일본제철, 게이트형 활용해 시스템 개발 … 석유화학 공장 적용 기대

이산화탄소(CO2)를 분리할 수 있는 새로운 기술이 개발돼 주목된다.
일본제철(Nippon Steel), 교토(Kyoto)대학, 신슈(Shinshu)대학, 고휘도광과학연구센터 등이 게이트형 흡착제를 사용해 고효율로 CO2를 분리하는 시스템을 개발했다.
흡착제 구조를 흡열에 맞게 변형시킴으로써 CO2를 흡착할 때 발생하는 열을 억제했으며 기존 흡착제를 활용해 흡착탑 체적을 69% 축소한 것으로 알려졌다.
즉, 흡착제 사용량을 감축할 수 있게 됐을 뿐만 아니라 에너지 절감 효과까지 얻을 것으로 기대되고 있다.
에탄(Ethane), 프로필렌(Propylene) 등 다양한 분자를 선택적으로 흡착할 수 있는 게이트형 흡착제 개발도 진행하고 있으며 연구 성과를 응용함으로써 석유화학산업의 효율화를 추진해나갈 방침이다.
흡착분리법은 CO2 분리기술 가운데 하나로 많은 주목을 받고 있다.
다공성 소재(흡착제)와 강력한 상호작용을 나타내는 분자가 세공에 들어있고 상호작용이 약한 분자 대부분은 흡착제를 통과시키는 특성을 활용한 것으로, 흡착제와 성상이 잘 맞는 분자를 고순도로 얻을 수 있게 만들기 위해서는 상호작용이 강할수록 유리한 것으로 알려졌다.
하지만, 상호작용을 강화하면 탈착에 필요한 에너지가 커지고 흡착 분리 효율을 향상시키기 위해서는 성상이 잘 맞는 분자를 선택적이면서도 대량으로 흡착함으로써 탈착까지 용이하도록 해야 하는 등 상반된 성질을 가진 흡착제를 개발해야 한다는 과제에 직면하고 있다.
게이트형 흡착제는 부드러운 구조를 가지고 있는 것이 가장 큰 특징이다.
ELM-11로 알려진 게이트형 흡착제는 분위기 가스(Controlled Atmosphere)에 포함된 CO2 농도가 낮을 때 세공을 닫으며 농도가 역치를 넘으면 급격히 팽창돼 세공을 열고 CO2 분자를 감싸는 구조 변형이 이루어지기 때문에 높은 선택성을 가진 것으로 평가되고 있다.
또 CO2 농도가 역치보다 낮아지면 구조를 수축시켜 흡착한 모든 CO2 분자를 방출하는 흡착 분리에도 매우 적합한 특성을 가진 것으로 알려졌다.
일본제철 등 공동 연구팀이 개발한 시스템은 ELM-11을 충진시킨 흡착탑 후단에 저농도 CO2 가스에 대한 흡착성이 뛰어난 기존 HKUST-1을 충진시킨 소형 흡착탑을 설치하는 구조를 채용하고 있다.
이를 통해 가스 안에서 CO2 농도가 역치 이상이 되면 ELM-11로, 역치보다 낮은 환경에서는 HKUST-1로 CO2를 흡착할 수 있도록 했다.
연구팀은 메탄(CH4)과 CO2 혼합가스가 지나가도록 해 처음 구상했던 대로 고농도 메탄가스를 얻을 수 있음을 확인했다.
HKUST-1만 충진시킨 1단 흡착탑으로 이루어진 고속 흡착·분리 시스템과 ELM-11 및 HKUST-1을 각각 충진시킨 2단 흡착탑형 고속 흡착·분리 시스템을 비교했을 때 추출된 고순도 메탄가스 유량이 동일하도록 설계하면 공급해야 할 메탄가스와 CO2 혼합가스 유량이 62% 줄어들고 전체 탑 체적률은 69% 작아지는 것을 규명했다.
연구팀은 시스템을 화력발전소의 CO2 배출원 베이스 배기가스를 처리할 때에 응용할 수 있을 것으로 예상하고 있다.
또 연구 성과를 바탕으로 고기능 게이트형 흡착제 탐색 및 개발 작업 가속화를 기대하고 있다. (K)