요약
리그닌은 목재의 30~40%를 차지하는 고분자 물질입니다. 차세대 바이오 소재로 주목받고 있는데요. 그동안 다른 재료와 잘 섞이지 않아 상업적 활용이 어려웠습니다. 그런데 리그닌 분자의 뭉침과 퍼짐을 결정하는 힘이 '소수성 상호작용'이란 점이 밝혀졌습니다. 이를 조절할 방법도 제시됐습니다. 산업폐기물로 여겨지던 리그닌을 각종 석유화학산업과 바이오매디컬 분야에서 고부가가치 소재로 활용하는 게 수월해질 전망입니다.
폐목재 등에 많이 포함된 '그리닌'은 차세대 바이오 소재로 주목받는 물질입니다. 그동안 리그닌 분자가 다른 재료와 잘 섞이지 않아 상업적 활용이 어려웠는데요. 이 문제를 해결할 수 있는 정량적 연구 결과가 나왔습니다.
UNIST 에너지 및 화학공학부의 이동운 교수팀은 리그닌 분자의 뭉침과 퍼짐을 결정하는 힘이 '소수성 상호작용'이라는 걸 밝혀내고 이를 조절할 방법을 제시했습니다. 리그닌을 다른 물질과 섞어서 유용한 물질로 만들 때 경험에만 의존하는 게 아니라 정확한 정량적 지표를 활용할 수 있게 된 겁니다. 이번 연구는 <ACS Sustainable Chemistry&Engineering>에 게재됐습니다.
리그닌 이용하려면 더 많은 이해 필요
리그닌은 목재의 30~40%를 차지하는 고분자 물질로 식물 세포벽의 주성분입니다. 바이오 연료나 종이를 생산하는 과정에서 많이 나오며 연간 생산량이 약 5000만t에 이르지만 대부분 폐기 되거나 단순한 뗄감으로 사용됐습니다.
최근에는 리그닌의 환경적ㆍ경제적 가치에 주목해 바이오 연료나 바이오 플라스틱, 분산제, 접착제 등의 재료로 제안되기 시작했습니다. 그러나 실제 산업에 쓰인 비중은 2014년 기준으로 2%에 그칩니다.
이번 연구의 저자인 UNIST 에너지 및 화학공학부 송유정 연구원은 "리그닌은 분자구조가 불규칙하고 응집력이 강해 다른 물질과 섞이지 않으므로 상용화에 어려움이 있다"며 "리그닌을 고부가가치 생성물로 만들려면 리그닌 분자 간 상호작용을 이해하고 정량적으로 분석해야 한다"고 설명했습니다.
리그닌, 고부가가치 소재로 활용 가능해지나
이동욱 교수팀은 아주 가까운 거리 간의 힘을 측정하는 장비(SFA)를 이용해 수용액에 있는 리그닌에 작용하는 여러 힘을 측정했습니다. 그 결과 리그닌의 응집력에는 물을 싫어하는 물질끼리 뭉치려는 힘, 즉 '소수성 상호작용'이 가장 큰 영향을 줬습니다.
또한 리그닌이 포함된 수용액에 전하를 띄는 '염'을 넣어주면 리그닌의 응집력을 조절할 수 있었습니다. 염이 리그닌 분자 표면에 달라붙으면서 리그닌 분자끼리 뭉치려는 힘을 차단하기 때문인데요. 이 원리를 이용하면 염의 농도를 통해 리그닌의 응집력을 정량적으로 조절할 수 있습니다.
연구팀은 이 원리를 이용해 '활성탄'의 강도를 높이는 데도 성공했습니다. 활성탄은 각종 석유화학공정에서 액상에 포함된 독성물질을 흡착해 제거하는 역할을 합니다 이때 빠른 유속으로 활성탄 입자가 풀어질 수 있는데 이를 '리그닌-활성탄 복합체'로 해결한 겁니다. 리그닌과 활성탄은 모두 물을 싫어하는 성질이 있는데요. 수용액에서 서로 강하게 결합했고 복합체가 더욱 단단해진 겁니다. 연구팀은 복합체를 만드는 과정에서 염의 농도를 조절해 다양한 강도를 구현하고 이를 정량화 했습니다.
이동욱 교수는 "이 연구를 통해 산업폐기물로 여겨지던 리그닌의 분자적 상호 작용원리를 분석했다"며 "리그닌의 상업적 활용에 중요한 데이터베이스를 확보했다"고 밝혔습니다. 덧붙여 "정량적 연구결과를 이용하면 리그닌은 각종 석유화학산업과 바이오매디컬 분야에서 고부가가치 소재로 활용하는 게 조금 더 쉬워질 것"이라고 전망했습니다.
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