연구성과

화공 김동표 교수팀, 효율 높은 이산화탄소 동시 포집•전환시스템 개발

2017-03-16211

[액체-기체의 ‘계면흐름’으로 ‘온실가스’를 바로 자원으로 만든다.]

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전 세계적으로 연간 10기가톤이나 발생하는 이산화탄소는 수많은 기상이변을 일으키는 지구온난화의 주범 ‘온실가스’로 더 잘 알려져 있다. 이산화탄소 배출을 줄이고자 하는 노력과 함께, 최근에는 이산화탄소를 이용해 에너지를 만드는 식물처럼 이산화탄소로 자원을 만들기 위한 기술이 활발하게 연구되고 있다. 하지만, 메탄올과 같은 화합물로 전환하는 기술은 상용화하기에는 지나치게 까다로운 조건을 요구했던 것도 사실이다.

화학공학과 김동표 교수팀은 기체와 액체의 층을 만들어 이들의 ‘흐름’을 이용해 보다 손쉬운 조건에서 높은 효율로 이산화탄소를 전환시킬 수 있는 화학공정을 개발하는데 성공했다.

네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)지를 통해 발표된 이 연구는 무엇보다 화력발전소에서 발생되는 가스를 바로 고부가가치 제품으로 전환할 수 있어 환경 문제 해결은 물론 이를 이용한 수익창출까지 기대할 수 있도록 하는 ‘일석이조’ 기술로서 관심을 모으고 있다.

연구팀은 물과 기름을 강하게 반발시키는 실리콘 나노와이어(나노선, nano wire) 구조체를 만들고, 상단에는 이산화탄소를 포집하는 용매 역할을 하면서 동시에 화학적으로 전환시키는 촉매를 고정시켰다. 이 구조체에 이산화탄소를 포함한 기체를 흘려보내면 액체가 구조체 위를, 기체는 구조체의 틈새를 흘러나가며 생기는 기체와 액체의 안정적인 ‘계면흐름’이 물질전달을 촉진시켜 전환반응이 잘 일어나게 된다.

액체와 기체의 계면에 고정된 촉매가 이산화탄소의 포집과 전환을 동시에 일어나게 하는 이 시스템은 보통의 기압과 상온에서도 81~97%의 반응수율이 나오는데다 전환 즉시 분리공정으로 연결해 원하는 생성물을 자동으로 분리해낼 수 있도록 하는 자동 공정 시스템을 구축한 것이어서 향후 이산화탄소를 이용한 자원 전환 기술의 실용화를 기대하게 한다.
연구팀은 이산화탄소를 포함한 천연가스를 이용한 실험에서 11%의 이산화탄소를 포집했고, 모은 이산화탄소 중 최대 97%를 의약품 원료물질로 전환하는데 성공했다.

이 연구를 주도한 김동표 교수는 “고농도 이산화탄소를 고부가가치를 가진 자원으로 만들어 낼뿐만 아니라, 이산화탄소가 혼합된 천연가스를 정제할 수 있어, 후속연구를 통해서 경쟁력이 떨어졌던 이산화탄소 기반 화학 분야에 한층 힘을 불어넣을 것으로 기대한다”고 의의를 밝혔다.

한편 이 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단의 리더연구자지원사업(창의연구)의 지원을 받아 수행됐다.