[Tech News] 열에너지 절감하는 초미세 나노소재 분리막 개발

이종석 교수 연구팀(제1저자: 안희성 박사과정, 공동저자: 남기진 석·박사통합과정)이 머리카락 평균 두께의 500만분의 1(0.02nm)에 해당하는 아주 미세한 크기 차이를 지닌 프로필렌(C3H6)과 프로판(C3H8) 기체분자 분리를 위하여 징크 금속이온에 2-메틸이미다졸과 알킬 아민 유기 리간드가 배위 결합된 신규 결정성 나노입자를 개발했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업과 C1 리파이너리사업의 지원으로 수행된 이번 연구성과는 재료 물리 분야 국제학술지 ‘Advanced Functional Materials(어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈)’에 8월 26일 자로 게재됐다. 

크기와 끓는점이 매우 비슷한 프로필렌과 프로판을 분리하기 위해 기존에는 많은 에너지가 소모되는 고압의 액화 증류 공정이 이용됐다. 증류 공정 대신 분리막을 이용하면 10배가량 에너지를 절감할 수 있지만, 기존 금속-유기 골격체 기반 분리막은 입자들의 뭉침 현상으로 제조가 어려운 데다 0.01 ~ 0.02nm 수준의 기공 크기를 조절하기도 쉽지 않았다.

연구팀은 아민 조절제*를 이용해 금속-유기 골격체로 된 결정성 나노입자의 초미세 기공의 크기를 손쉽고 정밀하게 제어하는 신규 합성법을 개발하였다. 이를 통해 투과도와 선택도가 높은, 즉 작은 프로필렌은 잘 통과시키면서 조금 더 큰 프로판은 통과시키지 않는 최고 수준의 분리성능을 지닌 분리막을 얻는 데 성공했다.

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.

이 교수는 “이번에 개발한 하이브리드 소재의 대면적화에 성공하여 실용화한다면, 올레핀 생산을 위한 Naphtha-Cracking-Center(NCC) 공정과 함께 운영하며 기존 고압의 저온 증류 분리공정에서 발생하는 에너지 소모량을 10배 이상 획기적으로 절감할 수 있을 것으로 기대한다”고 전했다.