처치 곤란한 폐타이어로 섬유 만든다

폐타이어를 유용한 고부가가치 화합물로 합성하는 데 성공한 연구진. 왼쪽부터 최경민 연구원, 박범순 박사, 홍순혁 카이스트 화학과 교수, 조경일 국립창원대 교수. 카이스트 제공

전 세계적으로 매년 수십억 개의 타이어가 폐기된다. 대형차에 사용되는 타이어에는 철심이 들어가 있고 일반 타이어도 다양한 화학첨가물이 들어 있어 재활용이 쉽지 않아 심각한 환경 오염의 주요 원인으로 지목받아 왔다. 국내 연구진이 폐타이어를 고무나 나일론 섬유 원료로 전환할 수 있는 방법을 개발해 주목받고 있다.

카이스트 화학과 연구팀은 이중 촉매 기반 연속 반응 시스템을 개발해 폐타이어를 고부가가치 화학 원료인 고순도 고리형 알켄으로 선택적으로 전환하는 데 성공했다고 26일 밝혔다. 이번 연구 결과는 화학 분야 국제 학술지 ‘켐’(Chem)에 실렸다.

폐타이어는 합성고무와 천연고무의 복합체로 물리적 강도와 내구성을 높이기 위해 실리카, 카본블랙, 산화방지제 등 첨가제가 포함됐다. 가황 공정으로 고무 분자 사슬 간 가교를 만들어 열과 압력에 강한 구조를 갖게 하는데, 이것이 폐타이어의 화학적 재활용을 어렵게 하는 원인이 되고 있다. 지금까지 폐타이어 재활용은 물리적으로 잘게 분쇄하거나 350~800도의 고온에서 고분자 사슬을 분해해 연료유로 전환하는 열분해 방식에 의존했다. 그렇지만, 재활용 과정에서 에너지 소비가 크고, 활용도가 낮을뿐더러 저품질의 탄화수소 혼합물이 나온다는 한계가 있었다.

국내 연구진이 개발한 폐고무의 화학적 재활용 촉매 방법 카이스트 제공

연구팀은 고무 분자 내 결합 구조를 바꿔 분해를 쉽게 만들고, 고리 모양 화합물 생성을 촉진하는 두 가지 촉매를 활용해 폐고무를 유용한 고부가가치 화합물로 바꾸는 방법을 개발했다. 이를 통해 최대 92%의 선택성과 82%의 수율을 확보했다. 이렇게 만든 고리형 펜텐은 다시 고무로 재활용할 수 있고, 고리형 헥센은 나일론 섬유 원료로 사용할 수 있다.

실제 폐기물로 버려진 폐타이어에 적용했을 때도 고순도의 고리형 알켄 전환에 성공했다. 기존 열분해 방식과 달리 저온의 정밀 촉매 반응을 통해 화학 원료 합성이 가능하며, 다양한 종류의 합성고무와 폐고무에 적용이 가능하다고 연구팀은 설명했다.

연구를 이끈 홍순혁 화학과 교수는 “이번 연구는 기초화학으로 폐타이어의 화학적 재활용의 새로운 방식과 폐플라스틱 문제 해법을 제시했다는 데 의미가 크다”며 “경제성을 높이기 위해 고효율 촉매 개발과 상용화 기반 기술도 만들어 갈 것”이라고 말했다.

유용하 과학전문기자

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