종이찌꺼기 리그닌Lignin으로 나일론 원료 만드는 국산기술이 환경문제 해결

리그닌을 잘 분리해서 나일론 원료로 활용하는 기술을 울산과학기술원 연구팀이 개발했다. 특허 출원도 마쳤고 산업에 활용할 구상도 하고 있다. 식물 세포벽을 이루는 천연성분이기도 한 리그닌은 종이를 만드는 산업공정과 바이오 연료를 만드는 과정에서 찌꺼기로 나온다.

산업공정에서 부산물로 나오는 리그닌은 산업 오염물질이 포함되어 쓸모가 없었다. 그래서 전량 화력발전소에 던져지던 물질이었다. 태우기엔 양이 많고 아까운 자원이었다.

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안녕하세요. 환경운동하는 작가에코 eco입니다.하나뿐인 소중한 지구를 어떻게 하면 더 푸르고 맑게 지속가능하게 하는지 관련 환경기술과 환경활동을 소개하고 있어요. 일상의 크고 작은 실천으로 여러분도 환경에 기여하고 있습니다.

이블로그를 읽다 보면 다양한환경활동과 환경기술로 지속가능한 지구가 이렇게 가능하구나를 알 수 있어요. 이번 편은 종이산업에서 발생하는 종이찌꺼기를 나일론 원료로 만드는 국산기술이에요.

리그닌을 나일론으로 만드는 기술은 이미 미국 신재생에너지 연구소 NREL에서 2015년 2월에 개발했어요. 이 기술을 국내진이 자체 연구로 기술 개발해 낸 데에 큰 의미가 있습니다. 남의 나라 기술은 백날 천날 남의 것이고 우리나라 기술이 우리 것이죠.

종이 만드는 산업공정에서 나오는 종이찌꺼기를 크래프트 리그닌(craft lignin)이나 리그닌이라고 부른다. 리그닌은 식물 세포벽의 주성분이고 복합 고분자(폴리머)이다. 리그닌은 목재의 15~35%를 구성하는 천연성분으로 지용성 페놀고분자이다.

종이를 만드는 ‘펄프 공정’과 석유화학기업이 바이오 연료를 생산할 때 ‘당화 과정’의 부산물로 리그닌이 나온다. 당화 과정은 곰팡이의 일종에서 나온 당화 효소를 이용해 전분(곡물)을 분해시켜 당으로 변화시키는 것이다. 누룩과 맥아에 당화 효소가 있다.

리그닌 속에는 유용한 방향족 물질이 많이 들어 있다. 리그닌은 탄소분말, 리그닌 오일과 구아이아콜(Guaiacol) 등으로 구성되어 있다. 나무의 구성성분은 리그닌이 대략 30%이고 나머지는 셀룰로오스이다.

산업공정에서 리그닌 안에 다량의 오염물질이 포함되어 있고 구조도 복잡해서 다른 물질로 전환시키는 것이 어려웠다. 그래서 한국의 제지회사에서 배출되는 리그닌은 전량 회수되어 화력발전소의 전력 생산과 스팀 공급원으로만 이용되었다. 이는 고부가가치 활용이 아니다.

문제는 이렇게 리그닌을 태우면 공기오염물질과 이산화탄소가 배출된다. 리그닌은 산업 공정에서 배출되는 양이 상당해서 버리기에는 자원 낭이비며 태우면 공기를 오염시키고 온난화에 일조한다.

참고로 리그닌에는 탄소가 들어있어서 전기 자동차 배터리의 음극(애노드)을 구성할 수도 있다. 리그닌 배터리를 만드는 기술을 핀란드의 ‘스토라엔소’가 개발하고 있다.

참고로 2020년 6월 한국의 KIST 청정에너지연구센터의 하정명 박사팀이 끈적한 리그닌 오일을 화학적으로 처리해 점도를 낮춰 바이오 항공유급 바이오연료를 연속공정으로 생산하는데 성공했다.

울산과학기술원 안광진 교수팀이 리그닌 부산물을 이용해 유용한 물질을 얻을 방법을 찾아냈다. 국내 제지회사와 석유화학기업이 제공한 리그닌 부산물에 수열 반응을 적용했다.

이렇게 해서 오염물 등 서로 다른 성분을 분리하는 데 성공했다. 이중 ‘수용성 유분’에서 ‘구아이아콜’을 추출해 내고 나일론 원료로 전환할 기초물질로 삼았다.

리그린의 다른 구성 성분인 탄소 분말과 리그닌 오일은 반응 촉매를 만들기에 유용했다. 두 물질로 만든 탄소 구조체에 산화 몰리브덴이나 팔라듐을 추가해 용도를 맞췄다.

즉, 구아이아콜에 두 촉매를 단계적으로 반응시킨 후 산(acid)을 이용한 촉매 반응까지 추가하는 등 여러 단계를 거쳐 나일론 원료를 만들어 냈다.

산업공정에서 배출되는 찌꺼기들은 해결해야 하는 골치 아픈 숙제이다. 특히 목질계 부산물 처리는 매우 힘들었다. 목질계 부산물 속의 다양한 구성성분 때문에 복잡한 공정이 필요해서 상용화가 거의 불가능했다.

그러나 안광진 교수는 이를 재처리해 고부가 가치를 갖도록 원료화하는 기술을 개발해 냈다. 난제를 해결한 것이다. 관련 부산물 폐기물 처리에도 여러 모로 응용 가능한 유용한 기술이다.

연구진은 이를 더욱 개선해 산업에 적용하는 방향으로 후속 연구를 추진하고 있다. 촉매 효율을 높이고 분리공정을 고도화할 계획이다. 실험실 단위의 성과를 산업적으로 구현하도록 촉매 제조기술과 촉매공정 과정을 확장할 구상이다.

안광진 연구팀은 이번 연구 성과를 ‘리그린을 이용한 고분자 다량체의 제조방법’이라는 이름으로 특허까지 출원했다. 상용화와 산업화할 방법도 논의하고 있다.

또한 촉매와 화학공학 분야의 국제학술지 ‘촉매 과학 및 기술(Catalysis Science & Technology)’ 6월호(2022년) 뒤표지 논문으로 게재했다. (참조 bbc news, 동아 사이언스)