화학연구원, 이산화탄소로 플라스틱 원료 만든다

독성 가스(포스겐) 사용하지 않고 MDI 제조

공정 개선 및 고효율 촉매 개발…CO₂ 및 독성 영향 감소 확인

[대전=뉴시스] MDI 제조 공정 반응기 및 촉매.(사진=화학연구원 제공) *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 국내 연구진이 독성가스인 포스겐 없이 폴리우레탄의 원료인 '메틸렌 디페닐 디이소시아네이트'(MDI)를 생산하는 기술을 개발했다.

한국화학연구원은 이진희·안진주·박지훈 박사팀이 이산화탄소(CO₂)를 원료로 사용하는 새로운 MDI 제조 촉매와 공정을 개발했다고 19일 밝혔다. MDI는 일상생활에서 흔히 사용되는 폴리우레탄의 원료다.
 
폴리우레탄은 폴리올과 이소시아네이트를 반응시킬 때 거품처럼 부풀어 오르며 굳어지는 플라스틱의 일종으로  밀도를 조절해 딱딱하거나 부드럽게 만들 수 있어 다양한 곳에 사용된다.

폴리우레탄의 원료 중 하나인 이소시아네이트는 대표적으로 '톨루엔 디이소시아네이트'(TDI)와 MDI로 나뉜다.

TDI는 주로 부드러운 소파·매트리스·자동차 시트 등 쿠션 제품에 많이 쓰이고 MDI는 딱딱한 경질폼부터 말랑한 연질폼까지 두루 사용된다.

현재 기업들은 이소시아네이트 생산 효율을 높이기 위해 독성 가스인 포스겐을 사용하고 있다.

폴리올은 합성이 비교적 쉬워 외국은 이미 CO₂ 전환 기술을 상용화했고 최근 국내 기업도 CO₂를 넣은 폴리올 제조에 성공했으나 이소시아네이트는 합성이 어려워 CO₂ 전환을 통해 생산 효율을 높이기는 힘들고 반응성이 높은 포스겐화 공정이 필수적이다.

이번에 화학연은 포스겐 대신 CO₂를 활용한 새로운 MDI 제조 공정과 팔라듐-이산화티타늄 촉매를 개발해 MDI 생산 효율을 크게 높였다.

연구팀에 따르면 MDI를 생산하는 방식은 크게 아닐린 제조(니트로 벤젠, 수소 반응), '디페닐 메틸 디아민'(MDA)이라는 중간 물질 제조 과정(아닐린, 포름알데히드 반응), 포스겐 제조 과정, MDI 제조(MDA, 포스겐 반응)의 4단계로 이뤄진다.

연구팀은 포스겐 없이 MDI를 제조하기 위해 메탄과 CO₂를 반응시켜 일산화탄소·수소가 섞인 합성가스로 바꾸는 'CO₂ 재활용 공정'과 포스겐을 대신해 메탄올, 일산화탄소, 산소를 반응시켜 다른 중간 물질로 바꾼 뒤 MDI를 만드는 ‘포스겐 대체 공정’을 적용했다.

합성가스 속 수소는 기존 MDI 제조 첫 단계인 아닐린 제조 과정에 쓰이며 이후 일산화탄소는 마지막 과정인 포스겐 처리 과정을 대신한다. 이를 통해 CO₂ 배출과 독성가스 사용을 모두 줄이거나 없앨 수 있게 됐다.

또 연구팀은 반응성이 높은 팔라듐-이산화티타늄 촉매를 개발, 반응에 방해되는 부산물 생성을 줄여 MDC 전환 과정이 포스겐 처리에 비해 효율이 낮다는 단점을 극복했다.

새 공정에 대한 평가에서는 기존 포스겐 사용 공정에 비해 이산화탄소 발생량은 16.1% 감소, 암을 포함한 인체 독성 영향은 22.8% 감소하는 게 확인됐다.

이번 논문은 국제학술지 '화학공학 저널'(케미칼 엔지니어링 저널, Chemical Engineering Journal(IF : 15.1), '그린화학'(그린 케미스트리, Green Chemistry(IF : 9.3)에 각 게재됐다.

이영국 화학연 원장은 "이산화탄소 전환과 유해가스 사용을 줄일 수 있는 폴리우레탄 핵심원료 제조 기술 확보했다"며 "향후 국내 석유화학 기업의 경쟁력을 높이는데 기여할 것"이라고 말했다.


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