대표적인 온실 가스 중 하나인 메탄(CH4)은 각종 산업에서 배출되고 있습니다. 또한 매립되는 일반 폐기물에서 발생하는 가스에서도 메탄은 이산화탄소(CO2)와 대부분을 차지하고 있는데, 지구 온난화를 가중시키고 환경을 오염시키는 문제를 야기하고 있습니다.
이렇게 각종 산업과 쓰레기에서 발생하는 가스는 여러 가지로 혼합된 게 많아 이를 선택적으로 분리·회수할 수 있는 정제기술이 필요합니다. 오늘은 혼합된 가스에서 필요한 가스만 선택해 분리하는 흡착기술과 소재에 대해 알아보겠습니다.
◆공기 중 혼합 가스 분리…흡착기술
혼합된 가스를 분리하는 기술로는 저온 분리법과 흡수법, 막 분리법, 흡착법 등이 있습니다.
이 중 흡착법은 미세기공을 가지는 고체 표면에 기체 혼합물질이 선택적으로 흡착되는 원리를 이용하는 기술로 흡착제의 역할이 매우 중요합니다.
탄소분자체(CMS, Carbon Molecular Sieve)는 세공의 크기가 일정하게 조절된 탄소 흡착제입니다. 세공의 크기보다 작은 분자만 통과시키는 특성을 이용해 온실 가스인 이산화탄소와 메탄가스를 분리할 수 있습니다.
◆필요한 가스를 분리하는 흡착제 탄소분자체
탄소분자체는 기체 분자와 유사한 크기의 기공이 표면에 균일하게 분포하고 있어 흡착 및 탈착 속도가 빠른 특징이 있습니다. 덕분에 기체 분리공정에 널리 사용되고 있는 소재입니다.
일반적으로 가스 및 정제 공정인 ‘압력스윙흡착’(PSA·Pressure Swing Absorption)을 통해 공기 중 산소와 질소 또는 메탄가스와 이산화탄소를 각각 분리하는 데 쓰입니다.
◆탄소분자체의 장점
이산화탄소는 메탄에 비해 흡착 속도가 빠르며, 산소도 질소보다 앞섭니다.
탄소분자체는 이러한 분자의 확산속도 차이를 이용해 특정 가스를 분리할 수 있는 것인데요. 다른 가스 분리방법에 비해 많은 에너지가 필요하거나 고가의 장치가 필요하지 않아 경제적이면서도 효율이 높습니다.
또한 고분자 분리막과 지올라이트 분자체에 비해 판상 구조분자에 대한 높은 선택 분리성과 소수성(물과의 친화력이 적은 성질) 표면, 내약품성, 내열성을 자랑하는 한편 재활용도 할 수 있다는 장점을 지니고 있습니다.
◆탄소분자체 제조기술
탄소분자체가 가스를 분리하고 흡착하는 기능은 표면의 세공 크기와 균일성, 그리고 세공의 구조에 달려있습니다. 바로 이들을 제어하는 데 고도의 기술이 필요합니다.
탄소분자체를 제조하는 기술은 미국과 일본, 독일 등에 있었으며, 우리나라는 전량 일본에서 수입해 사용해 왔습니다.
한화솔루션 케미칼 부문은 최근 산업기술평가관리원과 협약을 맺고 산업용 가스 분자를 선택적으로 흡착해 분리할 수 있는 탄소분자체 개발을 진행하고 있습니다. 이렇게 개발된 탄소분자체는 산업용 가스에서 이산화탄소를 흡착 분리하는 데 쓰여 이산화탄소 포집 및 저장 기술의 효율을 높일 수 있습니다.
공기 중 이산화탄소를 줄일 수 있어 온실 가스를 낮추는 데 기여할 수 있으며, 또한 물에서 고순도의 수소를 생산하는 수전해 기술과 폐기물에서 발생하는 바이오 가스의 연료 에너지 전환도 바라볼 수 있습니다.
한화솔루션은 기후변화에 더욱 적극 대응하고 탄소 중립국가로 발돋움할 수 있도록 기술 개발을 위해 앞장서겠습니다.
한화솔루션 블로거
*이 기고는 한화솔루션과 세계일보의 제휴로 작성되었습니다.