KAIST, 초투과성 분리막을 이용한 이산화탄소 전환 시스템 개발에 성공
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KAIST, 초투과성 분리막을 이용한 이산화탄소 전환 시스템 개발에 성공
  • 송윤영 기자
  • yaho1130@hanmail.net
  • 승인 2020.11.23 21:07
  • 조회수 18786
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생명화학공학과 고동연 교수팀, 중공사막 모듈 통해 이산화탄소 포집과 전환 동시 진행
비용↓, 효율↑, 높은 경제성 확보로 이산화탄소 포집 전환 기술 활성화 기대

(대전=세종충청뉴스) 송윤영 기자 = KAIST는 생명화학공학과 고동연 교수 연구팀이 에너지 집약 산업체의 이산화탄소 배출량을 줄이는 동시에 산업 부산물을 유용한 자원으로 전환하는 신개념 고체 탄산화 시스템을 개발했다고 23일 밝혔다. 

연구팀이 개발한 이 시스템은 *중공사막 형태의 `초투과성 분리막'을 이용해 연속적으로 이산화탄소 포집과 전환이 가능하기 때문에 탄소 배출량을  대량으로 줄일 수 있다. 
☞ 중공사막: 가운데가 비어있는 형태의 막. 인공 신장 투석기나 정수기 따위의 여과재로 사용된다.

KAIST 생명화학공학과 황영은 박사과정이 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 `ACS 서스테이너블 케미스트리 앤드 엔지니어링(ACS Sustainable Chemistry & Engineering)' 10월호에 실렸는데 연구의 파급력을 인정받아 표지논문으로 선정됐다. (논문명 : Solid Carbonation via Ultrapermeable PIM-1 Hollow Fiber Membranes for Scalable CO2 Utilization).

최근 탄소배출권 가격이 오르면서 산업계의 이산화탄소 배출 비용에 대한
절감도 절실히 요구되고 있다. 또한 에너지 집약 산업체의 부산물(석탄회 및 철강 슬래그 등)에 대한 처리비용도 날로 증가하고 있어 이산화탄소를 산업 부산물과 반응시켜 부가가치가 있는 물질로 전환하는 데 관심이 쏠리고 있다.

특히, 이산화탄소를 탄산칼슘 등의 고체 탄산염으로 전환해 건설 소재로 이용하는 기술은 전 세계 시장에서 2030년까지 연간 약 1조 달러의 수익을 창출할 것으로 예상되며, 배출되는 이산화탄소를 연간 약 30~60억 톤 감축할 수 있는 기술로 주목받고 있다.

고동연 교수팀이 개발한 고체 탄산화 기술은 이산화탄소와 알칼리 금속(칼슘, 마그네슘)의 자발적 결정화 반응을 이용하는 일종의 자연모방 기술이다. 이 기술은 이산화탄소를 열역학적으로 가장 안정된 탄소 저장체인 고체 탄산염(CaCO3, MgCO3)으로 전환하는 기술이다. 고체 탄산염은 고품위 물성 제어를 통해 건설·토목 소재, 제지산업, 고분자, 의약, 식품, 정밀화학 분야에 활용할 수 있다. 

결과적으로 고 교수팀이 개발한 기술을 활용하면 이산화탄소 배출량을 대폭 줄여 탄소배출권의 절약은 물론 고부가가치 생산물을 통해 추가적인 경제성을 확보할 수 있다는 게 큰 장점이다. 

고 교수팀은 우선 미세다공성 고분자로 이뤄진 초투과성 분리막 기술을 통해 기존 공정 유닛보다 5~20배가량 작은 부피로 기존 공정 대비 50% 이상 뛰어난 물질전달 효율을 갖는 고체 탄산화 시스템을 구현하는 데 성공했다.

미세다공성 고분자는 회전할 수 없는 단단한 부분과 고분자 사슬이 뒤틀리는 지점이 반복적으로 나타나는 독특한 구조를 가지는데 기체 분자를 빠른 속도로 투과시킬 수 있어 가스 분리 분야에서 유망한 소재로 주목받고 있다.

연구팀은 이와 함께 미세다공성 고분자를 속이 빈 실과 같은 중공사막 형태로 가공해 모듈화할 수 있는 기술을 확보했다. 이렇게 제조된 초투과성 중공사막 모듈에 이산화탄소/질소 혼합 기체를 흘려보내면 이산화탄소만 선택적으로 빠르게 분리막을 가로질러 중공사막 외부의 알칼리 이온과 반응해 순간적으로 탄산염을 생성하는 원리를 연속식 모듈로 구현했다. 

고 교수팀이 개발한 기술은 부피 대비 표면적이 기존 시스템보다 수 배 이상 높아 매우 높은 공간 효율성을 갖는 분리막 모듈의 특성을 이용해 장시간의 연속 공정이 가능한 게 특징이자 장점이다. 이 때문에 이산화탄소 전환 공정의 에너지 및 비용 대비 효율성을 높일 수 있어 고체 탄산염을 활용하는데 높은 경제성뿐만 아니라 이산화탄소 포집 및 전환(CCU) 기술 활성화에도 기여할 것으로 기대가 크다. 

