
이산화탄소(CO2)를 배출하지 않는 에틸렌(Ethylene) 합성기술과 함께 재생원료 베이스 에틸렌 생산기술이 부상하고 있다.
일본에서는 연료전지 기술을 응용해 에탄(Ethane)을 탈수소화함으로써 에틸렌을 추출하는 방법을 시도하고 있으며, 폐기물을 활용해 에탄을 제조한 후 에틸렌-폴리머를 제조하는 기술 실용화도 추진하고 있다.
유럽에서도 재생 에틸렌을 활용해 첨가제를 생산하는 시험을 시도하고 있다.
일본, SOFC 기술 응용해 에탄 탈수소 산화
일본 주부(Chubu)대학 다카하시 마코토 교수팀은 고체산화물 연료전지(SOFC) 기술을 응용해 외부에서 전압을 가하고 원료 에탄의 탈수소 산화반응을 통해 이산화탄소 배출량이 제로(0)인 에틸렌을 추출하는 방법을 고안한 것으로 알려졌다.
소형 SOFC 반응장치를 시험 제작해 에틸렌 합성이 가능하다는 것을 확인했으며 이산화탄소 배출량이 적은 에틸렌 유도제품을 생산할 수 있을 뿐만 아니라 합성온도를 섭씨 200도 이하 저온으로 낮추어 장치를 고온으로 유지할 필요가 없기 때문에 유연한 가동이 가능할 것으로 기대하고 있다.
연료전지는 연료 전극에 수소를 공급하고 전극 상에서 산화반응을 일으킴으로써 발생한 전자를 외부회로에 통과시켜 전기에너지를 얻는 방식으로 작동하고 있다.
1980년대에도 메탄(Methane)이나 에탄을 연료로 발전하는 동시에 에틸렌을 합성하는 연구가 진행된 바 있으나 전해질에 사용하는 전도성 고체 산화물(세라믹) 관련 과제를 해결하지 못해 실용화하지 못했다.
주부대학은 프로톤 전도성 인산염 유리 연구를 추진하면서 중저온(150-300도) 타입 연료전지 개발도 함께 진행하는 가운데 인산염 유리가 200도 이상에서 연화되는 문제를 발견했다.
이후 다카하시 마코토 교수팀은 인산염 유리를 유효하게 활용할 수 있는 기술로 연료 전극에서 에탄 탈수소 산화반응(전기분해)을 실시함으로써 에틸렌을 합성하는 연료전지형 반응장치를 개발했다. 
이론적으로는 이산화탄소가 발생하지 않으며 외부에서 에너지를 공급받기 때문에 분해반응 촉진에 고온이 필요하지 않는 것이 특징이다.
최근 시험 제작한 소형 전해 셀 시스템은 촉매기능을 갖춘 백금 메시를 전극으로 채용하고 인산염 유리를 사용한 전해질(직경 2cm)을 감싼 구조로 구성했다. 인산염 유리 조성은 10Ca-10La-10Zn-70P2O5, 전도도는 150도에 cm당 약 10의 마이너스4승S이다.
장치에 에탄을 충진해 150도에서 0.80V 전압을 30분 가해 시험한 결과 생성된 에틸렌 양은 0.63ml에 달했고 반응효율(전류효율)은 64%로 확인됐다.
스케일업, 반응효율 향상을 위한 과제로는 인산염 유리 특성 향상, 대형화 등이 요구되고 있다.
프론트 전도성 100도에 10의 마이너스1승S, 25평방미터 이상을 실현할 수 있다면 현재 실용화된 고체 고분자형 연료전지(PEFC) 전해질 부분을 대체할 수 있게 돼 에틸렌 합성장치를 저가에 구축하는 것이 가능해질 것으로 기대하고 있다.
저온으로 높은 활성을 나타내는 촉매가 요구되고 있다.
SCC, 에탄올 베이스 에틸렌 상업화 수순
에탄올(Ethanol)을 베이스로 에틸렌을 생산하는 기술도 상업화 여부가 주목된다.
스미토모케미칼(SCC: Sumitomo Chemical)은 프랑스 악센스(Axens)로부터 에탄올을 탈수반응시켜 에틸렌으로 전환하는 Atol 기술을 도입할 방침이다.
세키스이케미칼(Sekisui Chemical)과 추진하고 있는 폐기물-에탄올-에틸렌-폴리올레핀(Polyolefin) 제조 프로젝트에 적용할 예정이다.
