[지금은 과학] 온실가스 '냉매' 분해한다

[아이뉴스24 정종오 기자] 처치 곤란한 산업 폐기물로 이산화탄소보다 1300배 강한 온실가스 ‘냉매’ 잡는 기술이 개발됐다.

한국에너지기술연구원 수소융복합소재연구실 이신근 박사 연구팀이 알루미늄 제조 과정에서 나오는 산업 폐기물 ‘붉은 진흙(레드머드)’을 촉매로 만들어 에어컨, 냉장고 등 가전제품에 사용되는 HFC-134a 냉매를 99%의 효율로 분해하는 데 성공했다.

레드머드는 보크사이트라는 광물로부터 산화 알루미늄을 회수하고 남은 산업 부산물로 철, 알루미늄, 규소 등의 산화물을 포함하고 있어 붉은 색을 나타내며 연간 20만톤 이상 발생한다.

‘HFC-134a’는 기존 냉매인 CFC(염화불화탄소), HCFC(수소염화불화탄소)를 대체하기 위해 개발된 HFC(수소불화탄소) 계열의 화합물로 주로 냉장고, 에어컨 등의 냉매로 활용한다. 이산화탄소의 1300배 정도 지구 가열화에 영향을 끼치는 것으로 알려졌다.

알루미늄 1톤을 생산할 때 부산물로 약 1~1.5톤의 레드머드가 발생한다. 현재 대부분의 레드머드는 땅이나 호수에 매립해 처리한다. 높은 알칼리성을 띄는 레드머드는 중금속까지 함유하고 있어 토양, 수질 오염의 문제를 일으키고 있다.

에어컨, 냉장 장치에 사용되는 냉매 HFC-134a는 관련 법에 따라 폐가스 처리업체를 통해 처리되고 있다. 주로 연소, 플라즈마 방식을 통해 처리하고 있는데 연소 과정 중 질소산화물을 비롯한 2차 오염물질이 발생한다.

플라즈마를 이용한 고온 분해는 많은 에너지와 설비 비용이 필요하다. 반응기가 커질수록 효율이 떨어지는 문제 등으로 저온에서 안정적이며 오염물질 발생이 적은 냉매를 처리할 수 있는 기술이 필요하다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 플라즈마에 비해 낮은 온도에서 처리가 가능한 촉매 분해 기술을 개발했다. 특히 연구팀은 레드머드에 함유된 철과 알루미늄 등 여러 금속 성분이 상호작용해 강력하고 안정적 냉매 분해 촉매를 형성할 수 있다는 점에 주목했다.

레드머드는 단위 질량 당 표면적이 넓고 높은 열 안정성을 지닌 다공성 구조 덕분에 반응물질이 효율적으로 흘러 촉매의 물리화학적 변형과 파괴를 억제할 수 있다. 흡착과 전기이동 등 촉매 반응을 위한 계면 현상이 일어나기 좋은 환경을 조성해 촉매의 내구성과 활성을 향상시키는 지지체 역할을 한다.

연구팀은 분해 성능을 더 높이기 위해 간단한 열처리 과정을 거쳐 칼슘(Ca), 규소(Si), 알루미늄(Al) 성분 간의 상호작용을 유도하고 트라이칼슘알루미네이트(C3A)와 겔레나이트(C2S) 복합 물질을 형성했다. 이는 시멘트의 강도를 높이는 데 사용되는 물질로, 촉매 입자의 결합을 강하게 만들고 반응면적을 높여 분해 성능을 향상시킨다.

HFC-134a 분해로 생성되는 불화수소(HF)는 산화칼슘(CaO)과 반응해 불화칼슘(CaF2)을 형성하는데, 화학적으로 안정된 불화칼슘은 촉매 표면에 얇은 막을 형성하고 방패처럼 촉매를 보호해 비활성화를 방지하는 역할까지 수행한다.

연구팀이 개발한 촉매는 100시간 동안 99% 이상의 높은 분해율을 유지해 우수한 냉매 분해 성능을 나타냈다. 간단한 건조와 분쇄 공정을 통해 시간 당 1kg을 생산할 수 있어 대량 생산에도 좋다. 특히 산업 폐기물을 재활용해서 만들기 때문에 원료에 투입되는 비용이 없고 폐기물 처리 비용 절감과 추가 수익 창출까지 기대할 수 있다.

이신근 박사는 “레드머드는 강한 알칼리 물질로 주변 환경에 유입됐을 때 심각한 환경오염을 일으킬 수 있는데 이를 처리, 재활용할 수 있는 기술이 마땅치 않았다”며 “개발한 촉매 제조 기술은 폐기물을 재활용해 환경오염을 저감시킬 뿐만 아니라 강력한 온실가스 효과를 지닌 냉매도 우수한 성능으로 분해할 수 있는 결과”라고 말했다.

연구 결과(논문명 : Hydrolysis of HFC-134a using a red mud catalyst to reuse an industrial waste)는 국제학술지 ‘저널 오브 인더스트리얼 앤 엔지니어링 케미스트리(Journal of Industrial and Engineering Chemistry)’에 실렸다.