안녕하세요, 블로그 지기입니다. 오늘은 석유화학뿐만 아니라, 화학 전반에서 아주 중요하게 다뤄지는 물질, ‘촉매’에 대해 알아볼 텐데요. 촉매는 우리 일상생활 속에서도 많은 역할을 하고 있습니다. 자동차 배기구 안에 백금이 배기가스를 정화하는 촉매역할을 하고, 겨울철 주머니 난로를 따뜻하게 하는 데에도 백금 촉매가 들어있답니다. 심지어 우리 몸에도 단백질로 이뤄진 효소가 반응 속도를 조절해주는 촉매 역할을 하는데요. 이런 촉매가 석유화학 공정 속에서는 어떻게 활용되고 있는지, 알아볼까요?
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촉매는 무엇인가요?
석유화학 공정에서 촉매는 빼놓을 수 없는데요. 석유화학 산업에서 주로 쓰이는 올레핀(Olefin)은 보통 800도 이상의 고온으로 석유를 증기 분해해 제조합니다. 그런데 실제로 800도까지 열을 가하려면 많은 에너지가 필요하기도 하고, 이산화탄소 같은 온실가스 발생이 늘기도 합니다. 이럴 때 필요한 게 바로 촉매죠!
촉매는 화학반응을 도와주는 물질로, 더 낮은 압력과 온도 조건에서도 원하는 반응을 선택적으로 일어나게 하는 역할을 합니다. 촉매를 이용하면 올레핀을 증기 분해할 때, 800도가 아닌 더 낮은 온도에서도 증기 분해가 가능합니다. 덕분에 에너지를 적게 사용해 환경오염을 줄일 수 있는데요. 그래서 정유 및 석유화학 분야에서는 다양한 용도로 촉매를 활용하고 있으며, 응용 분야와 사용량은 지속적으로 늘어나고 있는 추세입니다.
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촉매, 인류 역사를 바꾸다
‘물질의 반응 속도를 조절한다’라니, 마법처럼 들리지 않나요? 자연 상태에서 아주 천천히 일어나는 반응을 촉매를 이용해 보다 빠르게 일어나게 함으로써 인류의 역사가 바뀐 일이 있습니다. 바로, 비료의 원료로 사용되는 암모니아를 합성하는 철 촉매를 개발한 일인데요. 암모니아를 만들기 위한 원료인 질소와 수소는 매우 안정된 분자이기 때문에 반응이 쉽지 않습니다. 하지만, 1913년 철 촉매가 개발돼, 고온, 고압의 환경에서 암모니아를 만들 수 있게 됐습니다.
암모니아를 합성하는 철 촉매 개발은 ‘녹색혁명’이라는 말이 생길 만큼 농업 생산성을 증가시키기도 했는데요. 식량이 풍부해진 덕에, 인구 수는 폭발적으로 늘어나게 됩니다. 그렇다면 석유화학 공정에서는 어떤 촉매가 패러다임을 바꿨을까요?
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폴리에틸렌을 쉽게 만든 지글러-나타(Ziegler-Natta) 촉매
석유화학 산업 발전에 기폭제가 된 촉매를 꼽으라면 단연 지글러-나타(Ziegler-Natta) 촉매를 꼽을 수 있는데요. 독일의 화학자 칼 지글러(Karl Ziegler)와 이탈리아의 화학자 줄리오 나타(Giulio Natta)가 개발해 이름 붙여진 지글러-나타 촉매는 석유화학 산업의 가장 기초 제품 가운데 하나인 폴리에틸렌을 만들기 위해 쓰입니다. 지글러-나타 촉매를 개발하기 전에는 200도 이상의 고온과 2,000기압 이상의 고압 환경에서만 폴리에틸렌을 만들 수 있었다면, 이 촉매를 사용하면 상온·상압의 조건에서도 에틸렌을 쉽게 중합시킬 수 있답니다. 이들은 지글러-나타 촉매를 개발한 공로를 인정받아 1963년 노벨 화학상을 받기도 했습니다.
이후, 줄리오 나타는 지글러-나타 촉매를 더욱 발전시켜, 프로필렌을 중합해 폴리프로필렌으로 만들 수 있는 촉매를 발견했습니다. 당시 프로필렌은 중합이 매우 어려워 쓸모가 없었는데요. 줄리오 나타가 발견한 중합 촉매의 사용 이후, 플라스틱 생산량이 폭발적으로 증가했답니다!
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효율적인 촉매 개발, 석유화학의 경쟁력
지글러-나타 촉매 이후로도 석유화학 업계에서는 보다 나은 촉매 개발에 힘쓰고 있습니다. 단일 단량체로 만들어진 제품으로는 경쟁력을 확보하기가 어렵기 때문에 두 종류 이상의 단량체를 혼합해서 만드는 Block PP나 Ter PP와 같은 고부가 제품을 지속해서 개발하고 있는데요. 이런 제품은 구조가 복잡해서 만들기는 어렵지만, 복합적인 물성을 구현할 수 있어 경쟁력 확보에 용이합니다. 이런 복잡한 제품을 만들기 위해서도 바로 촉매가 중요한 역할을 하는 것이죠.
한화토탈은 1990년 연구소를 개소한 이후, 꾸준한 연구를 통해 국내 석유화학사 중 유일하게 폴리프로필렌 중합 촉매를 독자 개발하는 데 성공했답니다. 또, 2014년 2월 환경호르몬인 프탈레이트가 없는 친환경 PP 촉매를 개발한 성과도 얻었습니다. 19년 기준, 한화토탈 공장에는 연구소에서 자체 개발한 5개의 촉매를 적용해 사용하고 있다고 합니다.
오늘은 화학에서 중요하게 여겨지는 촉매에 대해 알아봤습니다. 촉매를 통해 우리 인류는 풍족한 식량을 얻고, 플라스틱을 대량생산할 수 있었는데요. 우리의 일상을 더 풍요롭고, 편리하게 만들어 준 촉매, 앞으로 석유화학에서도 꾸준한 촉매 연구로, 우리 일상을 바꿀 새로운 물질이 더 발견되길 기대해주세요!
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주사기부터 자동차까지 쓰이는 다양한 폴리프로필렌(PP)
석유화학 제품은 합성을 통해서 플라스틱, 합성고무 등과 같은 우리의 일상 생활 속 다양한 소재를 만드는데요. 기초유분인 에틸렌, 프로필렌 등을 합성해 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP)
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종합 케미칼 & 에너지 리더,
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