[이달의 과학기술자상] 이원호 LG화학기술硏 공정기술센타장

촉매 국산화로 화학공업 경쟁력 높여촉매는 화학반응에 있어서 반응속도를 촉진하는 물질이다.

촉매는 화학공업에서 가장 중요한 물질이지만 국내 촉매제조기술은 초보적 수준에 머물고 있어 우리나라는 대부분 수입에 의존하고 있다.

특히 그동안 연구실 수준에서는 촉매생산에 몇차례 성공했으나 상업화단계에서 거의 실패했다. 비용이 많이 들고 위험부담이 커서 상업화를 못했던 것이다.

이달의 과학기술자상 6월 수상자(63회)로 선정된 LG화학 기술연구원 공정기술센타장 이원호박사는 아크릴산을 제조하는데 쓰이는 촉매를 개발해 상업화하는데 성공했다.

이 박사는 프로필렌을 공기와의 2단계 반응을 거쳐 화학제품의 원료인 아크릴산을 제조하는 공정기술의 핵심인 2종의 금속산화물 촉매를 자체 개발했다. 또 이 촉매를 대량 생산할수 있는 촉매공장을 건설하고 촉매를 연간 12만톤 생산했다.

이는 국내 화학공업 사상 최초로 고체상태의 촉매를 상업화한 것으로 화학공업의 경쟁력을 높이고 촉매기술의 국산화 연구개발에 긍정적 영향을 미쳤다는 평가를 받고 있다.

이 박사는 두차례에 걸쳐서 2차 촉매를 생산하고 전량 교체하는데 성공했으며 2000년에는 일시 가동을 중단했던 LG화학 나주 제1공장에 자체 개발한 1,2차 촉매를 전량 적용해서 연간 2만6,000톤 규모의 공장을 성공적으로 재가동시켜 아크릴산 촉매의 완전 국산화를 이룩했다.

2001년에는 LG화학의 나머지 2개 공장의 촉매를 전량 성공적으로 교체함에 따라 LG화학 3개 공장의 촉매를 모두 국산화하는데 성공했다.

연구과정에서 어려움에 대해 이 박사는 "국내 처음으로 시도하는 시험이어서 모델이 없어 많은 시행착오를 겪었다"며 "기술이전을 꺼리던 일본측에서 우리가 성공했다는 소식을 전해듣고 깜짝 놀랐다"고 당시를 돌아봤다.

그는 기술이 자립화안돼 일시적으로 문을 닫았던 나주공장을 우리기술로 다시 가공했을 때 가장 큰 보람을 느꼈다고 말했다.

아크릴산은 알코올과 에스테르 반응을 거쳐 아크릴레이트를 제조하는데 주로 사용되는 화학물질로 고순도로 정제된 아크릴산은 기저귀, 생리용품 등에 쓰이는 고흡수성수지를 만드는 원료로도 사용된다.

아크릴레이트는 도료, 섬유, 산화방지제, 종이류의 코팅제, 접착제, 잉크 등에 사용된다. 전세계 아크릴산은 이 공정의 촉매기술을 보유하고 있는 독일의 바스프와 일본의 NSCL, 미쓰비시가 대부분 생산하고 있다.

이번 기술개발로 LG화학의 촉매수입비용 80억원이 절감됐으며 공장 재가동으로 연간 182억원의 생산량이 늘어났다.

또 종전에는 촉매의 수명만을 고려해서 반응기를 운전했지만 싼 비용으로 촉매공급이 가능하므로 촉매수명을 단축시키더라도 아크릴산 생산을 최대로 하는 수익증대 측면으로 반응기 운전이 가능하게 됐다.

프로필렌을 2단계로 산화시켜 아크릴산을 제조하는 공정은 심한 발열을 수반하는 공정이다.

열교환기 형태의 반응기 속에는 생산량에 따라 수천개이상의 1인치짜리 관들로 채워져 있으며 그속에 1단계 촉매와 2단계 촉매가 불활성 물질을 사이에 두고 연속으로 채워져 있다. 그리고 1단계 촉매층과 2단계 촉매층의 반응온도는 독립적으로 제어된다.

촉매가 채워진 관들 사이에는 반응에서 발생하는 열을 식히기 위해 용융염이 반응기 외부의 열교환기를 거쳐 순환하도록 돼 있다.

이 촉매가 채워진 관속으로 프로필렌과 공기가 지나가면서 1단계 촉매층에서는 아크로레인으로 전환되고 2단계 촉매층에서는 아크릴산으로 최종 전환된다.

2단계 촉매층을 통과한 후의 생성물에는 미반응 프로필렌, 아크로레인, 아크릴산, 물을 포함한 200여종이상의 부산물들이 섞여 있으므로 반응기 후반의 정제부분을 거쳐 순도가 낮은 아크릴산이 얻어진다. 고순도 아크릴산은 이 아크릴산을 고순도로 다시 정제한 것이다.

이 박사는 촉매의 성분과 역할, 성분비율 등에 관한 체계적인 연구를 통해 각 반응단계의 촉매의 활성과 아크로레인 및 아크릴산의 선택도에 미치는 주요 인자들과 제조방법을 찾아내 최적의 촉매의 조성, 조성비, 제조방법 등을 확립했다. 촉매 제조 공정에 관한 특허를 국내외에 출원했으며 이미 미국과 일본에 등록을 마쳤다.

이 박사는 "촉매 성능개량 연구를 계속 수행하고 있으며 다음 촉매교체시에는 지금보다 훨씬 우수한 성능의 촉매를 생산해 적용할 예정이며 수출도 계획하고 있다"고 밝혔다.

연성주기자