골칫덩어리 ‘이산화탄소’의 화려한 변신…‘CCU’ R&D 가속도(청정에너지연구센터 오형석, 이웅 박사_헤럴드경제)

- 이산화탄소를 고부가자원으로 변환하는 CCU 기술 개발 주목


[헤럴드경제=구본혁 기자] 지구온난화를 유발하는 대표적 물질로 알려진 이산화탄소는 인간의 경제활동에 의해서 발생하는 온실가스의 절반이상을 차지한다. 석유나 석탄과 같은 화석연료의 사용으로 대기 중 이산화탄소는 갈수록 증가하고 있다. 탄소배출권을 거래하는 시대에 이산화탄소는 당연히 골칫덩어리일 수 밖에 없다.

지난해 정부는 ‘2050 대한민국 탄소중립’을 선언했다. 탄소중립은 온실가스 배출량과 흡수량을 동일하게 만들어 온실가스가 늘지않는 제로 상태를 만드는 것이다.


이 같은 탄소중립을 가능케 하기 위해서는 이산화탄소를 버리는 물질이 아닌 유용한 자원으로 재활용하는 ‘이산화탄소 포집 및 재활용’(CCU) 기술이 필수적이다. CCU란 이산화탄소를 포집해 이를 고부가가치 제품으로 재활용하는 기술이다.

대부분 화학제품들은 석유를 원료로 사용하며, 생산과정에서 다량의 이산화탄소를 배출한다. 이 이산화탄소를 화학적, 생물학적 전환기술을 이용하면 카보나이트, 메탄올, 에탄올, 탄화수소 등 화학제품의 원료로 전환해 사용할 수 있다. 이렇게 하면 석유의 사용을 줄일 뿐만 아니라 이산화탄소의 배출도 획기적으로 줄일 수 있다.




KIST 오형석 선임연구원(오른쪽)이 이웅희 박사가 나노크기의 산호 형태를 지닌 은 촉매 전극을 제작, 고성능 대면적 인공광합성 시스템을 개발했다. 연구진이 대면적으로 제작한 인공광합성 시스템의 효율에 대해 논의하고 있다.[KIST 제공]


이와 관련 국내 정부출연연구기관과 대학 등을 중심으로 이산화탄소를 재활용하는 CCU 연구개발이 활발하게 진행되고 있다.

이산화탄소를 생물학적으로 고정하거나 인공광합성을 통해 고부가가치 화합물로 전환하는 방법도 주목된다.


한국과학기술연구원(KIST) 오형석‧이웅희 박사 연구팀은 인공광합성의 주요 연구분야인 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템에서 높은 효율로 일산화탄소를 얻을 수 있는 나노 크기의 산호 형태를 지닌 은 촉매 전극 및 대면적 시스템을 개발했다. 이 촉매는 기존 은 촉매에 비해 반응에 필요한 에너지가 적으며, 기존 액상 시스템에 비해 100배 이상의 일산화탄소를 생성할 수 있다.

클로렐라나 플랑크톤 등의 생물들로 이산화탄소를 흡수해 생장하도록 하는 방식으로 바이오디젤을 생산하는 방식이다. 이 분야는 CCU 가운데 가장 주목받는 분야 중 하나다.

생체모방적 이산화탄소 전환 방식을 통해 시멘트와 같은 건축 자재를 생산할 수도 있다. 바다 속의 산호나 조개가 이산화탄소를 포착해 석회석과 같은 광물질을 만들어내는 과정에 착안한 기술이다. 시멘트 산업은 전력 발전에 이어 두 번째로 이산화탄소를 많이 배출하는 분야로 기존 시멘트 생산 공정에서는 시멘트 1톤 당 평균 0.9톤의 이산화탄소가 발생된다. 하지만 이산화탄소를 칼슘염, 마그네슘염과 같은 광물질과 반응시켜 시멘트를 생산하면 이산화탄소를 소모할 뿐만 아니라 추가적으로 에너지를 생산할 수도 있다.




철-산화아연 촉매. 이 고체촉매를 사용하면 부생가스와 이산화탄소를 동시전환할 수 있다.[한국화학연구원 제공]


한국화학연구원 김용태 박사 연구팀은 에틸렌과 비싼 촉매사용 없이도 이산화탄소와 버려지는 산업 부생가스를 활용해 정밀화학원료인 알파올레핀을 만드는 새로운 촉매 공정기술을 개발했다. 알파올레핀 포함 윤활유는 부식방지 등의 기능이 좋아 최고급 윤활유로 분류되며 전 세계적으로 연간 400만톤 수준의 시장규모를 형성하고 있다. 연구팀이 개발한 공정을 사용하면 기존보다 원료가 4배 정도 저렴하고 저렴한 철광석으로 촉매를 제조할 수 있다.

김용태 박사는 “이 기술이 향후 상용화되면 온실가스 감축과 수입대체 효과를 모두 달성할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

한국화학연구원 조득희‧김동우 박사 연구팀은 이산화탄소를 활용해 친환경 폴리우레탄 화장품 쿠션과 건축 단열재를 만드는 ‘프로필렌 카보네이트’ 기술을 개발하고 시제품 개발까지 성공했다. 연구팀은 이산화탄소로부터 프로필렌 카보네이트 합성에 필요한 고효율 촉매를 개발하고 파일럿 규모에서 물질을 제조했다. 또 촉매를 연속 대량생산할 수 있는 반응기를 구축하고 촉매의 반응성을 개선하기 위한 후속연구를 진행중이다.

한편 한국에너지기술연구원은 대형발전소에서 발생하는 이산화탄소를 자동분리해 배출하는 ‘케미컬루핑 연소기술’을 개발했다. 이 기술은 이산화탄소를 별도의 분리설비 없이 98% 이상 원천적으로 분리할 수 있고 초미세먼지 유발물질인 질소산화물도 저감할 수 있다는 것이 특징이다.

nbgkoo@heraldcorp.com