하버드 대학과 로렌스 리버모어 국립 연구소(Lawrence Livermore National Laboratory)의 과학자들이 혁신적인 이산화탄소 포획 기술을 개발했다고 합니다. 이 기술이 응용되면 가장 중요한 온실 가스인 이산화탄소를 포획 저장(carbon capture and storage)하는 일 뿐 아니라 화학적으로 여러 분야에 응용될 가능성이 있다고 해서 주목을 받고 있습니다.
이산화탄소 포획 저장은 주로 이산화탄소를 많이 배출하는 공장 및 발전소를 대상으로 연구되고 있습니다. 물론 대기 중에 있는 이산화탄소를 직접 분리하는 것도 가능하지만 0.04%에 불과한 농도 때문에 비용과 에너지는 많이 드는 반면 실효성은 매우 낮다고 할 수 있습니다. 이런 목적이라면 차라리 나무 같은 식물을 키우는 쪽이 더 유리합니다.
현재 미국에서 나오는 이산화탄소의 1/3은 석탄 및 가스 발전소에서 나오는 것이라고 합니다. 현재 기술 수준으로도 이를 포획하고 저장하는 일은 가능하지만 비용과 에너지라는 측면에서 보면 여러 가지 문제점이 많습니다.
지금 주로 사용되는 이산화탄소 분리 기술은 아민 기반 용제(amine-based solvents)를 사용하는 것입니다. 비용과 에너지가 많이 들어가는 것도 문제지만, 유독한 부산물이 나오는 문제가 있어 널리 사용되지 못하고 있습니다. 이대로라면 이산화탄소를 발전소의 굴뚝으로부터 제거하는 일은 앞으로도 어려울 수 밖에 없습니다.
하버드 대학 와이즈 연구소의 제니퍼 루이스 교수(Jennifer A. Lewis, the Hansjörg Wyss Professor of Biologically Inspired Engineering at the Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS))와 그녀의 동료들은 미국 에너지부로부터 지원을 받아서 훨씬 비용-에너지 효과적일 뿐 아니라 안전한 이산화탄소 분리 포획 기술을 개발하는 연구를 진행했습니다.
이들이 주목한 물질은 탄산 나트륨(sodium carbonate)였습니다. 이 물질은 탄산 소다라고도 불리는데 이산화탄소를 흡수하면 바로 탄산수소나트륨이 됩니다. 탄산 수소 나트륨은 베이킹 소다라는 물질로 우리에게 매우 친숙하죠. 물론 독성이 없는 안전한 물질입니다. 탄산 나트륨은 이산화탄소를 흡수한 후 탄산 수소 나트륨이 되며, 다시 65℃이상 열을 가하면 이산화탄소를 배출해 탄산 나트륨으로 돌아가는 특징을 가지고 있습니다.
그런데 이와 같은 사실은 이전부터 널리 알려져 있지만, 이를 이용해서 산업적인 규모로 이산화탄소를 포획하는 일은 쉽지 않았습니다. 왜냐하면 흡수해야 하는 이산화탄소의 매우 많은데, 탄산 나트륨은 속도와 양에서 한계가 있었기 때문이죠. 그래서 연구팀은 마이크로캡슐 탄소 용제 microencapsulated carbon sorbents (MECS)라는 신기술을 도입했습니다.
이 기술은 투과성 실리콘 비드(Silicon bead)을 이용해서 작은 공기방울을 실리콘 튜브 사이로 뽑아내는 방식으로 설명할 수 있습니다. 이렇게 되면 접촉 면적이 넓어지면서 쉽게 가스를 녹여 반응을 이끌어 낼 수 있습니다. 아래 그림이 그 원리를 설명하고 있습니다.
(The new technique for carbon-capturing employs an abundant and environmentally benign sorbent: sodium carbonate, which is kitchen-grade baking soda. The microencapsulated carbon sorbents (MECS) achieve an order-of-magnitude increase in CO2 absorption rates compared to sorbents currently used. Images courtesy of John Vericella, Chris Spadaccini, and Roger Aines/LLNL; James Hardin and Jennifer Lewis/Harvard University; Nature)
물론 이 반응도 열을 가해야 하지만 발전소에서 나오는 폐열을 활용하면 추가적인 에너지 투입없이 간편하게 이산화탄소를 포집할 수 있게 될 것입니다. 더 중요한 것은 MECS 기술이 꼭 이산화탄소 포획에만 사용될 필요는 없다는 것입니다. 연구자들은 이 기술이 더 다양한 물질을 효과적으로 녹이는데 사용될 수 있기 때문에 여러 산업 영역에서 활용될 수 있기를 희망하고 있습니다.
실제로 비용-에너지 효과적으로 사용할 수 있는 신뢰성 있는 기술인지는 더 검증이 필요하겠지만, 아이디어는 단순하면서도 혁신적인 것으로 생각됩니다.
참고
Journal Reference:
- John J. Vericella, Sarah E. Baker, Joshuah K. Stolaroff, Eric B. Duoss, James O. Hardin, James Lewicki, Elizabeth Glogowski, William C. Floyd, Carlos A. Valdez, William L. Smith, Joe H. Satcher, William L. Bourcier, Christopher M. Spadaccini, Jennifer A. Lewis, Roger D. Aines. Encapsulated liquid sorbents for carbon dioxide capture. Nature Communications, 2015; 6: 6124 DOI: 10.1038/ncomms7124
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