▲ 펠렛형태로 성형한 레드머드 촉매(左)와 산업폐기물 레드머드 원재료(右)

국내 연구진이 처치 곤란한 산업 폐기물로 이산화탄소보다 1,300배 강한 온실가스 ‘냉매’ 잡는 기술을 개발해 산업 부산물 처리는 물론 온실가스 저감 및 토양·수질 오염문제를 해결해 일석삼조의 효과가 기대된다.

한국에너지기술연구원(이하 에너지연)은 수소융복합소재연구실 이신근 박사 연구진이 알루미늄 제조 과정에서 나오는 산업 폐기물 ‘붉은 진흙(레드머드)을 촉매로 만들어 에어컨, 냉장고 등 가전제품에 사용되는 HFC-134a 냉매를 99%의 효율로 분해하는데 성공했다고 17일 밝혔다.

레드머드(Red Mud)는 보크사이트라는 광물로부터 산화알루미늄을 회수하고 남은 산업 부산물로 철, 알루미늄, 규소 등의 산화물을 포함하고 있어 붉은 색을 나타내며 연간 20만 톤 이상 발생한다.

HFC-134a 냉매는 기존 냉매인 CFC(염화불화탄소), HCFC(수소염화불화탄소)를 대체하기 위해 개발된 HFC(수소불화탄소) 계열의 화합물로 냉장고, 에어컨 등의 냉매로 활용되며, 이산화탄소의 1,300배에 달하는 지구온난화 잠재력을 가졌다.

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

냉매 HFC-134a는 관련 법에 따라 폐가스 처리업체를 통해 처리되고 있다. 주로 연소, 플라즈마 방식을 통해 처리하고 있으나 연소는 과정 중 질소산화물을 비롯한 2차 오염물질이 발생하고, 플라즈마를 이용한 고온 분해는 많은 에너지와 설비비용이 필요하다. 또 반응기가 커질수록 효율이 떨어지는 문제 등으로 인해 저온에서 안정적이며 오염물질 발생이 적은 냉매를 처리할 수 있는 기술이 필요하다.

연구진은 이러한 한계를 극복하기 위해 플라즈마에 비해 낮은 온도에서 처리가 가능한 촉매 분해 기술을 개발했다. 특히 연구진은 레드머드에 함유된 철과 알루미늄 등 여러 금속 성분이 상호작용해 강력하고 안정적인 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. 또 흡착과 전기이동 등 촉매 반응을 위한 계면 현상이 일어나기 좋은 환경을 조성해 촉매의 내구성과 활성을 향상시키는 지지체 역할을 한다.

연구진은 분해 성능을 더욱 향상시키기 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 높이는데 사용되는 물질로, 촉매 입자의 결합을 강하게 만들고 반응면적을 높여 분해 성능을 향상시킨다.

또 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.

연구진이 개발한 촉매는 100시간 동안 99% 이상의 높은 분해율을 유지하고 간단한 건조와 분쇄 공정을 통해 시간 당 1kg을 생산할 수 있어 대량 생산에도 용이하다. 특히 산업 폐기물을 재활용해서 만들기 때문에 원료에 투입되는 비용이 없고 폐기물 처리 비용 절감과 추가 수익 창출까지 기대할 수 있다.

연구책임자인 이신근 박사는 “개발한 촉매 제조 기술은 폐기물을 재활용해 환경오염을 저감시킬 뿐만 아니라, 강력한 온실가스 효과를 지닌 냉매도 우수한 성능으로 분해할 수 있는 결과”라고 말했다.

한편, 이번 연구는 에너지연 기본사업의 지원을 받아 수행됐으며, 연구결과는 국제 저명학술지 ‘저널 오브 인더스트리얼 앤 엔지니어링 케미스트리(Journal of Industrial and Engineering Chemistry)’에 게재됐다.