“석유화학시장 판도 변화 일으킬 메탄 활용 기술 개발”- 김용태 ․ 김석기 / 한국화학연구원 탄소자원화연구소 선임연구원

상용화 된다면, 석유화학시장 판도를 변화시킬 신기술로 주목받고 있는 ‘비산화 메탄 직접 전환기술’이 국내 연구팀에 의해 개발되었다. 저렴한 가스인 메탄을 석유화학의 쌀인 에틸렌을 비롯한 화학원료와 수소 등으로 99% 전환하는 이 기술은 美, 中에서도 연구 중이지만, 베일에 가려져있던 기술로 한국화학연구원 김용태 ․ 김석기 박사팀이 이론적, 실험적으로 더 진일보하게 재현했다는 평가다. <편집자주>

– 한국화학연구원 탄소자원화연구소에 대한 소개를 해달라.

탄소자원화는 기존의 전통적인 탄소자원인 화석연료뿐만 아니라 산업계와 유기성 폐기물에서 발생하는 부생가스, 연소후 배기가스에 포함된 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄 등을 새로운 탄소자원으로 유용하게 활용하는 기술이다. 탄소자원화연구소는 탄소 사이클을 좀 더 닫힌 쪽으로 유도해 온실가스 배출량을 저감하는 새로운 기술을 개발하고 있다. 관련하여 (1) 이산화탄소 중심의 신재생에너지 활용 기술 개발, (2) C1가스 (메탄, 일산화탄소, 이산화탄소 등)로부터 에너지 및 기초 화학원료 제조를 위한 화학공정기술 개발, (3) 그린화학 촉매 응용기술 개발, (4) 자원순환 기반 환경자원공정기술 개발, (5) 탄소재료 관련 원천 기술 개발 등의 연구를 진행하고 있다.

그동안 C1가스 전환과 관련하여 여러 기술개발 성과를 냈다. 대표적으로 (1) 이산화탄소를 활용한 복합 리포밍 기술, (2) 이산화탄소 및 메탄으로부터 메탄올 생산기술, (3) 천연가스로부터 액체탄화수소 생산 기술, (4) 천연가스로부터 올레핀 생산 기술의 파일롯 규모 이상의 플랜트를 실증화다.

본 연구성과를 달성한 연구팀은 한국화학연구원 내 C1가스분리전환연구센터와  화학데이터기반연구센터의 융합연구 기획을 통하여 만들어지게 되었다. C1 가스(메탄, 일산화탄소, 이산화탄소)를 포함한 원료를 사용하여 유용한 화학물질을 합성하기 위한 촉매화학적 방법을 나노, 계산, 분석 및 공정기술을 활용하여 개발하는 것이 본 연구팀의 목표다.

– 최근 석유화학시장 판도를 변화시킬 수 있는 ‘비산화 메탄 직접 전환기술’을 개발했다고 들었다. 어떤 기술인가.

우리 연구팀은 이산화탄소보다 강력한 온실가스인 메탄을 석유화학의 쌀인 에틸렌을 비롯한 화학원료와 수소 등으로 99% 전환하는 ‘비산화 메탄 직접 전환기술’을 개발하였다.

산소와 같은 산화제 없이 메탄으로부터 화학원료를 직접 얻는 ‘비산화 메탄 직접 전환기술’은 메탄으로부터 올레핀 및 방향족화합물을 생산하기 위해 중간 반응물이나 추가의 공정이 필요하지 않다. 때문에 상업화 시 최종 제품의 가격 경쟁력 확보가 가능하고 반응 중 온실가스 주범인 이산화탄소가 발생되지 않는다는 장점을 갖는다.

메탄 전환기술은 크게 간접전환과 직접전환으로 전환할 수 있다. 간접전환은 메탄과 산화제를 반응시켜 합성가스를 만든 후, 합성가스로부터 화학원료를 얻는 기술로 상용화돼 있지만 효율이 낮다. 반면 직접전환은 에너지 효율은 높으나, 메탄 직접 전환과정하는 발생하는 메틸 라디칼의 제어가 쉽지가 않다는 단점이 있다. 메틸 라디칼을 제어할 수 없는 탓에 다량의 코크(coke·탄소침전물)가 발생하고, 화학원료의 수율(투입 대비 생산량 비율)도 확보하기 어려웠다.

