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리그닌을 제트 연료 범위의 탄화수소로 전환하는 새로운 촉매 공정

장종엽엔에스 2015. 12. 18. 18:22

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-12-18
미국 워싱턴 주립 대학(WSU; Washington State University) 소속의 연구진은 옥수수 줄기의 리그닌(lignin)을 탄화수소(hydrocarbon, C7–C18)로 전환하는 촉매 공정을 새롭게 개발했다. 이러한 공정은 주로 제트 연료(jet fuel) 범위의 C12–C18 환상 구조의 탄화수소로 전환한다. 이 연구는 RSC Green Chemistry 저널에 발표됐다.

새로운 공정의 개발자인 WSU 산하 생물 시스템 공학과 조교수인 Bin Yang과 그의 연구팀은 보잉사(Boeing Co.)와 협력하여 이 공정을 개발했으며, 제트 연료가 될 목표 탄화수소를 테스트했다. Yang은 양수인으로 WSU와 이 공정에 대한 특허를 출원했다.

리그닌은 셀룰로오스 다음으로 식물 목질부와 단단함을 구성하는 유기 고분자이며, 지구상에서 가장 풍부한 재생 가능한 탄소 자원(renewable carbon source)이다. 일반적으로, 셀룰로오스를 포함한 식물 바이오매스가 에탄올과 같은 바이오연료로 전환될 때 리그닌이 낭비된다. 자연은 식물이 에너지를 위해 사용하는 셀룰로오스성 당을 보호하고 결합하기 위하여 식물 세포벽에 단단한 목질계 고분자인 리그닌(lignin)을 고안해냈다. 이러한 이유로 리그닌은 동일한 식물 당을 추출하여, 추출된 식물 당을 개선된 바이오연료를 만드는데 이용하려는 사람들에게 중요한 도전 과제이다.

매년 전 세계적으로 4천~5천만 톤의 리그닌이 생성되고 있으며, 주로 비상용 폐기물(non-commercialized waste product)로 생성된다고 국제 리그닌 연구소(International Lignin Institute)는 밝혔다.

리그닌의 이용 가능성, 낮은 산소/탄소 비율(O/C ratio; oxygen to carbon ratio) 및 바이오매스에서 유래한 당질(carbohydrates)과 비교하여 뚜렷하게 낮은 전체 산소 용량(리그닌과 당질의 전체 산소 용량은 각각 ~36%와 ~50%) 등의 이유로 리그닌은 재생 가능한 탄화수소 연료와 화학물질의 생성에 유망한 원료이다. 그러나 리그닌의 자생적인 분자 구조는 연료 응용(~C6-C20)에서 요구되는 탄소 고리의 길이보다 훨씬 더 긴 구조로 약 C800~C900으로 이루어진다. 연료로 활용할 수 있는 자원으로 사용되기 위하여, 리그닌은 해중합 반응을 거쳐야만 하고, 자체적인 H/C 비율이 증가되어야 할 뿐 아니라 리그닌의 O/C 비율은 훨씬 더 감소될 필요가 있다. 지금까지, 리그닌을 탄화수소 액체 또는 화학물질로 성공적으로 전환하는 방법에 대한 입증된 접근은 실제적으로 없었다.

Yang의 공정에는 다양한 범위의 탄화수소를 생성하는 귀금속 촉매(noble metal catalyst, Ru/Al2O3)와 산성 제올라이트(acidic zeolite, H+-Y)에 의하여 촉매화되는 묽은 알칼리로 추출된 옥수수 줄기 리그닌의 수상 수소첨가탈산소화반응(HDO; aqueous-phase hydrodeoxygenation)이 포함된다. 결과적으로 얻어진 생성물은 제트 연료 탄화수소를 얻기 위하여 분리 및 정제될 필요가 있다.

제트 터빈 엔진에 적합한 탄화수소로 적용할 수 있는 것 이외에, Yang은 리그닌을 다양한 다른 화학물질 및 재료를 생성하는데 사용할 계획이다. 미국 에너지부(DOE; US Department of Energy)가 지원한 두 가지 최근 후원을 통하여, 텍사스 A&M 대학(Texas A&M University) 등의 연구진과 함께 Yang은 리그닌으로부터 지질과 바이오플라스틱(bioplastics)을 제조하는 방안을 추진하고 있다.

또한, 그는 인근 퍼시픽 노스웨스트 국립 연구소(PNNL; Pacific Northwest National Laboratory)와 콜로라도에 위치한 국립 재생 에너지 연구소(NREL; National Renewable Energy Laboratory) 등과 공동으로 리그닌을 슈퍼커패시터를 포함한 여러 가지 화학물질로 전환하는 프로젝트를 수행할 계획이다.

Yang과 그의 연구팀의 연구는 미국 에너지부, 국립과학재단, 미국 교통부, NREL 및 미국 시애틀 기반의 우주 기술 혁신 조인트 연구소(Joint Center for Aerospace Technology Innovation)뿐 아니라 국방 첨단과학기술 연구소(DARPA; Defense Advanced Research Projects Agency)의 후원을 받고 있다.