상압의 이산화탄소를 원료로 플라스틱을 합성할 수 있게 되다.

지구 온난화에 대처하기 위해 이산화탄소를 비롯한 온실 효과 가스의 배출을 줄이는 노력이 이루어지고 있다. 한편 배출된 이산화탄소를 유용한 화학 물질로 변환하려는 연구도 활발하다. 

 

오사카 시립 대학교의 다무라 마사즈미 (田村正純) 부교수 등의 연구 그룹은 '폴리 카보네이트디올'이라는 플라스틱을 상압의 이산화탄소에서 합성하는 데 성공했다. 폴리카보네이트디올은 폴리우레탄의 원료 중 하나이다. 폴리우레탄은 주로 폴리카보네이트디올과 디이소시아네이트(diisocyanate)라는 유기 화합물을 혼합해 제조하는데, 자동차 시트나 대시보드, 건축물의 단열재, 합성 피혁, 도료나 접착제 등 폭 넓은 분야에서 사용되고 있다.

 

현재 폴리카보네이트디올은 주로 포스겐이나 일산화탄소로 제조하는데, 일산화탄소는 인체에 유해한데다 화석 연료인 석유에서 생산된다. 또 포스겐은 독물로 지정되어 있고 인체에 유해한 일산화탄소를 사용해 제조한다. 이런 문제점 때문에 폴리카보네이트디올을 제조하는 새로운 방법이 절실히 필요했다.

 

상압에서는 세계 최초, 촉매 반응으로 환경에 어울리는 제조법을 개발했다.

 

오사카 시립 대학교, 닛폰 제철, 도호쿠 대학교 공동 연구 그룹은 촉매 반응을 이용해 이산화탄소에서 폴리우레탄 등의 원료가 되는 플라스틱(폴리카보네이트디올)을 합성하는 데 성공했다. 현재 주로 쓰고 있는 방법처럼 유독한 원료를 사용할 필요가 없는 데다 지구 온난화의 원인 물질인 이산화탄소를 이용할 수 있기 때문에 실용화가 기대되고 있다. 

 

 

과거의 약점은 고압과 탈수제

연구 그룹은 과거에 고압의 이산화탄소와 2가 알코올을, 촉매를 사용해 반응시킴으로써 97%의 수율(收率)로 폴리카보네이트를 합성하는 데 성공했다. 촉매란 자기 자신은 변화하지 않으면서 반응을 촉진하는 물질이고, 수율이란 이론상 얻을 수 있는 양에 대한 실제로 얻은 양의 비율이다.

 

이 방법은 목적하는 생성물 이외에 물만 발생하기 때문에 환경에 좋은 제조법으로 주목받았다. 또 기존의 폴리카보네이트의 제조 과정에서는 합성에 2단계 이상의 반응이 필요했지만, 이 방법에서는 1단계 반응으로 폴리카보네이트를 합성할 수 있다.

 

그러나 이 방법의 단점은 이산화탄소를 고압상태로 하기 위해서는 큰 에너지가 필요하다. 그리고 발생하는 물을 제거하지 않으면 반응이 진행되지 않기 때문에 탈수제를 써야 한다는 점이다. 탈수제는 반응 뒤 폐기물이 되고, 폴리카보네이트와 반응한다는 문제가 있었다.

 

 

증발에 의해 물을 제거

이번 연구 그룹은 탈수제를 사용하지 않는 반응 프로세스를 실현하기 위해 물을 증발시켜 제거하기로 했다. 2가 알코올로는 바이오매스 유래로 합성할 수 있는 것 중에서 가장 끓는점이 높은 1,6-헥산디올(hexaniol)(끓는점 250°C)을 사용했으며 용매도 증발하기 어려운 적절한 끊는점의 물길을 골랐다. 온도 환경은 210°C로 해서 실험했다.

 

이산화탄소는 매우 안정적인 물질이기 때문에 충분한 반응성을 얻기 위해서는 고압이 필요하다. 그러나 이번 방법에서는 상압으로도 92%의 수율, 97%의 선택률(생성물 전체의 양에 대한 목적으로 하는 생성물 양의 비율)이라는 좋은 결과를 얻었다. 그리고 발생한 물은 계획한 대로 증발에 의해 훌륭하게 제거되었다.

 

 

성공의 열쇠는 촉매인 산화세륨

연구 그룹은 촉매로 사용할 물질을 찾기 위해, 고압에서의 실험 때 어느 정도의 수율이 확보된 것을 포함한 20종 이상의 금속 산화물에 대해 실험을 진행했다. 그 결과 대부분의 금속 산화물이 상압 프로세스에서는 촉매로 반응하지 않은 가운데, 산화세륨만이 촉매로 기능했다.

 

산화세륨은 이산화탄소를 적당하게 흡착함으로써 반응하기 쉬운 상태로 만든다고 생각된다. 또 산화세륨은 알코올을 흡착·활성화하기 때문에, 2가 알코올에 대해서도 반응하기 쉬운 상태로 생각된다.

 

 

제철소 등에서 나오는 배출가스의 이용을 검토 

연구 그룹은 앞으로 촉매 효율을 개선하고 이산화탄소를 공급하는 방법에 대해서 계속 검토할 것이라고 한다. 예를 들어 이번 실험에서는 대량의 이산화탄소를 순환시켰다. 이산화탄소의 유량을 줄일 수 있으면 에너지를 더 절약하는 프로세스가 될 수 있다.

 

원료인 이산화탄소는 실용화 때 공장 등에서 배출되는 것을 이용할 생각이라고 한다. 고농도 이산화탄소를 집적해 얻을 수 있는 데다 촉매 반응에 필요한 열을 공장에서 나오는 배열로 조달할 수 있으리라 생각되기 때문이다. 배열은 열기관 등에서 작업에 쓰이지 않고 남은 열을 말한다.

 

한편 실험에서는 순수한 이산화탄소를 사용했지만 공장에서 배출되는 가스에는 이산화탄소 이외의 물질도 섞여 있다. 예를 들어 철강업은 일본 전체 이산화탄소 배출량의 약 14%를 차지하고 있는데, 그 가운데에서 주요 발생원인 용광로에서 나오는 가스는 이산화탄소의 농도가 20% 이상이다. 앞으로의 연구를 통해 이산화탄소의 적절한 농도나 불순물의 종류와 반응의 효율 관계 등을 조사할 예정이다. 또 원료의 채취에서 생산, 유통, 소비, 폐기 또는 재활용까지의 전체적인 환경 부하를 평가해 실용화를 향한 과제를 해결할 것이라고 한다.

 

이번 방법이 실용화되면 현재의 방법보다 전체적으로 이산화탄소의 배출을 줄일 수 있을 것으로 생각된다고 한다. 버려지던 이산화탄소에서 플라스틱이 탄생해 쓸모 있는 물건으로 쓰일 날이 멀지 않아 보인다.

 

 

출처: 뉴턴 2021-11