이산화탄소 포집-하지만 어떻게? (3) "고체 사용법과 막을 통한 분리법"

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-10-15 16:47:17
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- 금속 유기 프레임워크(MOF), 아민 스크러빙 시스템보다 작고 비용 효율적
- 단점은 습한 연기 가스 혼합물에 노출되면 잘 작동하지 않는다.
- 스위스 EPFL 연구팀이 물이 아닌 CO2에만 부착되는 특수분자고리 찾아내 이를 극복
- 선택적 투과성을 통한 필터로 분리,설치 공간이 작고 설치 및 작동이 비교적 간단

1. CO2 제거제로서의 고체 : 분자 케이지로 탄소 포집

아민 스크러빙을 최적화하려는 시도와 병행해 수많은 회사와 연구 기관에서도 다른 CO2 포집 공정을 실험하고 있다. 여기에는 규산염, 제올라이트 혹은 아민기가 있는 CO2 제거제로 전환되는 유기금속 골격 화합물과 같은 고체의 사용이다. 

▲ MOF-5(IRMOF-1이라고도 함)의 8개 세포. 노란색과 주황색 구체는 구조에 존재하는 기공을 설명하기 위해 삽입됐다. (출처: Tony Boehle / https://commons.wikimedia.org/wiki/File:MOF-5.png)

CO2에 대한 유기금속 프레임워크 사용

금속 유기 프레임워크(Metal Organic Frameworks)는 탄소 포집을 위한 유망한 접근 방식으로 많이 언급된다.
이러한 다공성, 결정질 고체는 금속 이온이 복합 결합을 통해 화합되는 유기 탄화수소 구조로 구성된다. MOF와 그 안에 내장된 화합물의 새장 같은 구조는 프레임이 특정 분자만 선택적으로 둘러싸도록 조정될 수 있다. 예를 들어 수소를 운반하는 데 사용할 수 있지만 CO2 제거제로도 사용할 수 있다.
▲ 주사 전자 현미경 아래의 MOF 결정(crystal) source : http://www.scienceimage.csiro.au/image/11637

고체 흡수제의 장점 중 하나는 소형화다. 

▲ 유기금속 골격 화합물(여기서 CPO-27)은 금속

(녹색,보라색)이 복합 화합물을 통해 통합되는 

탄화수소 골격으로 구성된다. 

그들은 종종 새장과 같은 구조를 형성한다. 

© Canucksplayer


흡수율이 높고 액체 용액보다 단위 부피당 더 많은 CO2를 결합할 수 있으므로 이러한 배기 가스 정화 시스템은 아민 스크러빙 시스템보다 더 작고 비용 효율적이다. 또 다른 장점은 이러한 고체에 결합된 CO2는 아민 스크러빙보다 적은 에너지를 사용해 다시 분리될 수 있다. 보통 열이나 진공이면 충분하다. 비용이 절감된다.

포획자는 "습식" 배기가스를 찾는다.

지금까지 이러한 프레임 결합에는 한 가지 주요 단점이 있었다.

"실제 응용 분야에서 일반적인 것처럼 습기 있는 연기 가스 혼합물에 노출되면 잘 작동하지 않는다"고 이스탄불 대학의 세다 에스킨(Seda Eskin)은 "Nature" 논평에서 설명했다. 발전소 또는 산업 플랜트의 배기 가스에는 일반적으로 상당한 양의 수증기가 포함되어 있기 때문이다. "물은 MOF의 동일한 흡수 위치에 대해 CO2와 경쟁하며 이는 선택성을 방해한다."

그러나 2019년 로잔 폴리테크닉(Lausanne Polytechnic)의 페터 보이드(Peter Boyd)가 이끄는 연구팀은 32만 5천개의 유기금속 골격 화합물에 대한 컴퓨터 지원 분석 후 선택적 CO2 결합을 갖는 35개의 MOF를 식별하는 데 성공했다. 이 프레임들은 H2O가 아닌 CO2만 부착되는 특수 분자 고리를 갖고 있다. 이를 통해 "습식" 가스 혼합물로도 CO2를 결합할 수 있다.

실제 테스트에서 이러한 MOF 중 2개는 특히 제올라이트(Zeolite) 13X 또는 활성탄으로 만든 기존의 CO2 필터보다 훨씬 더 효과적이었다. Boyd와 그의 팀은 "배기 가스의 수분은 Al-PMOF의 포집 능력에 최소한의 영향을 미쳤을 뿐이고 Al-PyrMOF를 사용하면 흡수 능력이 더욱 증가했다"고 보고했다. 이러한 화합물이 산업 테스트에서도 입증되면 CO2 포집을 위한 또 다른 옵션을 제공할 수 있다.

2. CO2용 필터 : 막을 통한 분리


탄소 포집을 위해 고체를 사용하는 또 다른 방법은 막 여과다. 고체 또는 액체 흡수제와 달리 CO2의 분리는 CO2의 선택적 결합이 아니라 선택적 확산에 기반한다. 멤브레인은 반투과성이며 CO2는 통과할 수 있지만 다른 가스는 통과할 수 없다.

선택적 투과성을 통한 분리

큰 장점: 흡수체 침전물과 달리 멤브레인은 에너지 집약적인 재흡수 단계로 전환하지 않고도 영구적으로 사용할 수 있다. 규슈(Kyushu) University의 시게노리 후지가와(Shigenori Fujikawa)와 그의 동료들은 "기존의 다른 CO2 포집 방법과 비교해 멤브레인은 설치 공간이 작고 설치 및 작동이 비교적 간단하다는 장점이 있다. 

