환경오염의 주요 원인 중 하나로 꼽히는 '폐타이어'를 고무나 나일론 섬유의 원료로 쓰이는 고부가가치 화학원료로 재활용하는 데 성공했다.
한국과학기술원(KAIST) 화학과 홍순혁 교수 연구팀은 이중 촉매 기반 연속 반응 시스템을 개발해 폐타이어 문제를 효과적으로 해결했다고 26일 밝혔다.
폐타이어는 합성고무와 천연고무의 복합체로 구성돼 있다. 또 강도와 내구성을 강화하기 위해 실리카, 카본블랙, 산화방지제 등 다양한 첨가제를 사용한다. 특히 가황 공정을 통해 고무 사슬간의 가교가 형성돼 열과 압력에 강한 구조를 갖게 되는데, 이 때문에 폐타이어의 화학적 재활용은 쉽지 않았다.
폐타이어는 주로 열분해나 분쇄하는 방식으로 재활용하고 있는데, 이 가운데 열분해 방식은 350~800℃의 고온에서 열분해유로 전환하는 기술이어서 에너지 소비가 높고 저품질 탄화수소 혼합물 생성이라는 한계가 있다.
연구팀은 이런 문제를 해결하기 위해 두 가지 촉매를 활용했다. 첫번째 촉매는 고무 분자 안의 결합구조를 바꿔 분해가 잘 되도록 돕고, 두번째 촉매는 고리를 닫는 반응을 통해 고리 모양의 화합물을 만들어낸다.
이 과정을 통해 고리형 펜텐·헥센 등을 생산할 수 있으며 최대 82%의 수율을 보여준다. 고리형 펜텐은 다시 고무로 재활용할 수 있고, 고리형 헥센은 나일론 섬유의 원료로 쓰이는 등 산업적으로 매우 가치가 높다.
연구팀은 이 방식을 실제 폐타이어에 적용해 고순도 화학원료로 전환하는데 성공했다. 이는 기존 열분해 방식과 달리, 폐타이어에 저온의 정밀 촉매 반응을 통해 고부가가치 화학원료를 생산할 수 있다는 점에서 폐타이어 재활용 분야의 새로운 전환점으로 평가된다.
또 이번 기술은 폐타이어 외에도 다양한 종류의 합성고무와 폐고무에 폭넓게 적용될 수 있어, 자원순환형 경제실현에 기여할 수 있는 핵심 원천기술로 기대된다.
홍순혁 교수는 "이번 연구는 폐타이어의 화학적 재활용에 대한 혁신적인 해법을 제시한 것이며, 경제성을 높이기 위해 차세대 고효율 촉매 개발, 상용화를 위한 기반을 마련해 나갈 예정이다"며 "기초화학을 통해 폐플라스틱 문제 해결에 기여하는 것이 목표"라고 밝혔다.
이번 연구결과는 국제저명학술지 'Chem'에 지난 6월 18일자 온라인에 게재됐다.
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