폐목재 속 리그닌, 차세대 바이오 소재로

이종호 기자 / 기사승인 : 2019-12-30 12:00:09
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유니스트 이동욱 교수팀, 리그닌 분자 상호작용 힘 규명, 정량화
석유화학산업, 바이오메디컬 분야에서 고부가가치 소재 활용 쉬워져

[울산저널]이종호 기자= 식물 세포벽의 주성분인 리그닌은 목재의 30~40퍼센트를 차지하는 고분자 물질이다. 리그닌은 바이오 연료나 종이를 생산하는 과정에서 연간 5000만 톤가량 나오지만 대부분 폐기되거나 단순한 땔감으로 사용된다. 최근 폐목재 등에 많이 포함된 리그닌을 바이오 연료나 바이오 플라스틱, 분산제, 접착제 등의 차세대 바이오 소재로 활용하는 방안이 제안되기 시작했지만 실제 산업에 쓰이는 비중은 2014년 기준으로 2퍼센트에 그친다. 리그닌 분자가 다른 재료와 잘 섞이지 않아 상업적 활용이 어려웠기 때문이다. 

 

울산과학기술원(유니스트) 에너지 및 화학공학부 이동욱 교수팀은 물을 싫어하는 물질끼리 뭉치려는 힘(소수성 상호작용)이 리그닌 분자의 뭉침과 퍼짐을 결정한다는 점을 밝혀냈다. 1저자인 송유정 연구원은 "리그닌은 분자구조가 불규칙하고 응집력이 강해 다른 물질과 섞이지 않기 때문에 상용화가 어려웠다"며 "리그닌은 고부가가치 생성물로 만들려면 리그닌 분자 간 상호작용을 이해하고 정량적으로 분석해야 한다"고 말했다.

 

아주 가까운 거리 간 힘을 측정하는 SFA라는 장비를 이용해 수용액에 있는 리그닌에 작용하는 여러 힘을 측정한 결과 리그닌의 응집력에는 소수성 상호작용이 가장 큰 영향을 줬고, 리그닌이 포함된 수용액에 전하를 띄는 염을 넣어주면 리그닌의 응집력을 조절할 수 있다는 것을 밝혀냈다. 염이 리그닌 분자 표면에 달라붙으면서 리그닌 분자끼리 뭉치려는 힘을 차단하기 때문이다.

 

이 원리는 '활성탄'의 강도를 높이는 데도 활용할 수 있다. 석유화학공정에서 액상에 포함된 독성물질을 흡착해 제거하는 활성탄은 빠른 유속 때문에 입자가 풀어질 수 있는데 리그닌-활성탄 복합체로 해결할 수 있다는 것. 리그닌과 활성탄은 모두 물을 싫어하는 성질이 있어 수용액에서 서로 강하게 결합했고 복합체가 더 단단해졌는데 연구팀은 복합체를 만드는 과정에서 염의 농도를 조절해 다양한 강도를 구현하고 정량화했다.

 

이동욱 교수는 "이 연구를 통해 산업폐기물로 여겨지던 리그닌의 분자적 상호작용 원리를 분석했고, 리그닌의 상업적 활용에 중요한 데이터베이스를 확보했다"며 "정량적 연구결과를 이용하면 리그닌을 각종 석유화학산업과 바이오메디컬 분야에서 고부가가치 소재로 활용하는 게 좀 더 쉬워질 것"이라고 말했다.

 

이 연구는 미국화학회가 발간하는 ‘ACS Sustainable Chemistry&Engineering’ 12월 2일자에 공개됐다.

 

▲a 식물 2차 세포벽 도식도,  b 그리닌 필름 간의 상호작용 힘을 측정했다. c 리그닌 표면 위 농도에 따른 염 이온 흡착 메커니즘. 염이 그리닌 분자 표면에 달라붙어 응집을 억제한다. d 리그닌 분자 간 상호작용 이론 분석. e 표면에 따른 리그닌 접착력 비교. 리그닌-리그닌 상호작용 및 그리닌-소수성 작용기 상호작용 모두 염의 농도가 증가함에 따라 접착력이 줄어들었다. 

 

▲a 압축 강도 모식도와 샘플 모습. b 대표적인 압축 응력-변형률 선도. c 리그닌 함량에 따른 복합체 압축 강도 비교. d 염 농도에 따른 복합체 압축 강도 경향. 염 농도에 따라 강도가 감소하는 것을 볼 수 있다. 

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이종호 기자
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