온실가스 메탄이 고부가가치 화학 원료로 바뀐다

화학연, 비산화 메탄 직접 전환 기술 개발
수소·에틸렌·벤젠·나프탈렌으로 전환
열분해 온도·촉매 부피 30%씩 줄여

한국화학연구원 연구진이 비산화 메탄 전환 공정에 사용되는 촉매를 들고 있는 모습./화학연

국내 연구진이 온실가스인 메탄을 산업적 가치가 높은 화학 원료로 바꾸는 기술을 개발했다. 물질을 바꾸는 효율도 크게 개선돼 상용화도 가능할 것으로 기대된다.

김용태 한국화학연구원 화학공정연구본부 책임연구원과 신정호 화학연 화학플랫폼연구본부 책임연구원 연구팀은 메탄을 수소와 고부가 화학 원료인 에틸렌, 방향족 화합물로 직접 전환하는 기술을 개발했다고 16일 밝혔다.

메탄은 석유화학 공정과 셰일가스에서 나오는 가스로 대표적인 온실가스로 분류된다. 메탄 전환기술은 합성가스를 만드는 중간 단계를 거치는 ‘간접 전환’과 중간 단계 없이 바로 물질을 바꾸는 ‘직접 전환’으로 나뉜다. 이중 간접 전환기술은 공정이 복잡해 효율이 떨어진다는 단점이 있다.

직접 전환기술도 물질을 바꾸는 과정에서 탄소 찌꺼기가 많이 발생한다는 한계가 있다. 찌꺼기를 줄이기 위해 산소와 반응시키기는 ‘산화 직접 전환기술’도 있지만, 이산화탄소가 발생하고 효율도 낮다. 직접 전환에서의 문제를 해결하기 위해 촉매로 열분해를 제어해 찌꺼기를 줄이는 ‘비산화 직접 전환기술’에 대한 연구가 활발히 이뤄지고 있다.

연구팀은 인공지능(AI) 알고리즘을 활용해 비산화 직접 전환 과정에서 최고의 반응 성능을 분석했다. 분석 결과, 수소 라디칼을 제공하는 물질이 메탄 열분해 성능 향상에 중요한 조건으로 나타났다. 수소 라디칼은 한 개의 전자를 가진 반응성이 높은 화학종으로 메탄의 탄소와 수소의 결합을 끊는 데 도움을 준다. 연구팀은 AI 기술을 이용해 저온에서 수소 라디칼의 반응성을 높이는 최적의 조건을 찾았다. 또 촉매와 메탄 열분해 반응이 다른 온도에서 일어나도록 설계해 수소 라디칼이 최적의 농도를 유지할 수 있도록 했다.

새로 개발한 기술은 메탄을 청정에너지인 수소와 고부가 화학 원료인 에틸렌을 동시에 생산할 수 있다. 이외에 벤젠이나 나프탈렌 같은 방향족 화합물도 만들 수 있다. 생산 조건은 기존 전환 온도인 섭씨 1000도 이상에서 300~700도로 낮췄다. 전환에 필요한 촉매의 반응기 부피도 30% 이상 줄여 에너지 효율을 높였다.

메탄 전환 공정에 필요한 열과 촉매를 대폭 줄이면서 상용화 가능성도 커졌다. 연구팀은 국내 석유화학업체의 부생 메탄으로 개발한 직접 전환기술을 검증한 결과, 총 1000시간 가동해 하루 0.15㎏의 에틸렌을 생산했다고 설명했다. 앞으로 저온에서 에틸렌 수율을 30%까지 높이고 수소 순도를 96% 이상으로 높일 경우, 에틸렌 가격을 절반으로 낮출 수 있다.

연구팀은 촉매와 반응기 개선을 위한 후속연구를 진행한다. 후속연구는 공정을 1000시간 운용해 에틸렌을 하루 100㎏ 생산하는 것이 목표다. 현재 사용하는 가열 방식이 아닌 신재생에너지 기반의 전기 반응으로 메탄을 바꾸는 기술도 개발할 계획이다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 산업통상자원부, 한국화학연구원의 지원을 받았다. 연구 성과는 화학 공정기술 분야 국제 학술지 ‘케미칼 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)’과 ‘퓨얼 프로세싱 테크놀로지(Fuel Processing Technology)’에 각각 지난 2월과 지난달에 게재됐다.

참고자료

Chemical Engineering Journal, DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.148286

Fuel Processing Technology, DOI: https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2024.108067

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