이를 해결하기 위해 반응물에 산소를 같이 투입하는 방법인 산화 메탄 직접 전환기술이 많이 연구되었다. 산소와 코크를 연속적으로 반응시켜 이산화탄소로 빼주는 것이다. 하지만 산화 메탄 직접전환도 한계가 있습니다. 이산화탄소를 포집하는 후처리 공정비용이 많이 드는데다, 메탄을 화학원료로 전환해 얻는 비율이 최대 70%에 그치기 때문입니다. 그럼에도, 미국의 Siluria Technologies 회사가 본 기술의 상용화를 위한 연구를 계속해서 진행하고 있다.

반응물에 산소를 같이 투입하는 방법인 산화 메탄 직접 전환기술의 경우 이산화탄소를 포집하는 후처리 공정비용이 많이 드는데다, 메탄을 화학원료로 전환해 얻는 비율이 최대 70%에 그치는 한계가 있다. 그럼에도, 美 Siluria Technologies 회사가 본 기술의 상용화를 위한 연구를 계속해서 진행하고 있다.

반면, 산소를 사용하지 않는 직접 전환기술은 산소를 사용하는 기술보다 동일 성능에서 경제성과 안전성이 높은 기술이라고 할 수 있다. 우리가 개발한 기술은 1000℃이상의 고온에서 산화제 없이 메틸 라디칼을 제어하면서도 에틸렌과 벤젠 등의 화학원료로 99% 전환하는, 즉 99% 이상의 탄화수소로의 선택성을 갖는 비산화 메탄 직접 전환기술을 개발한 것이다. 촉매 표면 설계만으로 메틸 라디칼을 제어하는 방식으로 고난도 기술이다.

기술의 핵심은 ‘단원자 철’ 촉매인데, 실험계산화학과의 융합연구를 통해 촉매 표면을 최적화하는데 성공하였다. 기존 촉매가 여러 원자들이 뭉쳐있는 탓에 연쇄적으로 반응이 일어나는 데 반해, 본 촉매는 여러 개의 단원자가 촉매표면에 흩어져있는 형태로 각각의 단원자에서 한 번씩만 화학반응이 일어날 수 있다.

그 결과, 기존 촉매에서 연쇄 반응으로 인해 생성되는 이산화탄소와 코크 등의 부산물이 생기지 않고, 연쇄 반응에 들어가는 불필요한 에너지도 줄어들어 에너지 효율이 높아졌다. 이를 통해 메탄으로부터 선택적으로 C2 화합물(에틸렌, 에탄, 아세틸렌) 86%, 방향족 화합물(벤젠, 자일렌, 톨루엔, 나프탈렌 등) 13%를 전환했고, 부산물로 수소를 얻었다. 나머지 1% 이하는 코크 생성량이다. 즉 메탄의 화학원료로의 전환도, 즉 선택도가 99%에 달하는 것이다. 또한, CH3· 라디칼 화학경로를 조절하면 방향족 화합물 뿐만 아니라 올레핀도 선택도를 쉽게 조절할 수 있어, 원료가격 및 시장상황에 제품군의 종류를 조절할 수 있다.

우리는 이 같은 내용을 촉매분야 최고 권위지인 『ACS(American Chemical Society) Catalysis(IF:12.221)』* 9월호 표지논문으로 게재하였다. 비산화 메탄 직접 전환 기술에 대한 내용을 저널에 발표한 것은 중국 대련화학물리연구소, 미국 메릴랜드대학교에 이어 세 번째다.

* ACS Catalysis: 미국화학회에서 발행하는 촉매분야 저널로, 화학분야에서 가장 영향력 있는 저널. ACS Catalysis는 물리화학 분야 144개 저널 중 11위에 이름을 올렸다.

<자세한 내용은 월간 플랜트기술 11월호 참조>