KAIST 연구팀, 이중촉매 반응 통한 화학적 재활용 기술 개발

[아이뉴스24 정종오 기자] 전 세계적으로 매년 수십억 개의 타이어가 폐기된다. 심각한 환경오염의 주요 원인 중 하나이다. 한국과학기술원(KAIST) 연구팀이 폐타이어를 고무, 나일론 섬유 원료로 쓰이는 고부가가치 화학 원료인 고순도의 고리형 알켄으로 선택적 전환하는 데 성공했다.

KAIST(총장 이광형)는 화학과 홍순혁 교수 연구팀이 이중 촉매 기반 연속 반응 시스템을 개발해 폐타이어 문제를 효과적으로 해결했다고 26일 발표했다.

폐타이어는 합성고무와 천연고무의 복합체로 구성된다. 실리카, 카본블랙, 산화방지제 등의 첨가제를 포함해 물리적 강도와 내구성이 극대화돼 있다. 가황 공정을 통해 고무 사슬 간의 가교가 형성돼 열과 압력에 강한 구조를 갖는다. 폐타이어의 화학적 재활용을 어렵게 만드는 주요 원인 중 하나다.

국내 연구팀이 이중촉매 반응으로 폐타이어를 원료로 전환하는 기술을 개발했다. [사진=KAIST]

그동안 폐타이어의 재활용은 주로 열분해 방식이나 물리적 분쇄 재활용에 의존해 왔다. 열분해 방식은 350~800°C의 고온 환경에서 고분자 사슬을 분해해 연료유로 전환하는 기술이다. 높은 에너지 소비, 낮은 선택성, 저품질의 탄화수소 혼합물 생성이라는 한계가 명확히 존재한다.

연구팀은 이런 문제를 해결하고자 두 가지 촉매를 활용해 폐고무를 유용한 화학물질로 바꾸는 방법을 개발했다. 첫 번째 촉매는 고무 분자 안의 결합 구조를 바꿔 분해가 잘 되도록 돕고 두 번째 촉매는 고리를 닫는 반응을 통해 고리 모양의 화합물을 만들어낸다.

이 과정은 최대 92%의 높은 선택성과 82%의 수율을 보여준다. 만들어진 고리형 펜텐은 다시 고무로 재활용할 수 있다. 고리형 헥센은 나일론 섬유의 원료로 쓰이는 등 산업적으로 매우 가치가 높다.

연구팀은 개발한 시스템을 실제 폐기물로 버려진 폐타이어에 적용해 고순도의 고리형 알켄으로 선택적 전환하는 데 성공했다. 이는 기존 열분해 방식과 달리 저온의 정밀 촉매 반응을 통해 고부가가치 화학 원료를 생산할 수 있다는 점에서 폐타이어 재활용 분야의 새로운 전환점으로 평가된다.

이번 기술은 다양한 종류의 합성고무와 폐고무에 폭넓게 적용될 수 있다. 자원 순환형 경제 실현에 이바지할 수 있는 핵심 원천기술로 주목받고 있다.

홍순혁 KAIST 교수는 “이번 연구는 폐타이어의 화학적 재활용에 대한 혁신적 해법을 제시한 것이며 경제성을 높이기 위해 차세대 고효율 촉매 개발, 상용화를 위한 기반을 마련해 나갈 예정”이라며 “기초화학을 통해 폐플라스틱 문제 해결에 이바지하는 게 목표”라고 말했다.

KAIST 화학과 박범순, 조경일, 최경민 연구원이 참여한 이번 연구(논문명: Catalytic and Selective Chemical Recycling of Post-Consumer Rubbers into Cycloalkenes)는 국제 학술지 ‘Chem’에 6월 18일 자 온라인으로 실렸다.

/정종오 기자(ikokid@inews24.com)

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