한국에너지기술연구원 연구진이 펠렛 형태로 성형한 레드머드 촉매(왼쪽)과 산업폐기물 레드머드 원료(오른쪽)를 들어보이고 있다.[한국에너지기술연구원 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 이산화탄소보다 1300배 더 강력한 온실가스 ‘냉매’를 처치 곤란한 산업 폐기물로 해결할 수 있는 기술이 개발됐다.

한국에너지기술연구원 수소융복합소재연구실 이신근 박사 연구팀은 알루미늄 제조 과정에서 나오는 산업폐기물 ‘붉은 진흙(이하 레드머드)’을 촉매로 만들어 에어컨, 냉장고 등 가전제품에 사용되는 HFC-134a 냉매를 99%의 효율로 분해하는데 성공했다.

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

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.

산업폐기물 레드머드 원재료(왼쪽)와 펠렛 형태로 성형한 레드머드 촉매(오른쪽).[한국에너지기술연구원 제공]

에어컨, 냉장장치에 사용되는 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.

이번 연구를 수행한 한국에너지기술연구원 연구진. 이신근(윗줄 왼쪽부터 시계방향) 박사, 남성찬 박사, 백일현 박사, 이은한, 곽인헌 학생연구원.[한국에너지기술연구원 제공]

연구진이 개발한 촉매는 100시간 동안 99% 이상의 높은 분해율을 유지해 우수한 냉매 분해 성능을 나타냈다. 또 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.

이신근 박사는 “레드머드는 강한 알칼리 물질로 주변 환경에 유입 시 심각한 환경오염을 일으킬 수 있으나 이를 처리, 재활용할 수 있는 기술이 마땅치 않았다”며 “개발한 촉매 제조 기술은 폐기물을 재활용해 환경오염을 저감시킬 뿐만 아니라, 강력한 온실가스 효과를 지닌 냉매도 우수한 성능으로 분해할 수 있는 결과”라고 말했다.

이번 연구결과는 국제학술지 ‘저널 오브 인더스트리얼 앤 엔지니어링 케미스트리’에 게재됐다.