MCI, 상온‧상압 생산기술 개발 … 이산화탄소 베이스 에탄올 생산

일본이 상온‧상압에서 암모니아(Ammonia)를 생산하는 기술을 개발한다.
미쓰이케미칼(MCI: Mitsui Chemicals)은 2021년 11월 규슈(Kyushu)대학 내부에 설립한 MCI-CNRC(Mitsui Chemicals Carbon Neutral Research Center)를 통해 빛과 바이오 촉매를 활용함으로써 상온‧상압에서 공기와 물로 암모니아, 수소를 합성하는 기술 개발에 착수한 것으로 알려졌다.
빛을 받는 무기촉매와 전자가 이동하는 캐리어 역할을 하는 환원형 화합물, 암모니아와 수소를 생성하는 바이오 촉매가 각각의 기능을 발현하는 기술이어서 주목된다.
바이오 촉매 개발을 위해 특수 배지에서 배양한 시아노박테리아를 채용해 효소의 힘으로 목적물을 생성할 방침이며, 금속 나노큐브 촉매를 활용해 이산화탄소(CO2)를 원료로 에탄올(Ethanol)을 합성하는 기술 개발도 진행하고 있는 것으로 알려졌다.
모두 NCC(Naphtha Cracking Center) 경쟁력 강화에 기여하는 기술로 2030년까지 대규모 실증을 시작할 계획이다.
MCI-CNRC는 △그린수소 생산‧이용 △이산화탄소 분리‧포집 △이산화탄소 변환‧고정화 △고도 분석‧평가를 중심으로 총 13개의 연구 과제를 수행하고 있으며, 대부분 프로젝트에서 2030년까지 기술 성숙도 레벨(TRL) 3단계(개념실증)를 마치고 실증실험에 돌입할 계획이다.
현재까지 총 4건의 특허를 출원했고 상온‧상압 암모니아 생산기술, 이산화탄소 베이스 에탄올 합성기술 등은 2023년 특허 출원을 마친 것으로 알려졌다.
상온‧상압 암모니아 생산기술은 수분해를 활용한 수소 생성반응과 암모니아 합성을 동시에 실현하는 것으로 무기촉매와 전하 이동용 바이오 촉매의 반응을 단일한 반응기에서 실현하는 것이 강점이 될 것으로 기대하고 있다. 무기촉매에 빛을 조사해 전하 이동을 발생시키고 전자가 바이오 촉매를 향하도록 하며 바이오 촉매로 사용한 시아노박테리아의 특화된 세포인 헤테로시스트의 질소고정효소가 수소를 발생시킴과 동시에 공기 중 질소로부터 암모니아를 합성할 계획이다.
전기화학적 환원을 활용하는 이산화탄소 베이스 알코올 합성기술은 물에 전압을 가해 양성자를 발생시키고 이산화탄소 함유 가스와 반응시키는 프로세스로 플로우 타입 전기화학 셀에 금속을 담지시킨 나노 구조체 촉매를 도입할 예정이다.
생성물은 에탄올 함유 수용액, 미반응 이산화탄소 외에 일산화탄소(CO), 수소가 부생돼 금속 원소 담지량으로 에탄올 수율을 최대화할 수 있을 것으로 예상된다.
미쓰이케미칼은 2개 기술 모두 이산화탄소 배출량이 많은 NCC 구조전환에 기여할 것으로 기대하고 있으며, 특히 상온‧상압 암모니아 생산기술은 NCC 연료로 메탄(Methane)을 주성분으로 생산한 암모니아를 도입할 때 활용 가능성이 클 것으로 판단하고 있다.
앞으로 섭씨 400-600도 고온과 200-400기압의 고압 환경에서 암모니아를 생성하는 하버보슈법보다 높은 경쟁력을 갖추도록 개발하고 2030년경 실제 스팀 크래커에서 실증할 계획이다.
이산화탄소 베이스 에탄올은 탈수반응시켜 에틸렌(Ethylene)으로 전환하는 작업이 비교적 용이하다는 점에서 강점을 갖출 것으로 전망하고 있다.
미쓰이케미칼 뿐만 아니라 많은 석유화학기업들이 이산화탄소, 수소를 원료로 사용하는 메탄올 생산기술을 개발하고 있으나 대부분 개발 프로젝트가 에틸렌 생산을 위해 MTO(Methanol to Olefin) 공정을 거쳐야 하는 반면, 미쓰이케미칼의 신규 프로세스는 에너지 감축에서 우위성을 갖출 수 있기 때문이다.
원료 이산화탄소 함유 가스는 MCI-CNRC에서 진행하는 이산화탄소 분리‧포집 기술과의 조합도 가능할 것으로 기대하고 있다. (강윤화 책임기자)