 빠르게 기공을 빠져나가지 못하고 중합되어 기공 자체를 막아 촉매가 빠르게 비활성화되는 것이 고질적인 문제였다. 본 연구에서는 기존 제올라이트에 메조기공을 도입하여 빠른 비활성화 문제를 해결함과 동시에 기존의 염산 촉매와 견줄만한 선택도, 100시간 이상 실제 상용공정과 유사한 조건하에서 운전해도 안정한 촉매를 개발해낸 것이다. 제올라이트 기반의 촉매를 활용해 메틸렌디아닐린 생산이 가능한 새로운 가능성을 발견한 셈이다.

플라스틱 친환경 생산 공정 개발에 제 1저자로 참가한 이수성 석사과정은 돌이켜 봤을 때 연구에 무엇보다 필요했던 것은 학부생 때 배웠던 기초적인 과학적 지식이었다고 이야기하며 학부생 때 간과하기 쉬운 기초과목들의 중요성을 강조했다. 또한 만약 과학자로서의 미래를 그리고 있다면 자신의 전공 분야에 대한 깊은 이해가 연구에서의 문제 해결에 필요한 직관과 아이디어를 키운다는 점을 전했다.