재사용 효율 높은 아민-제올라이트 기반 이산화 탄소 흡착제 개발
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재사용 효율 높은 아민-제올라이트 기반 이산화 탄소 흡착제 개발
  • 심혜린 기자
  • 승인 2016.05.17 15:06
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아민과 이산화 탄소 사이에 일어나는 화학 반응으로 이산화 탄소 흡착하고 제올라이트의 친수성 이용해 흡착제의 재생 안정성 높여

 

공정에서 배출되는 기체에서 이산화 탄소를 흡착했던 아민-제올라이트 복합체가 고온에서 다시 이산화 탄소와 분리되며 재사용이 가능해진다.

생명화학공학과 최민기 교수 연구팀이 효율적으로 재사용할 수 있는 이산화 탄소 흡착제를 개발했다. 이번 연구 결과는 지난 3월 16일 <에너지&인바이러멘털 사이언스(Energy&Environmental Scien-ce)> 온라인판에 게재되었다.

재생 안정성이 떨어지는 기존 흡착제
이산화 탄소 흡착제란 화석연료의 연소 등에서 방출되는 이산화 탄소를 포집하는 물질을 말한다. 하지만 이산화 탄소 흡착제에 관한 기존 연구는 주로 한 번에 많은 이산화 탄소를 흡착하는 데에 집중하는 편이었다. 그 결과, 이산화 탄소 흡착제를 재사용하면 재생 안정성은 떨어지는 경우가 많았다. 재생 안정성이 떨어지는 흡착제를 공정에서 사용하면, 흡착제를 지속해서 갈아주어야 한다는 문제가 생긴다.

아민 기반 흡착제는 요소를 생성해

기존에 주로 사용되던 흡착제의 종류에는 아민(amine) 기반 흡착제와 제올라이트(zeolite)* 기반 흡착제가 있다. 아민 기반 흡착제는 아민 분자 두 개와 이산화 탄소 분자 한 개 사이에서 일어나는 화학 반응을 이용해 이산화 탄소를 포집한다. 아민과 이산화 탄소 분자가 요소와 물 분자를 하나씩 생산하는 화학 반응을 이용하는 것이다. 이때 요소가 만들어지면 흡착제가 더는 이산화 탄소를 흡착하지 못해 비활성화된다. 흡착제를 재생시키려면 요소를 다시 아민과 이산화 탄소로 분리해야 한다. 이를 위해선 고온 환경을 조성해 에너지를 제공해야 하는데, 고온에서는 물 분자가 제거돼 요소와 물로부터 아민과 이산화 탄소를 만드는 역반응이 일어나기 어렵다. 따라서 아민 기반 흡착제는 재사용이 어렵다.

효율이 낮은 제올라이트 기반 흡착제
다공성 물질인 제올라이트를 이용한 이산화 탄소 흡착제는 제올라이트의 작은 구멍에 이산화 탄소가 갇히는 현상을 이용한다. 하지만 제올라이트 기반 흡착제에서는 이산화 탄소와 흡착제 간 화학 반응이 일어나는 것이 아니므로 제올라이트 내부에 이산화 탄소뿐만 아니라 다른 기체들도 함께 포섭될 수 있다. 특히 제올라이트는 이산화 탄소보다 연소 반응의 또 다른 결과물인 물을 더 선호하기 때문에 이산화 탄소 흡착 효율이 떨어진다.


아민-제올라이트 복합체 개발 성공해
연구팀은 이와 같은 문제를 해결하기 위해 제올라이트의 친수성에 주목했다. 연구팀은 아민-제올라이트 복합체를 이용한 이산화 탄소 흡착제를 개발했다. 제올라이트에 에틸렌다이아민** 분자를 결합시킨 것이다. 이렇게 만들어진 이산화 탄소 흡착제를 기존 아민 기반 흡착제와 비교해 본 결과 초반 흡착량은 기존 흡착제가 더 좋은 편이었지만 10회 이상 재생이 이루어지자 연구팀이 개발한 흡착제의 흡착량이 더 좋았다.

제올라이트의 친수성 이용해 물 공급
아민-제올라이트 복합체 기반 이산화탄소 흡착제에서는 아민 기반 흡착제와 마찬가지로 아민과 이산화탄소의 요소 합성 반응이 일어난다. 하지만 연구팀이 개발한 흡착제는 기존 아민 기반 흡착제와는 달리 고온 환경을 조성해주더라도 제올라이트의 친수성으로 제올라이트 내부에 물 분자가 많이 남아있다. 따라서 요소를 분해해 흡착제를 재생하기 쉬워진다.

연구팀이 개발한 이산화 탄소 흡착제는 재생 안정성이 좋을 뿐만 아니라 합성 방법이 간단하고 합성 단가가 저렴해 대량 생산이 쉽다는 장점을 가진다. 이번 연구 논문 제1 저자인 김채훈 학우는 “기존 연구는 흡착 효율 증진에만 주목해 실제 공정에 적용하기 어려웠다”라며 “이번 연구에서는 흡착제의 재생 안정을 고려해 실제 공정에서 사용할 수 있는 흡착제를 만들었다”라고 연구의 의의를 밝혔다.
 

제올라이트*
광물의 일종으로, 알칼리 및 알칼리토금속의 규산알루미늄 수화물. 공극이 많은 3차원 골격구조를 이룬다.

에틸렌다이아민**
에틸렌(C2H6) 분자의 두 탄소 원자에 각각 아민기(-NH2)가 결합한 분자.


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