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녹색화학
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녹색화학(綠色化學, Green chemistry)은 화학과 화학공학의 범주에 속하며, 위험한 물질의 사용 및 생성을 최소화하는 제품의 공정을 주 목적으로 하고 있다. 지속가능한 화학(Sustainable chemistry), 순환화학(循環化學, Circular chemistry)이라고도 한다. 오염 물질이 환경에 끼치는 영향에 주목하는 환경화학과 달리 녹색 화학은 오염을 미연에 방지하고, 재생불가능한 자원의 소비를 감소시키는 기술에 초점을 맞추고 있다.
목차
개요
화학 산업이 발전하면서 수많은 화학 제품이 개발되고 활용되었으며, 그에 수반하여 부작용도 많이 발생하고 있다. 이에 대응하여 화학 폐기물의 양을 줄이고, 에너지를 절약하며, 유해 물질의 사용 및 배출을 최소화하는 새로운 화학 제품 및 공정 개발을 위한 다양한 노력을 녹색 화학이라 한다.
동일 성능을 가지면서도 사용 과정이나 폐기 후에 건강과 환경에 미치는 영향이 적은 제품의 개발 및 사용, 동일 화학 제품 제조에 있어서도 유해성이 없는 원료 및 공정 조건으로 변경, 자원 부족에 대비하는 지속 가능한 화학 원료의 활용 등이 녹색 화학 활동이다. 녹색 화학을 실현하는 활동들이 전체 시스템을 고려할 때 경제적으로도 이익이 된다는 기본 명제 아래 수행되는 연구, 개발, 정책 개발을 포괄하는 개념이다.
배경
예방적 측면의 녹색화학 개념이 만들어지기 이전에 화학물질 연구의 중심은 기능이 좋은 물질의 경제적 생산이었다. 그러다 보니 생산과정에 있어 환경적으로 해롭거나 인체에 미치는 영향은 간과되곤 했다. 그러나 화학물질에 의한 심각한 피해 사례가 발생하자, 화학 연구의 방법론에 대한 반성이 필요하다는 시각이 대두했다. 대표적인 사례가 DDT이다. 탁월한 살충 효과를 가진 DDT는 농업 분야와 곤충으로 인한 질병 구제 영역에서 사용되었다. 하지만 레이첼 카슨의 <침묵의 봄>으로 무분별한 DDT 사용이 환경에 미치는 심각한 부작용이 알려진 후 DDT 사용과 함께 기존 화학 연구에 대해 자성의 목소리가 나타나기 시작했다.
DDT 외에도 냉매제인 CFC가 오존층 파괴를 일으키고 폐유에 포함된 다이옥신이 농토를 오염시키고 자연스럽게 인체에도 악영향을 끼친다는 연구 결과가 나왔다. 이러한 배경은 유해한 화학 물질의 사용을 줄이거나 생산하지 않는 화학 공정을 만들어야 한다는 새로운 화학 패러다임을 요구했고, 이에 녹색화학이 등장했다.
녹색화학의 12가지 원칙
미국 예일 대학의 아나스타스 (Paul Anastas)는 녹색 화학의 기본적 개념을 정리하여 다음의 12가지 원칙을 제시하였다.
- 폐기물 발생 방지 : 폐기물의 발생을 방지하는 것이 발생한 후 처리하는 것보다 바람직하다.
- 원자 경제성 : 화학 공정에서 투입되는 물질의 구성 원소들이 최종 제품에 최대한 들어가도록 하는 합성법을 사용한다. 즉 반응 완료 후에 제품을 구성하지 않고 발생되어 버려지거나, 회수하는 화합물의 양을 최소화한다.
- 유해도가 낮은 합성 : 사람 및 환경에 최소한의 독성, 가능하면 무해한 화학 원료를 사용하고, 부산물로 배출하는 합성법을 사용한다.
- 안전한 화학 제품 개발 :화학 제품은 본래의 기능을 발휘하면서도 유해성은 최소화하는 방향으로 개발되어야 한다.
