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2017년 10월 21일 토요일

효율적으로 이산화탄소를 분리하는 막



(Natural gas or biogas always needs to be purified before use. First, the methane molecules (in black and white) are separated from the CO2 molecules (in red and black) by means of membranes with tiny pores through which only the CO2 can pass. After the purification process, the methane can be used as fuel, for heating, or for the production of chemicals. Credit: KU Leuven - Verbeke)


 이산화탄소를 다른 기체와 분리하는 기술은 생각보다 여러 장소에서 활용되고 있습니다. 이산화탄소 분리를 통해서 연료 및 산업적인 용도로 쓸 이산화탄소를 확보하기도 하고 이산화탄소 배출원에서 이산화탄소를 분리하는 포획 후 저장 용으로 활용하기도 합니다. 이산화탄소만 순수하게 분리하는 기술은 크게 발전되어 있지만, 문제는 이산화탄소를 분리하는 비용과 효율입니다. 


 벨기에 루벤 대학 (KU Leuven (University of Leuven))의 연구팀은 메탄가스와 이산화탄소를 분리하는 고효율 막을 개발했습니다. 메탄가스와 이산화탄소를 분리한다는 것이 이상하게 들릴지는 모르겠지만, 실제로 우리가 사용하는 천연가스에는 이 두 기체가 풍부합니다. 이산화탄소가 약간 있는 정도면 그냥 사용해도 괜찮겠지만, 거의 절반이 이산화탄소인 경우도 있어 액화천연가스 (LNG)로 사용하기 위해서는 이산화탄소를 걸러내야 합니다. 


 그런데 탄소 한 개에 산소 두 원자가 붙은 이산화탄소나 탄소 하나에 수소 원자 4개가 붙은 메탄 모두 다 작은 분자라 서로 걸러내는 일이 만만치 않습니다. 분리막의 구멍을 촘촘하게 만들면 이산화탄소만 높은 농도로 걸러낼 수 있으나 효율이 떨어지고 구멍을 크게 만들면 두 가지 분자가 모두 걸러지는 문제가 생깁니다. 


 연구팀은 매우 조밀한 분자막인 금속 - 유기물 프레임 워크 metal-organic framework (MOF)를 이용해 섭씨 160도 이상의 온도에서 메탄/이산화탄소 혼합 기체를 높은 효율로 분리하는 데 성공했습니다. 연구팀에 의하면 메탄/이산화탄소 비율이 50/50인 경우 효율은 이전 분리막의 164배에 달한다고 합니다. 


 물론 상용화를 위해서는 가격/내구성 등 여러 요소를 만족시켜야 하지만, 흥미로운 결과인 점은 분명합니다. 메탄/이산화탄소 이외에 다른 분야에서의 응용, 예를 들어 공장이나 발전소 배기 가스에서 이산화탄소 분리가 가능하다면 더 쓰임새가 많을 것으로 보입니다. 


 현재 기술 수준에서는 0.04%에 불과한 대기 중 이산화탄소도 대량으로 포집이 가능합니다. 문제는 비용인데, 매우 저렴한 이산화탄소 분리 기술이 개발되기를 희망해 봅니다. 


 참고 


 Aylin Kertik et al, Highly selective gas separation membrane using in situ amorphised metal–organic frameworks, Energy Environ. Sci. (2017). DOI: 10.1039/C7EE01872J

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