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최정규 교수팀, 이산화탄소 분리에 탁월한 이종(Hybrid) 제올라이트 분리막 기술 개발
  • 글쓴이 : 커뮤니케이션팀
  • 조회 : 717
  • 일 자 : 2019-10-15


최정규 교수팀, 이산화탄소 분리에 탁월한 이종(Hybrid) 제올라이트 분리막 기술 개발
화학분야 저명 국제학술지 앙게반테 케미 인터내셔널 에디션 온라인 게재

 

 

 

공과대학 화공생명공학과 최정규 교수(왼쪽), 정양환 석박사통합과정생(오른쪽)

▲ 공과대학 화공생명공학과 최정규 교수(왼쪽), 정양환 석박사통합과정생(오른쪽)

 


공과대학 화공생명공학과 최정규 교수팀 소속 정양환 석박사통합과정생의 주도로 탁월한 이산화탄소 분리 능력을 지닌 이종(hybrid) 제올라이트 분리막 제작 방법이 개발됐다.


제올라이트 분리막을 이용한  분리공정의 경우, 흡착·증류·재결정과 같은 전통적인 분리 공정들에 비해 에너지 효율적으로 운영할 수 있다. 이러한 장점을 바탕으로 기존의 매우 큰 규모에서 이뤄졌던 분리공정보다 공간제약 문제를 해결하는 등의 탄력적 사용이 가능하다. 특히, DDR(deca-dodecasil 3 rhombohedral) 제올라이트 결정은 이산화탄소 분리에 적합한 미세 기공을 지니고 있어, 연속적인 분리막으로 형성되었을 때, 효과적으로 이산화탄소를 선택적으로 제거할 수 있는 큰 잠재력을 지니고 있다. 따라서 DDR 결정으로 구성된 연속적인 분리막을 제작할 수 있다면, 다양한 분야에서 요구되는 이산화탄소/메탄, 이산화탄소/질소 등의 혼합물에서 혼합물 간의 분자 크기 차이에 의한 분자체(molecular-sieve) 역할을 기반으로 선택적으로 이산화탄소를 분리할 수 있다.
※ 제올라이트 : 규소산화물에 일부 규소가 알루미늄으로 치환된 무기 결정 물질로 1nm보다 작은 기공을 지님. 제올라이트는 고유한 결정구조 등에 따라 200여 가지가 넘는 독립적인 구조가 보고되었으며, 세 자리의 문자 코드로 이를 나타냄
[예: CHA(Chabazite), DDR(Deca-dodecasil 3 Rhombohedral), MFI(Zeolite Socony Mobil-five), LTA(Linde Type A) 등].
제올라이트는 다양한 분야에서 이온교환제, 촉매 및 촉매담지체, 흡착제 그리고 분리막의 형태로 폭넓게 사용되고 있음


하지만, DDR 제올라이트 분리막이 가지는 높은 잠재력에도 불구하고, DDR 제올라이트 결정을 분리막 형태로 제조하여 산업적인 규모의 이산화탄소 분리 공정에 적용할 수 있는 기술력은, 현재까지 일본의 한 회사만이 보유하고 있다고 알려져 있다. 이는 높은 성능을 지닌 DDR 제올라이트 분리막을 결함 없이 연속적으로 재현성 있게 제작할 수 있는 확고한 방법론의 부재에 기인한다. 비록, 씨앗 성장(또는 이차 성장) 방법론(씨앗층 형성 및 동종 제올라이트 기반으로 한 씨앗층의 연속 성장이라는 두 단계로 구성됨; *그림 1 참조)을 통해 합성한 제올라이트 분리막은 재현성 있게 분리 성능을 가질 수 있다는 가능성을 보여주나, DDR 제올라이트 결정을 이용하여 높은 분리능력을 보이는 분리막으로 제작하는 것은 매우 드문 상황이다. 

 

그림1

▲그림 1. 씨앗층 형성 및 동종 제올라이트 기반으로 한 씨앗층의 연속 성장 과정을 통해

제올라이트 분리막을 제작한다는 씨앗 성장(또는 이차 성장) 방법의 모식도.


통상적으로 제올라이트 분리막은 씨앗 성장 방법을 이용하여 제작하는 데, 이 때 씨앗 입자를 구성하는 제올라이트와 분리막을 구성하는 제올라이트의 결정 구조가 동일해야 된다는 한계를 지니고 있었다 (*그림 2 참조). 기존에 보고된 DDR 제올라이트 입자를 합성하는 방법은 매우 복잡하고 어려울 뿐만 아니라, 합성을 하더라도 상당히 낮은 재현성은 DDR 제올라이트를 분리막으로 사용하는 데 또다른 장애물로 작용하고 있다. 이러한 DDR 구조를 가지는 입자로 씨앗층을 구성해야 된다는 단점에 더불어, 실제로 이를 이용한 씨앗 성장 방법으로 연속적인 DDR 제올라이트 분리막은 또다른 차원의 문제이고 해결되어야 하는 문제이다.