- 안전한 용매 및 보조 재료 사용 : 화학 합성 공정을 돕는 물질(용매, 분리 정제 원료 등)은 가능하면 사용하지 않으며, 사용한다면 위험성이 없는 것을 선택한다.
- 에너지 효율 : 화학 공정에서 사용되는 에너지에 대한 환경 영향 및 경제성을 고려한다. 가능하면 화학 합성은 상온 및 상압 조건에서 수행하여햐 한다.
- 지속가능한 원료 사용 : 경제성 및 기술적으로 허용된다면 수급 및 사용 후 처리에서 지속 가능한 원료 물질을 사용하여야 한다.
- 유도체 사용 회피 :화학 제품 제조 과정에서 불필요한 유도체의 활용, 임시적인 물리적/화학적 성질 변화 공정 등은 최소화한다. 이와 같은 과정은 추가적인 재료의 투입이 필요하며, 그에 따른 폐기물과 에너지 사용량 증가가 수반된다.
- 촉매 : 동일한 반응이라면 당량 반응 보다는 촉매를 사용하는 것이 바람직하다.
- 분해 가능 제품 사용 : 화학 제품은 그 사용이 완료된 이후에 인체에 무해하며 환경에 영향을 주지 않는 물질로 분해되도록 설계하여야 한다.
- 오염 예방을 위한 실시간 분석 : 유해한 화학 제품의 생성 및 유출 이전에, 실시간으로 공정을 분석, 관찰, 통제할 수 있는 분석법의 개발이 필요하다.
- 사고 예방을 위한 근본적인 공정 설계 : 화학 제품 제조 공정에 사용되는 모든 투입물 및 생성물들은 잠재적인 사고 요인(유출, 폭발, 화재)을 최소화하는 것으로 구성하여야 한다.
녹색화학의 방식
녹색화학은 두 가지 방식으로 이뤄지고 있다. 첫 번째는 화학물질의 제조방법을 친환경적으로 바꾸기이다. 대표적인 사례는 제초제 제조이다. 녹색화학 개념이 만들어지기 전에는 제초제를 합성할 때, 그 중간체인 이미노다이아세트산 다이소듐(DSIDA: disodium iminodiacetate)을 얻기 위해 독극물인 시안화수소(HCN)를 사용했다. 그과정에서 불안정한 중간체가 나왔으며, 인체에 해로 운 시안화물과 포름알데하이드가 담긴 폐기물이 만들어지기도 했다. 하지만 새로운 개발된 녹색화학적 방법은 촉매를 사용하는 방식을 사용하여 다이에탄올아민(diethanolamine)을 산화시킴으로써 기존의 중간체인 DSIDA를 얻어낼 수 있었다.
또 하나의 녹색화학의 친환경적 제조방식은 스티로품을 생산하기 위해 사용하던 CFC와 탄화수소 대신 이산화탄소를 사용한 사례이다. 그동안 단열재 등 많은 곳에서 사용되는 스티로품을 만들기 위해 사용된 CFC는 지구온난화의 원인으로 지목되었으며 탄화수소는 가연성과 폭발성으로 항상 위험요소를 가지고 있었다. 이를 녹색화학적 연구를 통해 이산화탄소로 대체함으로써 유해 요소를 줄였다. 여기서 사용되는 이산화탄소는 다른 화학공정에서 생기는 부산물을 가져다 쓰는 것이기 때문에 실질적인 이산화탄소의 증가도 없다.
두 번째 녹색화학 기술은 자연 생태계의 합성 방식을 모방하는 것이다. 현재 우리가 사용하는 많은 합성 섬유와 플라스틱은 대부분 석유를 원료로 만들어지며, 자연에서 쉽게 분해되지 않으며 생산 공정에서도 여러 유해 물질이 배출된다. 녹색화학은 이같은 문제를 해결하고자 옥수수를 발효시켜 얻은 락타이드를 중합시켜 고성능 고분자 물질인 폴리락트산(PLA: Polylactic acid)을 만들었다. 이 고분자 물질을 활용하면 생산 과정에서 해로운 물질을 사용하지 않고도 제품을 만들 수 있을뿐더러 재생가능한 원료로서 재활용도 가능하다. 이미 일부 유통업체에서는 식품 포장에 적극적으로 사용하고 있습다.