스미토모케미칼은 에탄올 이후 단계를 담당하며 치바(Chiba) 공장에 에탄올 베이스 에틸렌 생산설비를 건설해 2022년 완공한 후 2025년 상업화할 계획이다.
악센스는 프랑스 석유‧신에너지 연구소(IFPEN)를 보유한 IFP 그룹 소속으로, 석유화학과 가스 분야에서 다양한 라이선스를 공여하고 있다.
2020년 9월에는 일본환경설계(JEPLAN)가 악센스, IFPEN과 PET(Polyethylene Terephthalate) 수지의 CR(Chemical Recycle) 처리를 위한 연계협정을 체결하고 모노머 BHET(Bis(2-Hydroxyethyl) Terephthalate)를 고순도제품으로 추출하는 신규 프로세스를 공동으로 개발하고 있다.
스미토모케미칼이 도입을 결정한 Atol 기술은 2014년 악센스와 토탈(Total), IFPEN 3사가 공동 개발했으며 토탈이 촉매 처방을 개발하고 IFPEN이 촉매 기능을 높여 악센스가 상업화 수준으로 완성한 것으로 알려졌다.
세키스이케미칼은 미국 벤처기업이 보유한 미생물을 사용해 폐플래스틱을 포함한 잡다한 가열 폐기물을 일절 분리하지 않고 가스화해 미생물 먹이용 가스로 정제하고 미생물이 에탄올을 생성하도록 하는 기술을 세계 최초로 개발했다.
파일럿 설비에서 검증을 완료해 이와테현(Iwate)에 상업생산 10분의 1 스케일로 최종 실증설비를 건설하고 있으며 앞으로 실증설비에서 나오는 에탄올을 스미토모케미칼에게 공급해 에틸렌으로 전환하고 플래스틱으로 제조해 탄소순환 고리를 완성하겠다는 목표를 세우고 있다.
클라리언트, 재생 에틸렌 베이스 난연제 개발
클라리언트(Clariant)는 지속가능한 첨가제 사업체제 구축에 주력하고 있다.
클라리언트는 첨가제 사업에서 지속가능성을 추구하기 위해 재생가능 원료로 생산한 에틸렌이나 겨기름 생산과정에서 나온 부산물을 사용한 그레이드를 잇따라 출시함으로써 생산제품군 확충을 시도하고 있으며 독일 사업장에서는 모든 전력을 재생가능 에너지 베이스로 전환했다.
원료 대체와 전력원 전환을 통해 차별화를 도모하고 미래 성장을 위한 기반 마련에 총력을 기울이고 있다.
클라리언트는 최근 재생가능 원료로 생산한 에틸렌을 PA(Polyamide)나 폴리에스터(Polyester)용 난연제 용도로 투입하고 있다.
디에틸포스핀산 금속염을 Exolit Op Terra 브랜드로 공급하고 있으며 리사이클 과정을 여러 번 거쳐도 UL94 규격에서 V-O 난연성을 유지하는 것을 확인했다.
에틸렌은 각종 폐기물, 잔사유, 식물유 등 100% 재생가능한 원료 베이스로 생산하는 핀란드 네스테(Neste)로부터 조달하고 있다.
클라리언트는 2018년 네스테가 공급하는 재생가능 원료를 사용한 에틸렌과 프로필렌(Propylene)을 활용해 첨가제를 개발하기로 합의했으며 최근 난연제 상업화에 성공했다.
겨기름 생산과정에서 나오는 부산물을 사용한 Licocare RBW Vita 시장 개척도 순조롭게 추진하고 있다.
유동성, 난연성이 우수한 고기능 왁스로 고온 환경에서도 안정성을 나타내는 것이 특징이며 비식용 원료를 사용함으로써 호평을 받고 있다. PA, 폴리에스터, 바이오 플래스틱, 에폭시수지(Epoxy Resin) 용도에서 시장 확대를 기대하고 있다.
지속가능한 원료를 사용하는 생산제품군을 확충하는 동시에 생산체제 전환도 가속화하고 있다.
최근에는 독일 Knapsack 공장의 전원을 수력, 풍력 베이스 전력으로 전환해 연간 7300톤에 달하는 이산화탄소 배출량을 감축하고 있다.
클라리언트는 2025년까지 에너지 소비량을 2013년에 비해 30%, 온실가스 배출량은 35% 감축할 계획이며, Knapsack 공장의 전력원 전환도 목표 달성을 위한 방안 가운데 하나로 추진하고 있다. (강윤화 선임기자: kyh@chemlocus.com)