이번 연구를 주도한 고동연 교수는 "신기술을 적용해 이번에 새로 개발한 고체 탄산화 시스템은 온실가스 배출량이 많은 발전소나 제철소, 시멘트 제조업체 등 관련 산업계의 탄소배출권 구매량을 줄일 수 있고 동시에 자원 재순환을 통해 경쟁력을 증대시킬 수 있을 것으로 기대된다ˮ고 설명했다.  

한편 이번 연구는 산업통상자원부 에너지국제공동연구사업의 지원을 받아 수행됐다.

그림 1. 미세다공성 고분자 중공사막 모듈을 이용한 광물탄산화 공정 모식도(연도기체가 고분자막의 중공 측으로 주입되면 막을 가로질러 전달된 이산화탄소가 고분자막의 바깥에서 알칼리 용액과 만나 탄산염을 생성한다)
그림 1. 미세다공성 고분자 중공사막 모듈을 이용한 광물탄산화 공정 모식도(연도기체가 고분자막의 중공 측으로 주입되면 막을 가로질러 전달된 이산화탄소가 고분자막의 바깥에서 알칼리 용액과 만나 탄산염을 생성한다)
그림 2. 고분자 중공사막의 구조(중공사막은 이산화탄소가 빠르게 투과하도록 하기 위해 내부의 다공성 영역을 얇은 두께의 층이 감싸고 있는 이중구조로 제조됐다. 질소 대비 이산화탄소의 높은 선택성은 밀도가 높은 선택층에서 기인한다)
그림 2. 고분자 중공사막의 구조(중공사막은 이산화탄소가 빠르게 투과하도록 하기 위해 내부의 다공성 영역을 얇은 두께의 층이 감싸고 있는 이중구조로 제조됐다. 질소 대비 이산화탄소의 높은 선택성은 밀도가 높은 선택층에서 기인한다)
그림 3. 국제 학술지 ACS 서스테이너블 케미스트리 앤드 엔지니어링 표지
그림 3. 국제 학술지 ACS 서스테이너블 케미스트리 앤드 엔지니어링 표지

□ 연구개요

1. 연구 배경
철강, 시멘트, 화학 분야와 같은 에너지 집약적인 산업이 이산화탄소 배출에서 많은 비중을 차지하고 있다. 에너지 효율을 높임으로써 이산화탄소의 배출량을 줄이고자 하는 시도는 꾸준히 있어왔지만 한계에 봉착했다. 이에 대한 대안으로 운용이 간단하고 디자인의 소형화가 가능한 분리막 기술이 떠오르고 있다.

이산화탄소 포집 및 이용(CCU)은 본질적으로 단일원천(point source)에서 방출되는 이산화탄소를 포집해 다른 물질로 전환하는 것을 목표로 한다. 이산화탄소를 탄산염과 같이 낮은 에너지 레벨의 물질로 전환하는 경우 영구적인 이산화탄소 저장의 효과를 얻을 수 있다. 이산화탄소의 포집과 전환이 분리되어 이루어진 기존의 CCU 기술과는 다르게 본 연구에서는 고투과성의 고분자막 모듈을 이용해 두 가지 과정을 통합함으로써 비용 및 에너지 측면에서의 효율성을 높이는 시스템을 개발하고자 하였다.

2. 연구 내용
칼슘 이온과 같은 알칼리 이온이 탄산 이온과 만나면 광물탄산화 반응이 자발적으로 일어나 탄산염을 형성한다. 연도 가스에 존재하는 이산화탄소를 탄산 이온의 근원으로 사용할 수 있는데, 이산화탄소 기체를 직접 알칼리 용액에 주입하는 경우 제한된 용해도로 인해 생성된 이산화탄소 거품과 용액 사이의 계면이 저항으로 작용해 물질 이동이 저해될 수 있다.

본 연구팀은 미세다공성 고분자를 이용한 중공사막 모듈을 제조하여 물질 이동 저항을 최소화한 효율적인 시스템을 구상하였다. 이 시스템에서는 중공 방향으로 주입된 이산화탄소/질소 혼합 기체에서 이산화탄소가 질소에 비해 빠른 속도로 고분자막을 가로질러 알칼리 용액으로 전달되고, 용해된 탄산이온은 알칼리 용액과 만나 탄산염을 생성하게 된다. 고분자막은 NIPS (Nonsolvent-induced phase separation) 공정을 이용해 제조되었으며, 고투과성의 모듈을 제조하기 위해 공정변수가 최적화되었다. 연구팀은 온도, 용액의 유속 등의 공정 변수에 따른 탄산염 생성 거동을 연구해 특정 조건에서는 산업적으로 부가가치가 높은 물질을 제조할 수 있음을 확인하였다.

3. 기대 효과
이산화탄소 분리공정은 CCU 비용에서 많은 비중을 차지한다. 연도기체를 추가적인 분리공정 없이 바로 광물탄산화 반응에 이용함으로써 에너지 효율 크게 높일 것이라 기대할 수 있다. 이 과정에서 탄산염의 특정한 상을 선택적으로 생성하는 등 공정을 조절해 부가가치가 높은 생성물을 제조할 수 있다. 뿐만 아니라 철강 슬래그와 같이 알칼리 금속 함유량이 높은 폐기물을 알칼리 이온의 원천으로 사용함으로써 두 종류의 산업적 폐기물을 동시에 처리해 환경적인 측면에서도 이점을 가질 것이라 기대된다.

 


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