연구재단, 간단한 열처리로 CO₂ 분리…고분자 분리막 개발

서강대 이종석 교수팀, 인위적으로 미세다공성 구조 형성

저온에서 이산화탄소 고효율 분리, 국제학술지 발표

[대전=뉴시스] 외부 유래 미세다공성 고분자 분리막의 비표면적, 기체 분리성능, 장기안정성 및 내가소성 평가 실험 결과도.(사진=서강대 이종석 교수 제공) *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 국내 연구진이 간단한 열처리만으로 이산화탄소(CO₂)를 선택적으로 투과시킬  수 있는 고분자 분리막을 개발해 이산화탄소 포집 비용을 획기적으로 줄일 수 있게 됐다.

한국연구재단은 서강대학교 이종석 교수팀이 높은 이산화탄소 분리성능과 뛰어난 장기 안정성을 갖는 '외부 유래 미세다공성(Microporous) 고분자 분리막'을 개발했다고 25일 밝혔다.
 
외부 유래 미세다공성 고분자 분리막(EMPM)은 고분자의 뒤틀린 구조에서 기공이 생기는 미세다공성 고분자와 달리 외부 공정을 통해 고분자 사슬을 재배열하고 연결해 인위적으로 안정적인 미세기공을 형성시킨 고분자 분리막이다.

분리막 기술은 특정 물질만을 선택적으로 투과시켜 혼합물을 분리하는 기술로  에너지 소비를 획기적으로 줄일 수 있다.
 
기존 이산화탄소 상용 고분자 분리막은 기체 분리 성능이 낮고 고압의 응축성 가스에 의해 선택도가 감소하거나 시간이 지남에 따른 물리적 노화로 성능이 저하된다는 한계가 있었다.

이번에 연구팀은 간단한 열처리만으로 기존 고분자 분리막 소재의 고질적인 한계인 투과도-선택도 간 '트레이드오프(trade-off)' 문제를 해소하고 안정성 문제까지 해결한 새로운 개념의 외부 유래 미세다공성 고분자 분리막을 제시했다.

트레이드오프(trade-off)는 고분자 분리막에서 투과도가 높아지면 선택도가 낮아지고, 선택도가 높아지면 투과도가 낮아지는 상충관계를 말한다.

연구팀에 따르면 불소를 포함한 방향족 고분자를 열처리하면 선택적 탈불소화 현상이 일어나면서 고분자 사슬에서 불소 원자가 떨어져 나가고 그 자리에 반응성이 매우 높고 불안정한 라디칼이 생성된다.

생성된 라디칼은 인접한 고분자 사슬과 새로운 결합을 형성해 견고하고 영구적인 3차원 네트워크 구조를 만든다. 이렇게 형성된 미세기공 덕분에 분리막은 높은 이산화탄소 분리성능과 뛰어난 장기 안정성을 동시에 확보하게 된다.

연구팀은 고분자 분리막을 속이 빈 섬유 모양의 '중공사막(hollow fiber)' 형태로 제작하는 데도 성공, 대규모 생산과 산업 적용 가능성을 입증했다.

연구팀은 이번 기술을 바탕으로 석유화학 공정과 수소 생산 등 차세대 친환경 분리 공정은 물론 배터리와 촉매 등 기후변화 대응과 에너지 전환 시대에 필수적인 분야로 기술을 확장하는 후속 연구를 진행할 계획이다.

연구재단의 지원으로 수행된 이번 연구는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 온라인판에 지난 5일 게재됐다.

연구진 관계자는 "비다공성인 유리질 고분자에 간단한 열처리만으로 안정적인 미세기공을 후천적으로 형성하는 새로운 방법을 제시했다"며 "산업 적용 가능성도 실험적으로 입증했고 특히 영하 20℃의 저온 조건에서도 뛰어난 성능을 확보, 저온CO₂ 포집공정의 핵심 기술로 자리매김할 것"이라고 말했다.


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