‘가설’ 속 폴리에스테르섬유 원료 제조 메커니즘 첫 규명

주변에서 흔히 볼 수 있는 폴리에스테르 섬유, 페트병, 필름의 원료로 사용되는 파라-자일렌은 메타-자일렌*1의 이성질화 반응을 통해 얻을 수 있는 석유화학 기초 소재지만, 그 생성 메커니즘이 전적으로 가설에 의존하고 있었다.

POSTECH 연구팀이 이런 ‘가설’을 실제로 규명해내며 학계의 주목을 받고 있다.

화학공학과·환경공학부 홍석봉 교수·박사과정 민형기씨 팀은 가스크로마토그래피-질량분석법*2과 동위원소 치환법을 이용하여 제올라이트*3 촉매상에서 메타-자일렌이 파라-자일렌으로 전환되는 반응 메커니즘을 규명하는데 성공했다.

이 메커니즘의 규명은 그간 한 회사가 독점적으로 개발하고 있던 상용촉매제보다 우수한 촉매를 개발하는데 중요한 단초를 제공하는 것으로 학문적·산업적으로 그 중요성을 인정받아 미국화학회가 발행하는 촉매분야 전문학술지 6월호 표지논문으로 선정됐다.

파라-자일렌 시장은 특히 폴리에스테르 섬유 생산이 증가하고 면화 가격이 상승함에 따라 크게 영향을 받으며 지난 2010년 하반기부터 호황을 맞이, 세계 시장 규모가 60조원에 달한다. 특히 엑슨모빌(ExxonMobil)과 BP 등 다국적 석유화학 기업 뿐만 아니라 SK, GS칼텍스, S-Oil 등의 국내 기업 역시 제올라이트계열 촉매인 ZSM-5를 이용해 파라-자일렌을 생산하고 있다.

파라-자일렌을 생성하는 대표적인 상용 공정은 메타-자일렌이 촉매와 만나 불균일촉매 반응*4을 일으켜 파라- 또는 오쏘-자일렌으로 전환되는 것으로, 다른 기술들과 달리 그 반응 메커니즘이 ‘가설’로만 정리되어 있을 뿐 실험적으로 증명된 바가 없었다.

POSTECH 연구팀은 메타-자일렌의 이성화 반응에서 반응중간체를 직접 관찰해 ‘생성물질과 반응중간체에 의한 형상선택성(Product and Transition-State Shape
Selectivity)’을 실제로 증명하는데 성공했다.
이는 화학반응을 통해 만들어지는 생성물질 또는 반응중간체의 크기 및 모양에 따라 최종 생성물 분포가 달라짐을 의미하는 것으로 지금까지 이를 실험적으로 증명한 연구팀은 없었다.

연구를 주도한 홍석봉 교수는 “그간 가설에 그쳤던 불균일촉매 반응 메커니즘을 규명해냄에 따라 앞으로 ZSM-5보다 우수한 제올라이트계열의 촉매제를 개발해낼 수 있을 것으로 기대하고 있으며 학계 역시 이 분야의 새로운 비전을 제시했다는 평가를 내리고 있다”며 “이 성과와 함께 ZSM-5보다 반응활성과 선택성이 우수한 새로운 촉매도 개발해냈다”고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 ‘중견연구자 지원사업(도약연구)’의 지원을 받아 수행됐다.

1. 자일렌 (xylene)
다이메틸벤젠, 자일롤로도 불리는 것으로 주로 인쇄, 고무, 가죽 산업에서 용매로 사용되며, 오쏘-자일렌, 메타-자일렌, 파라-자일렌 등 3가지 이성질체가 있다. 메타-자일렌은 합성수지의 원료로, 파라-자일렌은 폴리에스테르 합성섬유의 원료로 주로 사용된다.

2. 가스크로마토그래피-질량분석법
화학물질분석법의 종류.

3. 제올라이트 (zeolite)
나트륨, 알루미늄을 함유한 함수규산염 광물로 비석으로도 부른다. 결정 구조가 독특해 흡착제나 촉매제로 사용된다.

4. 불균일촉매
화학반응에서 반응물, 생성물과 섞이지 않고 불균일혼합물을 형성하는 촉매로 주로 고체.