신기술 소개
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… NICE, 제36권 제6호, 2018대기중의 이산화탄소 농도는 2013년에 산업화 이 전 수준의 142%로 증가(2014, World Meteorological Organization)되었으며, 전세계는 현재 파리 기후 변 화 협약(2016)을 통하여 지구 평균 기온 상승폭을 산 업화 이전 대비 2도 이하로 유지하는 것을 목표로 하 고 있다. 이를 위해서는 화석 연료 연소, 시멘트 생산 등에서 발생하는 이산화탄소를 포집하여, 대기중으 로의 배출을 억제해야 한다. 그러나 높은 포집 비용 이 기술 적용의 한계 요인이며, 특히 기체 혼합물에 서 이산화탄소를 선택적으로 분리하는 비용이 포집 비용의 70%를 차지하고 있다. 따라서 이산화탄소를 에너지 효율적으로 분리하여 분리 비용을 감소시키 는 기술 개발이 요구된다.
화학 및 물리 흡수제를 이용한 흡수법이 이산화 탄소 분리에 활용되고 있지만, 에너지 소모가 높 고 환경 유해 물질들이 배출되는 등의 단점이 있 다. 이에 비해서 분리막을 이용한 이산화탄소 분 리는 친환경적인 분리가 가능하며, 상변화를 수반 하지 않기 때문에 에너지 효율성이 매우 높아 분리 비용의 획기적인 감소가 기대되는 기술이다. 미국 DOE(Department of Energy)에 따르면 이산화탄소의 포집 비용을 이산화탄소 1톤당 $20~40 수준으로 감 소시키는 분리 기술이 필요하며, 이를 분리막의 성 능으로 환산하면, 30~50의 이산화탄소/질소 선택 도 및 300~3,000 GPU(Gas permeation Unit, 1 GPU =
10-6 cm3(STP) cm-2s-1cm-1Hg-1)의 이산화탄소 투과도 가 요구된다. 이 연구 목표치를 달성하기 위해서 고 분자 소재 또는 미세 다공성 소재를 박막화하여 분 리막으로 제조하는 기술이 집중적으로 연구되고 있 다. 그러나 고분자 소재의 분리막의 경우 DOE 목표 치를 달성한 경우는 희박하며, 제올라이트 분리막은 목표치를 상회하는 연구 결과가 보고되지만, 높은 제조 비용으로 인해서 대면적화를 통한 상용화에 많 은 시간이 필요할 것으로 판단된다.
최근 Sandia 연구소의 Brinker 그룹에서는 이산화 탄소 흡수 성능이 매우 우수한 효소(metalloenzyme carbonic anhydrase, CA enzyme)를 활용하여 분리막 에 응용하는 기술을 보고하였다. CA 효소는 우리 몸 속의 적혈구에 포함되어 있으며, 몸속의 이산화탄 소를 흡수하고 호흡시 탈기하여 배출시키는 기능을 한다. 그림 1은 CA효소 구조와 흡수된 이산화 탄소 가 CA 효소를 통해서 화학적으로 변화하는 과정을 보여주고 있다. 흡수된 이산화탄소는 물과 반응하 여 탄산(H2CO3)이 되며, 해리 과정을 통하여 중탄산 염(HCO3
-)이 된다. CA는 초당 104~106의 반응을 하 여 반응속도가 매우 빠른 효모 중의 하나이며, 이는 CA분자 하나가 초당 10,000에서 1,000,000개의 이산 화탄소를 반응시킬 수 있다. CA효소를 사용하여 액 체 분리막을 만드는 시도는 이전에도 있었지만, 액 체 분리막의 두께가 10~100 μm 수준으로 두꺼워 확
이산화탄소 포집용 초박형 액체 효소 (enzymatic liquid) 분리막
Nature Communications, 2018, 9, 900, DOI:10.1038/s41467-018-03285-x
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NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 36, No. 6, 2018 …
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산 거리가 길었기 때문에 인해서, 제조된 분리막의이산화탄소 흡수 및 배출 효율을 크게 감소시켰다.
Brinker 그룹에서는 이를 극복하기 위해서 나노 기공 을 가지는 박막에 CA 효소를 18 nm 두께로 고정화 시키는 기술을 개발하였다. 그림 2에서는 CA 효소가 박막화된 분리막을 제조하는 과정을 보여주고 있다.
50~150 nm의 기공을 가지는 다공성 알루미나가 지
지체로 사용되었다. 먼저 EISA(evaporation-induced self-assembly)법을 사용하여 정렬된 다공성 실리카 를 알루미나 기공에 채워준다. 그리고 ALD(atomic layer deposition)법을 이용하여 다공성 실리카 기공을 소수성화시킨다. 최종적으로 산소 플라즈마를 이용 하여 표면을 친수화시킨 후 CA 효모를 함침시키면 분리막이 완성된다. CA 효모는 친수화된 표면에만 존재할 수 있기 때문에 CA 효모가 함침된 박막의 두 께는 18 nm가 된다. 이는 기존 CA 효모를 함유한 액 체 분리막의 가장 큰 단점인 박막 두께를 약 1/1000 수준로 감소시킨 결과이다. 또한 나노 기공 구속효 과(Nanopore confinement effect)로 인해서 기존 CA 효모의 물에 대한 용해도 보다 10배 이상 많은 양의 효모를 용해시켜서 액체 분리막으로 제조할 수 있음 을 보여주었다. 제조된 분리막은 500~788 의 이산화 탄소/질소 선택도 및 500~2,600 GPU의 이산화탄소 투과도를 나타내어 DOE의 목표치를 달성하였으며, 3개월의 장기 운전에도 성능이 유지되는 결과를 보 고하였다. 특히 화석 연료 연소 및 시멘트 제조 공정 에서 발생하는 낮은 배출 압력의 이산화탄소를 효율 적으로 분리할 수 있는 성능을 나타내어 관련 분야 로의 기술 적용이 기대된다.
그림 1. CA 효소의 구조 및 CA 효소를 통한 이산화탄소의 화학적 변화 과정.
그림 2. CA 효소를 함유한 초박형 액체 분리막 제조 과정.
