이산화탄소 포집 비용 ↓ 성능 ↑…석화공정·청정수소 생산 등 활용

이종석 서강대 교수팀, 외부 유래 미세 다공성 고분자 분리막 개발
불소화 방향족 고분자 활용..간단한 열처리로 분리 성능 및 안정성 향상

불소화 방향족 고분자의 미세 다공성 고분자 분리막 변환 과정. 연구재단 제공

에너지 소비를 획기적으로 줄이면서 이산화탄소를 선택적으로 분리할 수 있는 새로운 분리막이 개발됐다. 앞으로 이산화탄소 포집 비용을 획기적으로 줄이는 데 기여할 전망이다.

한국연구재단은 이종석 서강대 화학공학생명공학과 교수 연구팀이 높은 이산화탄소 분리 성능과 장기 안정성을 동시에 갖춘 ‘외부 유래 미세 다공성 고분자 분리막’(EMPM)을 개발했다고 25일 밝혔다.

EMPM은 외부 공정을 통해 고분자 사슬을 재배열하고 연결해 인위적으로 안정적인 미세기공을 형성시킨 고분자 분리막을 말한다. 분리막 기술은 특정 물질만을 선택적으로 투과시켜 혼합물을 분리하는데, 기존 열 기반 분리 공정보다 에너지 소비를 획기적으로 줄일 수 있다. 이산화탄소 포집 시 분리막을 이용하면 선택적으로 이산화탄소를 통과시켜 분리할 수 있다.

하지만 기존 상용 고분자 분리막은 기체 분리 성능이 낮고, 고압의 응축성 가스에 의해 선택도가 줄어 들거나 시간이 지나면서 성능이 저하되는 한계가 있다.

연구팀은 불소를 포함한 방향족 고분자를 활용해 450도 조건에서 2시간 가량 열처리함으로써, 불소가 빠져 나간 자리에 반응성이 매우 높은 라디칼이 인접한 고분자 사슬과 새로 결합해 견고한 미세기공을 형성하도록 했다. 미세기공은 이산화탄소만을 선택적으로 잘 투과할 수 있는 일종의 그물망 역할을 해 미세기공 이산화탄소 투과도를 기존 대비 43배 증가시켰다.

또한 40기압 이상의 고압 이산화탄소 조건에서도 안정적인 성능을 유지하고, 노화 저항성도 우수한 것으로 확인됐다. 연구팀은 다양한 고분자 구조에 적용해 석유화학 공정과 수소 생산 등 차세대 친환경 분리 공정과 배터리, 촉매 등에 적용하는 후속연구를 진행할 계획이다.

이종석 서강대 교수는 “비다공성인 유리질 고분자에 간단한 열처리만으로 안정적인 미세기공을 형성하는 새로운 방법을 제시한 연구”라며 “이산화탄소 포집·활용·저장(CCUS), 청정수소 생산 등 다양한 에너지·환경 분야에 적용할 수 있는 원천기술로 기후변화 대응과 에너지 전환에 크게 기여할 것”이라고 말했다.

이 연구결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션’ 지난 5일자에 실렸다.

이준기 기자 bongchu@dt.co.kr