녹색화학의 예시
친환경 용매의 사용
화합물의 제조에서 사용되는 용매는 실제 화학 합성 과정에서 가장 높은 비중을 차지한다. 화학 공정의 안정성과 유해성을 고려할 때 가장 우선적으로 검토가 필요한 항목이다. 대표적인 화학 용매에 대해서 유해성과 분리, 회수의 용이성 등을 고려하여 그 사용에 대한 지침이 있으며, 다음의 표는 제약회사 파이저(Pfizer)사의 제약 공정용 용매 선택 규정이다. 환경에 미치는 영향이 적으며, 폭발, 발암 등의 위험성이 낮은 용매의 사용으로 녹색화학을 구현하는 방법이다.
Pfizer 사 공정용 용매 규정 선호 용매 사용 가능 사용 회피 물 사이클로헥세인 펜테인 아세톤 헵테인 헥세인 에탄올 톨루엔 다이아이소프로필 에터 2-프로판올 메틸 사이클로헥세인 다이에틸 에터 1-프로판올 메틸 t-뷰틸 에터 다이클로로메테인 에틸 아세테이트 아이소옥테인 다이클로로에테인 아이소프로필 아세테이트 아세토나이트릴 클로로폼 메탄올 2-메틸 테트라하이드로퓨란 다이메틸 폼아마이드 메틸 에틸 케톤 테트라하이드로퓨란 N-메틸피롤리딘온 1-뷰탄올 자일렌 피리딘 t-뷰탄올 다이메틸 설폭사이드 다이메틸 아세테이트 에틸렌 글라이콜 다이옥산 다이메톡시 에테인 벤젠 사염화탄소
폴리카보네이트 신공법 사용 (독성가스 포스겐 사용 회피 예시)
비스페놀 A와 카보닐 작용기의 반복으로 이루어진 폴리카보네이트 수지는 높은 내충격성, 투명성등 우수한 성질을 가진다. 1950년대 개발된 계면 제조법은 포스겐, 수산화 소듐, 염소, 디클로로메테인, 일산화 탄소 등 많은 독성 물질을 사용하는 공법이며, 반응에서 발생되는 폐기물(염화 소듐과 디클로로메테인 포함 수용액 등)이 많다. 새로 개발된 용융법은 포스겐의 사용을 피하고, 온실 가스인 이산화 탄소를 원료로 사용한다. 산화 에틸렌, 이산화 탄소, 비스페놀 A가 원료물이다. 전 공정에서 생성되는 부산물은 대부분 앞 공정에서 회수하여 사용되며, 에틸렌글리콜이 유일한 배출물이지만 타용도로 사용되어, 실제 폐기되는 화합물이 없다. 또한 용매를 사용하지 않아 원자 경제성 또한 매우 뛰어나다. 최근 다수의 신설 폴리카보네이트 공장이 용융법을 채택하였다.
이산화 탄소를 이용한 플라스틱 수지의 제조 (온실 가스 저감 기술)
대기 중의 온실 가스 농도의 증가에 따른 지구 온난화 현상을 경감하기 위하여, 온실 가스의 주요 성분인 이산화 탄소를 원료로 하는 화학 제품 생산이 시도되고 있다. 이산화 탄소와 고리형 유기 화합물 에폭사이드 사이의 교대 중합법으로 제조된 폴리카보네이트는 현재 상용화 단계에 있다. 1톤의 고분자 수지 제조에 0.43톤의 이산화 탄소를 사용한다.
참고자료
- 〈[https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%85%B9%EC%83%89_%ED%99%94%ED%95%99 녹색 화학〉, 《사이트명》
- 〈녹색 화학〉, 《화학백과》
- 〈녹색화학〉, 《화학산책》
- 한국환경산업기술원, 〈녹색화학, 그것이 알고 싶다〉, 《네이버 블로그》, 2017-03-15
같이 보기
