프로필렌과 프로판 끓이지 않고 분리한다
체(sieve) 역할 하는 기공 크기 미세하게 제어한 분리막 개발
증류분리방식에 비해 열에너지 절감 기대
□ 머리카락 두께 500만분의 1(~0.02nm)에 해당하는 아주 미세한 차이의 기체 분자를 구별하는 분리막이 소개됐다. 내부에 초미세 기공을 가진 나노입자가 체(sieve)가 되어 선택적으로 기체 분자를 통과시키거나 차단하는 원리다.
□ 한국연구재단은 이종석 교수(서강대학교) 연구팀이 프로필렌(C3H6)과 프로판(C3H8) 기체 분자를 서로 분리할 수 있는 다공성 금속-유기 골격체※ 기반 분리막을 개발했다고 밝혔다.
※ 금속-유기 골격체 : 금속 이온과 유기리간드 간의 배위결합으로 이루어진 다공성 물질로 대표적으로 ZIF-8(zeolitic imidazolate framework-8)을 이번 연구에서 이용했다. 표면적이 넓고 세공 부피가 큰데다 다양한 기능성 구조를 첨가할 수 있어 흡착제 등에 널리 활용된다.
□ 크기와 끓는점이 매우 비슷한 프로필렌과 프로판을 분리하기 위해 기존에는 많은 에너지가 소모되는 고압의 액화증류공정이 이용됐다.
○ 증류공정 대신 분리막을 이용하면 10배 가량 에너지를 절감할 수 있지만 기존 금속-유기 골격체 기반 분리막은 입자들의 뭉침현상으로 제조가 쉽지 않은데다 0.01 ~ 0.02nm 수준의 기공 크기를 조절하는 것은 매우 도전적이다
□ 연구팀은 아민 조절제를 이용해 금속-유기 골격체로 된 결정성 나노입자의 초미세 기공의 크기를 손쉽고 정밀하게 제어하는 신규 합성법을 개발했다.
○ 이를 통해 투과도와 선택도가 높은, 즉 작은 프로필렌은 잘 통과시키면서 조금 더 큰 프로판은 통과시키지 않는 최고 수준의 분리성능을 지닌 분리막을 얻는데 성공했다.
※ 아민조절제 : 염기성 특성을 지녀 금속 이온과 유기리간드의 배위 결합을 촉진시키는 기능을 갖는 물질로 ZIF 나노입자 합성 등에 쓰이고 있다.
□ 아연과 결합한 아민 조절제가 전자분포의 치우침으로 인한 척력을 유도, 나노입자간 뭉침은 막고 고분자와의 친밀성은 높인 결과다.
○ 균일한 크기(60nm)로 합성된 ZIF-8 입자가 골격체를 탄탄하게 해 체거름 기능을 높일 수 있었다. 특히 상용 고분자 내 고농도 입자함량(>40 wt%)에서도 우수한 분산성 및 친밀성을 나타내었다.
□ 연구팀은 에틸렌과 에탄, 이산화탄소와 일산화탄소, 이산화탄소와 메탄 등 다양한 기체의 분리에도 이 분리막 제조법이 응용될 수 있을 것으로 기대하고 있다.
○ 특히 플라스틱과 합성섬유의 원료로 산업의 쌀이라고 불리는 에틸렌 역시 에탄으로부터 분리하여 얻는데 이 둘 크기 차이 역시 프로필렌과 프로판의 차이와 비슷한 수준이라는 설명이다.
□ 한편 연구팀은 분리막을 다공성 지지체에 코팅, 분리막을 대면적화하는 연구를 지속할 계획이다.
○ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업과 C1 리파이너리사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 재료물리 분야 국제학술지‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 8월 26일 게재되었다.
