간단한 공정만으로 이산화탄소 분리 가능하다
간단한 공정만으로 이산화탄소 분리 가능하다
  • 이웃집과학자
  • 승인 2024.04.23 00:22
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고분자 구조를 체계적으로 튜닝해 기체 혼합물에서 이산화탄소를 선택적으로 투과시키는 고효율 멤브레인(분리막) 제조 기술이 한국 연구진에 의해 개발됐습니다. 이를 통해 수많은 화학 산업 및 환경 분야에서도 넓게 적용이 가능하여 탄소중립 구현에 크게 기여할 것으로 기대되는데요.

 

KAIST는 생명화학공학과 배태현 교수 연구팀이 고분자 분리막의 구조와 화학적 특성을 전략적으로 제어해 높은 효율로 이산화탄소를 분리 제거할 수 있는 기술을 개발했다고 22일 밝혔습니다.

 

멤브레인(분리막)은 목표 물질을 선택적으로 투과시키는 박막으로 정의됩니다. 저에너지 분리 기술로 주목을 받아 왔죠. 하지만 기존의 고분자 분리막은 치밀한 구조를 가져 활용이 제한되는 단점이 있었습니다. 이를 대체하기 위해, 일정한 미세 기공을 갖는 소재를 분리막으로 활용해 기체의 투과 선택성을 높이려는 연구가 많이 수행됐었습니다. 하지만 기존의 분자체 분리막들은 양산에 어려움이 있고 제조 과정이 복잡하며 강도가 부족해 실제 공정에 사용하기에 적합하지 못하다는 단점을 극복하지 못했습니다. 

 

연구팀은 가공성 높은 고분자를 소재로 하고, 제어가 쉬운 화학반응을 이용하여 미세 기공을 형성함으로써 저비용으로 양산이 가능한 분자체 분리막을 구현했습니다. 사전에 전략적으로 디자인된 고분자에는 다양한 화학 작용기를 도입할 수 있습니다. 이번 연구에서는 고분자 분자체 분리막에 이산화탄소의 선택투과성을 높이기 위해서 아미노 그룹[1]을 도입시켰는데요.

(A) 고분자 분리막이 화학작용기로 튜닝된 분자체 분리막으로 진화하는 과정에 대한 모식도; 기체 투과도 향상을 위한 미세기공확보와 화학작용기 도입에 의한 이산화탄소의 선택적 투과 구현. (B) 분리막 구조 변화에 따른 이산화탄소 분리 성능 변화 (C) 완성된 분리막의 모습.출처 : KAIST
(A) 고분자 분리막이 화학작용기로 튜닝된 분자체 분리막으로 진화하는 과정에 대한 모식도; 기체 투과도 향상을 위한 미세기공확보와 화학작용기 도입에 의한 이산화탄소의 선택적 투과 구현. (B) 분리막 구조 변화에 따른 이산화탄소 분리 성능 변화 (C) 완성된 분리막의 모습.출처 : KAIST

새로 개발된 분리막은 고성능이지만 쉽게 부서지는 탄소 분자체 분리막과 달리 고분자 분리막에 준하는 기계·화학적 안정성이 높고 유연성을 지녔다고 합니다. 또한 대량생산에도 유리한 공정을 적용해 상업화에도 유리한 조건을 갖추고 있습니다. 

 

현재까지 개발된 탄소 분자체 분리막 중 성능이 우수한 분리막들에 버금가는 이산화탄소 분리 성능을 보였습니다. 이번에 개발된 기술은 적용되는 분리 공정에 따라서 맞춤형으로 튜닝이 가능해, 차후 여러 산업 분야로 확대 적용이 가능한 범용성 기술입니다.

 

제1 저자인 이홍주 연구원은 "이번 연구에서 개발한 이산화탄소 분리막은 분자체 분리막 개념에 혁신적인 패러다임 발전을 이끌었을 뿐만 아니라 비교적 간단한 공정 과정으로도 고분자 소재에서는 달성하기 어려웠던 이산화탄소 분리 성능을 확보하는 데 성공했다ˮ 라며 "고분자 분리막이나 탄소 분자체 분리막을 적용하고자 했던 여러 화학 산업에 적용가능한 훌륭한 대안을 제시한 연구ˮ 라고 말했습니다.

연구 결과는 국제 학술지 `사이언스 어드밴시스(Science Advances)' 4월 12일자 온라인 게재됐습니다.

논문명 : Mechanically stable polymer molecular sieve membranes with switchable functionality designed for high CO2 separation performance

 

#용어설명

[1] 아미노그룹: 질소원자에 수소가 결합된 화학작용기 (-NH2)


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