제올라이트 분리막의 이산화탄소 분리성능 향상기술 개발
최정규 교수팀,
재료화학분야 국제학술지 Chemistry of Materials 논문 게재
이산화탄소 배출 관련 산업에 적용 가능
최근 최정규 교수팀이 *제올라이트 소재로 한 분리막의 이산화탄소 분리 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있는 기술을 개발했다.
* 제올라이트 : 알루미늄 산화물과 규산 산화물로 이루어진 물질로 많은 미세구멍을 가진 다공성 물질. 제올라이트는 미세기공의 크기, 모양, 연결성 등에 따라 200여가지가 넘는 구조를 갖는다고 알려져 있으며, 세자리의 문자 코드로 이를 나타냄(예: CHA, MFI, LTA 등). 제올라이트는 이온교환제 및 촉매, 흡착제 등 다양한 분야에서 사용됨.
이번 연구 성과는 재료화학분야 국제학술지 케미스트리 오브 머터리얼즈(Chemistry of Materials, I.F: 9.45)에 5월 7일자로 게재(온라인)됐다.
* 논문명: Healing of microdefects in SSZ-13 membranes via filling with dye molecules and its effect on dry and wet CO2 separations
제올라이트란 고유한 기공 구조를 갖는 무기 다공성 물질로, 높은 열적 화학적 안정성을 갖는다. 이러한 특징으로 인하여 제올라이트는 분리막의 소재로 각광받았다. 그러나 제올라이트 분리막의 경우 분리막이 형성될 때 필연적으로 생성되는 제올라이트 고유의 기공 크기보다 큰 결함들로 인하여 분리 성능이 크게 저하되며, 이로 인하여 고성능의 분리막 제작에 어려움을 겪었다.
최정규 교수팀은 간단하면서도 효율적인 방법으로 제올라이트 분리막 내에 존재하는 결함을 메우는 후처리 기술을 개발했다. 제올라이트의 기공 크기보다 크지만, 결함의 크기보다 작은 염료를 이용하여 선택적으로 결함을 메우는 방법이다. 이를 이용하면 매우 경제적이면서도 간단하게 분리막 내에 존재하는 결함을 메울 수 있어, 분리막의 고유한 성능을 끌어낼 수 있게 된다. 최정규 교수팀은 이러한 기술을 이산화탄소 분리에 적합하다고 알려진 CHA(chabazite, 차바자이트) 구조의 제올라이트 분리막에 적용했고, 이를 통해 이산화탄소/질소 및 이산화탄소/메탄 분리 성능의 향상을 확인했다.
이산화탄소는 지구온난화를 일으키는 대표적인 온실가스로, 전체 온실가스 배출량의 80% 이상을 차지하고 있으며, 이산화탄소의 배출을 줄이기 위하여 이산화탄소를 포집 및 저장하는 CCS(Carbon Capture&Storage)기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 여러 포집 기술들 중 분리막 기술의 경우, 공정 규모가 작아 공간 집약적이며 다른 이산화탄소 포집 기술에 비하여 경제적이라는 장점이 있어 매우 유망한 분리 기술로 각광받고 있다.
또한, 이산화탄소를 포집해야 하는 환경(연소 후 *배가스 혹은 바이오가스 등)에서는 필연적으로 수분이 일정 수준 존재하는데, 이렇게 소량으로 존재하는 수분은 분리막 성능에 영향을 미치게 된다. 지금까지의 연구들 대부분이 수분 없는 조건에서 연구를 진행되어 온데 반해 최정규 교수팀은 홍성원 석박사통합과정 학생의 주도로 제올라이트 분리막 내에 존재하는 결함과 함께 수분이 분리막 성능에 미치는 영향을 복합적으로 연구했다. 연구팀은 이를 통해 수분이 어떻게 분리 성능에 영향을 미치는지를 규명했다.
* 배가스 : 각 장치로부터 이용이 끝나고 외부로 배출되는 가스를 지칭하는 단어, ‘연소 후 배가스’의 경우 화력 발전소에서 연소 후에 방출되는 가스를 의미.
최정규 교수는 “이러한 후처리 기술은 단순히 이번 연구에서 사용된 CHA 종류의 제올라이트 분리막 뿐만 아니라 다른 형태의 제올라이트 분리막에도 적용 가능한 기술로, 다공성 물질 기반의 분리막 분야에 기여할 수 있을 것”이라고 연구 의의를 설명했다. 이 연구는 한국 이산화탄소 포집 및 처리연구개발센터(KCRC, 센터장 박상도)와 한국연구재단 국제협력사업의 지원으로 수행됐다.
고대뉴스 2018.5.14일자
