화학저널

다이셀, 바이오 C4 타이어 실용화 … 나노 다이아몬드로 CO2 환원

다이셀(Daicel)이 바이오매스 관련 기술 기반을 대폭 확충한다.
다이셀은 목재 등을 구성하는 모든 성분을 유효하게 이용하는 바이오매스 밸류체인을 구상하고 있으며 식물유 베이스를 새로운 성장동력으로 주목하고 있다. 
최근 부타디엔(Butadiene) 플로우 합성에 성공하는 등 C4 화학제품 제조는 사업화 검토 단계에 진입했으며 2025년에는 바이오매스 타이어에 적용이 가능할 것으로 기대하고 있다.
별도의 바이오매스 관련 요소기술 축적도 함께 진행하고 있으며, 독자 개발한 나노 다이아몬드 관련 기술은 학술기관의 노하우와 융합시켜 이산화탄소(CO2) 환원 촉매로 사업화하는 방안을 검토하고 있다.
앞으로도 산관학 연계를 강화하는 바이오매스 이노베이션 센터를 통해 요소기술 사업화를 추진할 방침이다.
다이셀의 바이오매스 밸류체인 구상은 동맥에 해당하는 출발점으로 펄프를 경유하지 않고 목재를 분쇄‧용해하는 기술을 주목하고 있다.
기술 실현을 위해 2021년부터 교토(Kyoto)대학과 포괄적 업무협약(MOU)을 체결하고 실온에서 섭씨 60도 사이를 대상으로 한 초온화 용매 실장을 위해 2계통 공동연구를 추진하고 있다.
유기산으로 목질을 용해해 얻을 수 있는 리그노셀룰로직(Lignocellulosic) 이용법을 연구하고 있으며 목재 구성 성분인 셀룰로스(Cellulose), 헤미셀룰로스(Hemicellulose), 리그닌(Lignin)을 쉽게 분리‧추출할 수 있는 기술을 개발함으로써 섬유나 시트 등 다양한 형태로 제조 가능한 분자성 셀룰로스 집합체(MoCA) 이용에 나서는 것을 목표로 하고 있다.
바이오매스 이노베이션 센터에서 기술 실용화를 위한 스케일업을 추진하고 있으며 천연 상태에서는 복잡하게 가교돼 있는 리그닌을 부드럽게 분해‧추출하고 페놀(Phenol) 원으로 기능화하기 쉬운 저축합 리그닌 고분자 등 새로운 용도 개척을 검토하고 있다.
다이셀은 목질 베이스 뿐만 아니라 2010년대부터 미이용 바이오매스 자원 활용 방안을 연구해왔고 2023년 이후 사업화가 가능할 것으로 기대하고 있다.
2022년 일본 환경성 위탁연구 사업으로 채택된 바이오 부타디엔류 제조 실증을 통해 바이오디젤(Biodiesel) 제조공정에서 발생한 폐 글리세롤(Glycerol)을 출발원료로 채용했다. 글리세롤은 박테리아 발효를 거쳐 에리스리톨(Erythritol)로 변환되며 촉매 변환 후에는 부타디엔 등 C4 화학제품을 얻을 수 있다.
최근 트리클 베드(Trickle Bed) 연속 반응기로 부타디엔 연속 합성에 성공했고 BR(Butadiene Rubber) 중합 가능성도 확인한 것으로 알려졌다. 앞으로 요소기술 개발을 가속화하고 파트너와 협력을 본격화해 2023년 스케일업, 2025년 바이오매스 타이어 실용화를 추진할 방침이다.
C4 화학제품은 이태리 베르살리스(Versalis) 외에 바이오화 성공 사례가 거의 없고 대부분 C3 화학제품으로 한정돼 있으나 석유화학 베이스 화학제품은 최근 급부상한 셰일가스(Shale Gas) 베이스 에틸렌(Ethylene) 생산 과정에서 C4 등 중질유분이 대부분 부생되기 때문에 사업화한다면 바이오 전환에 새로운 원동력이 될 것으로 판단되고 있다.
다이셀은 도호쿠(Tohoku)대학과 함께 LCA(Life Cycle Assessment) 향상을 위한 연구를 가속화하면서 그동안 화장품 원료 사업에서 추진해온 바이오 BDO(Butanediol) 개발 가능성을 검토할 계획이다.
이산화탄소 환원 등 바이오매스 밸류체인 구상의 정맥으로 주목하고 있는 기술은 2018년 포괄적 연계협정을 체결한 가나자와(Kanazawa)대학과 셀룰로스 변성기술을 중심으로 시너지를 창출 가능할 것으로 기대하고 있으며 다이아몬드 반도체 등 새로운 연구 프로젝트도 준비하고 있다.
이산화탄소 광환원이 쟁점으로 다이셀은 새로운 용도 개척을 위해 폭파법 나노 다이아몬드를 반도체 전극으로 이용함으로써 수화전자를 효율적으로 발생시키는 고체 촉매를 개발할 예정이다.
현재 전해원으로 이용되는 귀금속 촉매는 가전자대를 형성하는 전극 표면에만 이산화탄소를 흡착시키고 있으나 나노 다이아몬드를 사용하면 표면에서 방출된 전자가 전도대에 존재하는 이산화탄소를 끌어오는 형태로 입체적인 반응을 유도할 수 있다.
다이셀은 현재 원료로 다량 사용하고 있는 일산화탄소(CO) 생산을 위해서도 나노 다이아몬드 기술을 활용할 계획이다. 이산화탄소는 에너지로서 안정적이고 불활성이기 때문에 전해환원 시 막대한 전력을 필요로 하며 광환원을 실시할 때도 자외선(UV) 등 높은 에너지 광을 요구하는 것으로 알려졌다.
나노 다이아몬드는 태양광에 포함된 가시광을 이용하는 것을 전제로 하고 있어 공장에서 배출된 이산화탄소를 유용한 화합물로 전환시키는 인공광합성 요소기술로 실용화가 가능할 것으로 기대된다.
다이셀 자체 공장을 포함해 아세틸 체인 중 일산화탄소 이용에 머무르지 않고 촉매로 상업판매함으로써 새로운 사업영역을 개척할 계획이다. (K)