[과학기술]투과도 75%↑…CO₂ 포집 친환경 분리막 개발

화학연·안전성평가연 공동연구
PEBA에 'PEG' 고분자 첨가
지지체 훼손 등 문제점 해소
가공성 뛰어나고 비용 저렴

한국화학연구원과 안전성평가연구소 연구팀이 개발한 박막복합막 개념도. 기존 PEBA 소재 수소결합을 PEG로 제어해 결정성을 낮춘 후 후처리 공정으로 PEG를 제거해 CO₂ 고투과막을 제조한다.

산업계 이산화탄소(CO₂) 포집 관심이 높은 가운데, 우리 연구진이 관련 성능을 극대화하는 새로운 분리막을 개발했다.

상보관계인 투과성·선택도를 모두 잡으면서, 친환경 공정으로 코팅시 지지체 훼손 등 기존 분리막 문제들을 모두 해소했다.

한국화학연구원은 문수영 수소C1가스연구센터 책임연구원팀이 이재혁 안전성평가연구소 차세대의약평가연구단 선임연구팀과 이 같은 성과를 냈다고 13일 밝혔다.

연구진의 분리막은 전체 기체 중 CO₂만 효과적으로 투과·포집하는 '박막 복합막' 방식이다.

기존 박막 복합막은 사용 용매에 따라서는 CO₂ 선택층 코팅시 지지체가 녹아 구조가 망가지는 문제가 있었다. 이 때문에 막 제조, 포집 기능 확보가 쉽지 않았다.

또 선택층을 박막화하지 못하면 투과성을 확보할 수 없는데, 100나노미터(㎚) 이하 두께로 균일·무결점 선택층 제조가 어려웠다. 대부분 제조 공정에 독성 유기용매를 사용하는 문제도 있었다.

연구팀은 산업·실생활에서 많이 쓰이는 범용 고분자 '폴리에테르 블락 아마이드(PEBA)'에서 답을 찾았다.

새로운 분리막 제조 핵심소재 및 박막복합막 제조 공정

PEBA는 CO₂ 친화적이어서 선택도가 높다. 합성이 용이하고 가공성도 뛰어나다. 가격까지 저렴하다. 다만 결정을 이루는 특성 탓에 투과성은 떨어진다.

연구진은 '폴리에틸린 그라이콜(PEG)' 고분자 첨가로 문제를 해결했다. PEG 고분자는 PEBA의 아마이드 결정에 침투해 이를 깨뜨린다.

단순히 첨가만 하면 PEG가 용출되거나 전체 분리막이 두꺼워지는 문제가 있는데, 연구진은 에탄올 처리 후공정으로 PEG를 녹여 빼내는 방식으로 이 문제도 해결했다.

이렇게 이룬 분리막은 기존보다 75%가량 투과도가 향상됐다. 타 기체 대비 월등히 향상된 CO₂ 투과량으로 선택도 역시 올랐다.

연구진은 이 기술과 개발 소재로 세계 최저 수준 CO₂ 분리 비용을 달성할 수 있다고 설명했다.

관련 논문은 올해 초 화학공학 저명한 학술지인 캐미컬 엔지니어링 저널에 발표됐고, 국내 특허 등록도 마친 상태다.

문수영 책임은 “CO₂ 분리막 상용화를 위한 모든 난관을 해소했다”며 “기술 이전처를 물색하는 중으로, 상용화되면 세계시장에서 큰 관심을 이끌어낼 것”이라고 말했다.

김영준 기자 kyj85@etnews.com