▲ 멤브레인을 사용한 CO2 포집은 선택적 투과성의 원리를 사용한다. © 규슈대학



그러나 막 분리는 막이 CO2에 대해 충분히 선택적이고 투과성이 있고 막 양면 사이의 CO2 농도 차이가 충분히 큰 경우에만 효율적이다. 실제로 이는 CO2를 최대한 완벽하게 분리하기 위해 배기 가스 흐름이 멤브레인 통로의 상류에서 압축되어야 하거나 뒤쪽에 있는 펌프가 필요한 흡입을 제공해야 함을 의미한다. 전 세계의 연구팀은 복잡한 동반 시스템 없이 작동하는 방식으로 멤브레인을 최적화하기 위해 노력하고 있다.

또한 연도(flue) 가스에 최적화됨

필터 멤브레인은 화학 산업에서 비교적 균질한 가스를 분리하거나 바이오 가스 또는 합성 가스로부터 CO2 분리를 위해 오랫동안 사용돼 왔다. 대부분의 경우 이들은 기공 크기와 화학적 특성으로 인해 CO2에 대한 선택적 투과성을 보장하는 특수 폴리머이다. 여러 회사는 이미 연도 가스에서 CO2 포집에 적합하다고 알려진 새로운 고분자 멤브레인을 개발했다.

이러한 멤브레인 중 하나인 MTR의 Polaris가 있는 파일럿 플랜트는 현재 대규모 테스트를 위해 와이오밍의 발전소에 설치되고 있다. 기존 가스 분리막보다 10배 더 높은 CO2 선택적 투과성을 가져야 하며 발전소의 85도 고온 연기 가스에서 CO2의 약 70%를 필터링해야 한다. 분리 전 연도 가스에는 12%의 CO2와 18%의 수증기가 포함돼 있다.

멤브레인 베이스로서의 그래핀

대조적으로, École Polytechnique Fédérale de Lausanne(EPFL)의 쿠마르 아그라발(Kumar Agrawal)과 함께 일하는 연구원들은 완전히 새로운 멤브레인 기술에 의존하고 있다. 그들은 단 하나의 원자층 두께인 그래핀 층을 사용해 여기에 맞춤형 폴리머 사슬이 부착되어 있다. 

전체 필터 멤브레인은 두께가 20나노미터에 불과하다. Agrawal은 "이산화탄소 선택성 고분자 사슬로 나노다공성 그래핀을 기능화하면 초박형이지만 선택적인 막을 제조할 수 있다"고 말했다.

연구팀에 따르면 이 그래핀과 고분자 복합막은 현재 사용 중인 멤브레인 필터보다 6배 이상 높은 투과율을 테스트에서 달성했다. Agrawal은 "그래핀 멤브레인의 2차원 특성은 CO2에 대한 투과성을 급격히 증가시켜 멤브레인 필터링을 탄소 포집에 더욱 매력적으로 만든다"고 말했다.

CO2 포집을 위한 다양한 멤브레인 변형은 아직 테스트 단계에 있다. 

그러나 많은 전문가들은 이 필터 기술이 CO2 포집을 위한 가장 저렴하고 다재다능한 솔루션 중 하나가 될 수 있기 때문에 가장 유망한 기술 중 하나로 간주한다. 일부 회사에 따르면 멤브레인 솔루션은 미래에 CO2 톤당 미화 20~40달러로 탄소 포집을 가능하게 할 수 있다.

공기 중 CO2 포집에도 적합

공기의 최소 CO2 함량으로 인해 훨씬 ​​더 어렵고 비용이 많이 드는 직접 공기 포집(DAC)을 위한 멤브레인에 대한 연구도 수행되고 있다. 

 

대기에는 400ppm의 CO2(0.04%)만 포함되어 있기 때문에 주변 공기에서 CO2를 분리하기 위한 멤브레인은 연기 가스에 사용되는 멤브레인보다 투과성과 선택성이 높아야 한다. "투과성은 멤브레인 기반 DAC를 실현 가능하게 만드는 핵심 요소다"고 Shigenori Fujikawa는 설명했다. 그는 동료들과 함께 그러한 멤브레인이 가져야 하는 특성과 멤브레인 지원 DAC가 얼마나 실현 가능한지 조사했다.


그들의 계산에 따르면, 공기에서 CO2를 분리하기 위한 멤브레인은 약 100나노미터보다 두꺼워서는 안 되며 최소 10,000 GPU(Gas Permeance Unit)의 투과도를 가져야 한다. 

▲ 폴리머 부속물이 있는 그래핀 멤브레인은

CO2 포집에 특히 적합할 수 있다. © KV Agrawal / EPFL

 

EPFL 연구원이 개발한 가장 고도로 최적화된 그래핀 멤브레인은 약 11,700 GPU의 투과성을 달성했다. 유입되는 공기 측면의 압력은 멤브레인 후면보다 30% 이상 높아야 한다. 이 요소는 펌핑에 필요한 에너지 양을 결정한다.

이러한 요구 사항이 충족되면 멤브레인이 실행 가능하고 저렴한 직접 공기 포집 방법이 될 수 있다고 Fujikawa와 그의 동료들은 말한다. "예를 들어, 하루에 공기에서 1톤의 CO2를 제거하려면 5천 제곱미터 미만의 막 표면이 필요하다"고 팀이 말했다. "여러 레이어가 있는 시스템에 설치하면 모서리 길이가 2.50미터에 불과한 큐브가 된다.“ 

(계속)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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