매년 수십억 개 버려지는 타이어… KAIST, 화학적 재활용 기술 개발

이중 촉매 반응으로 폐고무 분해, 고부가가치 원료 생산
순환 경제 구현을 위한 핵심 기반 기술로 주목

폐타이어를 고무나 나일론 섬유 원료로 쓰이는 고부가가치 화학 원료인 고순도의 고리형 알켄으로 선택적 전환하는 데 성공한 KAIST 화학과 홍순혁 교수 연구팀. (왼쪽부터)최경민 석박사통합과정, 박범순 박사, 홍순혁 교수, 조경일 박사. KAIST 제공

국내 연구진이 폐타이어의 화학적 재활용 기술을 개발해 주목된다.

폐타이어 재활용 분야의 새로운 전환점은 물론, 다양한 종류의 합성고무와 폐고무에 폭넓게 적용될 수 있어 자원 순환형 경제 실현에 기여할 수 있을 것이란 기대다.

KAIST는 화학과 홍순혁 교수 연구팀이 이중 촉매 기반 연속 반응 시스템을 개발해 폐타이어 문제를 효과적으로 해결했다고 26일 밝혔다.

연구팀은 폐타이어를 고순도의 고리형 알켄으로 선택적 전환하는 데 성공했다. 고리형 알켄은 고무나 나일론 섬유 원료로 쓰이는 고부가가치 화학 원료다.

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

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

KAIST 화학과 홍순혁 교수 연구팀이 개발한 폐고무의 화학적 재활용 촉매 방법. KAIST 제공

연구팀은 이 같은 문제를 해결하고자 두 가지 촉매를 활용해 폐고무를 유용한 화학물질로 바꾸는 방법을 개발했다. 첫 번째 촉매는 고무 분자 안의 결합 구조를 바꿔 분해가 잘되도록 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 있고, 고리형 헥센은 나일론 섬유의 원료로 쓰이는 등 산업적으로 매우 가치가 높다.

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

홍순혁 교수는 "이번 연구는 폐타이어의 화학적 재활용에 대한 혁신적인 해법을 제시한 것으로, 경제성을 높이기 위해 차세대 고효율 촉매 개발과 상용화를 위한 기반을 마련해 나갈 예정"이라며 "기초화학을 통해 폐플라스틱 문제 해결에 기여하는 것이 목표"라고 밝혔다.

KAIST 화학과 박범순, 조경일, 최경민 연구원이 참여한 이번 연구는 한국연구재단의 지원으로 수행됐다. 국제 저명 학술지 'Chem'에 최근 온라인 게재됐다.