 

 

그림2

▲그림 2. DDR 제올라이트 씨앗층을 형성한 후, 동일한 DDR 제올라이트 기반의 씨앗 성장을 통해

동종 DDR 제올라이트 분리막을 제작하는 방법의 모식도.

 


 최정규 교수와 정양환 통합과정생은 이러한 문제를 직접적으로 해결하는 방식은 공학적으로 바람직하지 않을 거라 판단하여, 기존에 보고된 방법으로는 합성이 어렵고 재현성이 떨어지는 DDR 제올라이트 구조를 지닌 입자를 씨앗 입자로 사용하지 않기로 했다. 대신, 합성방법이 간편하고 재현성이 높으며 씨앗 입자에 적합한 작고 균일한 크기의 CHA(chabazite) 결정 구조를 가지는 SSZ-13(standard oil synthetic zeolite-13) 제올라이트 입자를 씨앗 입자로 사용하기로 했다. 이처럼 기존의 틀에서 벗어나는 SSZ-13 씨앗층에서 DDR 구조의 제올라이트 분리막을 성장시키는 새로운 방법을 통해 CHA와 DDR 제올라이트 결정 구조를 동시에 가지는 이종(hybrid) 제올라이트 분리막을 쉽고 재현성 있게 제작했다.(*그림 3 참조) 이러한 구조는 촉매나 흡착제 분야에서 잘 알려진 이종(hybrid) 제올라이트로 구성된 core/shell 구조와 유사하다고 볼 수 있다. 게다가, 이종(hybrid) 제올라이트 분리막을, 높은 소수성을 띠도록 제작함으로써, 탄화수소가 산화될 때 이산화탄소와 더불어 성생되는 수증기에 의해 분리 성능이 저해되는 것을 막을 수 있었다.


또한, 해당 이종(hybrid) 제올라이트 분리막은 이산화탄소를 포함하는 혼합물 특히, 이산화탄소/질소 그리고 이산화탄소/메탄에서 선택적으로 이산화탄소를 분리할 수 있다는 것을 확인했고, 많은 연구에서 무시되고 있는 수증기에 의한 분리 성능에 끼치는 악영향도 없다는 것도 확인했다. 이번 연구는 한국이산화탄소포집및처리연구개발센터(KCRC; 센터장 박상도)와 한국연구재단 선도연구센터사업(ERC 초저에너지 자동차 초저배출 사업단; 사업단장 이관영) 및 국제협력사업의 지원으로 수행됐다.


이번 연구는 화학 분야에서 세계적으로 유명한 앙게반테 케미 인터내셔널 에디션(Angewandte Chemie International Edition) 학술지에 10월 7일자로 온라인 게재됐다. (* 논문명: An Unprecedented Hetero-Epitaxially Grown Zeolite Membrane)

그림3

▲그림 3. CHA 제올라이트 구조의 씨앗 입자를 이용하여 이산화탄소 분리에 효과적인 DDR 구조의 분리막을 갖는

 CHA-DDR 이종(hybrid) 제올라이트 분리막을 제작하는 방법의 모식도.



다공성 지지대 위에 CHA 구조의 SSZ-13 제올라이트 씨앗 입자를 균일하게 증착시킨 후, DDR 구조를 성장시킬 수 있는 전구체 용액으로 씨앗 성장 시켜 연속적인 제올라이트 분리막을 성장시킬 수 있었다. 효과적으로 두 가지 결정구조를 갖는 CHA-DDR 이종(hybrid) 제올라이트 분리막을 얻을 수 있었다. 특히, 분리막의 대부분을 차지하는 DDR 제올라이트 구조 덕분에 탁월한 이산화탄소 분리 능력을 보일 수 있었다.


최정규 교수는 “제1저자 역할을 한 정양환 학생이 화학을 전공하여 독특한 구조를 지닌 이종 제올라이트 분리막을 세계 최초로 합성할 수 있었다. 기초적인 화학지식을 바탕으로, 화학공학과 대학원에서 산업체에서 요구하는 기술을 개발하려는 목표를 두었기 때문에 가능한 일이었다. 높은 재현성 해당 분리막을 제작할 수 있기 때문에, 이산화탄소 분리가 필요한 곳이라면 어디든지 적용이 가능할 것”이라고 연구 의의를 설명했다.

 

 

커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)