한국생산기술연구원

나일론섬유 단량체‘아디프산’,  바이오매스에서 얻는다.

- 생기원, 바이오매스에서 99% 수율로‘아디프산’제조하는 신 촉매기술 개발

- 청정화학 학술지 ‘켐서스켐(ChemSusChem)’ 표지논문 게재

□ 한국생산기술연구원(원장 이낙규, 이하 생기원) 친환경융합소재연구부문 백자연, 김용진 박사 연구팀이 바이오매스에서 높은 수율로 아디프산을 제조할 수 있는 신 촉매기술을 개발했다.

ㅇ 나일론 6,6, 가소제, 폴리우레탄 등의 산업제품에 사용되는 유기화합물 아디프산(Adipic Acid)은 최근 친환경 플라스틱 소재로 주목받고 있는 PBAT*의 단량체로도 쓰임새가 커지고 있다. 

ㅇ 단량체(Monomer)는 중합의 기본이 되는 단위체로, 단량체를 연결시켜 고분자로 만든 재료를 중합체(Polymer)라고 한다. 

 * PBAT(Poly-Butylene Adipate Terephthalate) : 생분해성 플라스틱 소재

□ 아디프산은 합성 과정에서 이산화탄소의 약 300배에 달하는 온실효과를 유발하는 아산화질소(N2O)를 발생시키는데, 아산화질소 발생량의 약 10%는 아디프산 공정 중 생성되는 것으로 알려져 있다.

ㅇ 이 때문에 바이오매스에서 아디프산을 얻기 위한 연구가 추진돼 2013년 미국 레노비아사(社)가 바이오매스 유래 물질에서 아디프산을 얻는 데 성공했지만, 수율이 89% 정도로 낮았다. 

ㅇ 또한 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 등 가격이 높은 귀금속과 부식을 일으키는 할로겐화수소(HX)를 촉매로 사용해 아디프산에 대한 선택도가 낮고, 분리·정제가 어려워 실용화되지 못 했다. 

□ 백자연 박사 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 FDCA(2,5 Furandicarboxylic Acid)를 출발물질로 사용해 99%의 수율로 아디프산을 얻는 촉매기술 개발에 성공했다.

ㅇ FDCA는 미국 에너지부가 미래의 녹색 화학산업을 겨냥해 우선순위 화학물질 12개 중 하나로 선정한 바 있으며, 페트(PET)를 대체할 수 있는 

   친환경 플라스틱 페프(PEF, Polyethylene Furandicarboxylate)의 단량체로도 가치가 높은 재생 가능 물질이다. 

□ 연구팀은 수소화 반응, 수소화 분해 반응의 2단계 공정으로 고수율의 아디프산을 얻었다. 

ㅇ 먼저, 1단계에서는 FDCA에 수소화 반응을 일으켜 아디프산의 중간체 물질을 선택적으로 합성해 냈다.

ㅇ 수소화 반응에는 루테늄(Ru)을 함유한 산화알루미늄을 촉매로 사용했는데, Ru는 레노비아사가 주로 사용한 Pd에 비해 가격이 훨씬 저렴하고, 온도도 100℃ 낮은 50℃에서 수소화 반응이 가능해 

   보다 경제적으로 중간체 물질을 합성할 수 있다. 

□ 2단계에서는 이온성액체를 사용, 수소화 분해 반응을 통해 중간체 물질들을 모두 100% 전환시킴으로써 99%의 수율로 아디프산이 생성되는 것을 확인했다. 

ㅇ 이때 이온성액체를 촉매이자 용매로 사용함으로써 그동안 써오던 유기산 용매로 인한 부산물을 줄였을 뿐 아니라, 이온성액체가 수소 생성과 운반을 활성화시켜 수소화 분해 반응을 

    돕는 것으로 나타났다. 

ㅇ 이온성액체는 끓는점과 밀도가 높아 반응 후 아디프산과의 분리가 쉽고, 이 때문에 고순도의 아디프산을 고체로 얻는 데 유리해 

    그동안 낮은 수율과 분리·정제의 어려움으로 막혀 있던 실용화 가능성을 높인 것으로 평가받고 있다. 

□ 이번 연구 성과는 한국연구재단의 ‘기후변화대응기술개발사업’의 일환으로 진행되어 화학분야 세계적 학술지 ‘켐서스켐(ChemSusChem)’ 5월 20일자 표지논문에 선정되기도 했다. 

ㅇ 해당 논문은 생기원 친환경융합소재연구부문의 백자연 박사, 김용진 박사가 공동 교신저자로, Tran Anh Vy 박사가 제 1저자로 참여했다. 

ㅇ 백자연 박사는 “개발된 신 촉매는 FDCA 외에도 다양한 바이오매스 화합물에 적용할 수 있다"고 설명하며 ”재생가능 물질 기반 단량체를 통해  이산화탄소 발생량을 줄이고 

    미래 화학산업 경쟁력을 높일 수 있도록 실용화 연구에 힘쓰겠다"고 밝혔다.