연구실 소개
동국대학교 화학공학과의 청정에너지 및 반응분 리 연구실은 지구온난화를 방지하기 위한 연구로써 온실가스인 CO2와 CH4 등의 non-CO2 가스를 감축 할 수 있는 연구를 수행하고 있다. 특히, 전 세계적으 로 발전소와 같은 고정 배출원에서 CO2를 저감하는 Carbon dioxide Capture & Storage (CCS) 기술이 활발 히 연구되고 있다. 따라서, 본 연구실에서는 CCS 비 용의 70% 이상을 차지하는 것으로 알려진 CO2 포집 부분에 적용 가능한 저비용-고효율 기술 개발을 위 하여 연소 전, 연소 후, 순산소 포집 기술을 모두 연 구하고 있다. 연소 후 CO2 포집을 위해 분리막/흡수 제 하이브리드 기술 개발을 진행하고 있다. 순산소 연소 기술로는 이온 전도성 세라믹 소재를 이용한 산소 분리용 분리막을 원천 기술을 확보하였으며, 소각로에 적용하기 위하여 이산화탄소에 내성이 있 는 산소 분리막 기술을 고안하여 성능 평가를 수행 하고 있다. 연소 전 포집기술로는 수소 분리막을 연 구 개발하였으며 그 외에도 다양한 적용처에서 가스 를 분리, 정제하는 연구를 수행하고 있다. 대표적으 로 매립지가스 정제를 위한 산소 제거 기술 개발을 진행하고 있다. 본 연구실에서 수행하고 있는 온실
가스 저감 기술 및 가스 분리 기술개발에 대한 설명 은 다음과 같다.
주요 연구분야
1) 세라믹 중공사막 모듈을 이용한 연소 후 CO₂ 포 집기술 개발
접촉 분리막을 이용한 CO2 포집 공정은 기체와 액 체를 분리막을 통해 접촉 시켜 CO2를 분리하는 기술 이며, 기상과 액상의 흐름을 독립적으로 조절 가능
Laboratory, Dongguk university
박정훈
동국대학교 청정에너지 및 반응분리 연구실 [email protected]
접촉막 공정
하다. 접촉막 공정은 기존의 충전식 흡수탑에 비하 여 재생 에너지 소모가 낮고 단위 부피당 유효 접촉 면적이 흡수탑 공정에 비해 2~5배 증가하였으며, 기 상과 액상의 독립적인 운전으로 범람, 거품 등의 문 제없이 유속을 증가시킬 수 있어 처리 유량 증가시 킬 수 있다는 장점이 있다. 또한, 정량적으로 기-액 접촉면적 계산이 가능하기 때문에 이를 통한 설계인 자 도출 및 모듈화에 의한 scale-up이 용이하다.
연소 후 포집을 위한 분리막/흡수제 하이브리드 기술 개발 과제는 2014년에 KCRC 과제로 선정되어 진행 중에 있다. 분리막 소재로는 세라믹 중공사막을 채택하였으며, 세라믹 분리막은 흡수액에 의한 젖음 현상 없이 운전이 가능하며 고분자 접촉막에 비해 높 은 열적, 화학적 안정성을 지녀 장기간 운전에 용이 하다는 장점을 가지고 있다. 2016년 7월 현재, 다양한 기공구조를 갖는 세라믹 중공사막의 제조 및 성능 평 가를 통하여 접촉막 모듈에 적용할 최적의 중공사막
을 선정하였으며, 소수성 표면 개질 방법을 확립하였 다. 또한, CO2 제거 효율을 분석하기 위한 장치를 제 작하여 CO2 흡수 실험을 수행하였으며 단위 모듈 기 술 개발 및 최적화 중공사막을 이용한 1, 3, 5, 10 가닥 CO2 흡수 성능 평가를 완료하였다.
향후, 중공사막 대용량화 기술 및 모듈 개발을 통 하여 파일롯 규모의 모듈 설계를 계획하고 있으며, 1 Nm3/hr 벤치 규모의 공정 개발을 목표로 연구를 수 행하고 있다. 현재 CCS 기술은 분리 공정에 많은 비 용이 발생하기 때문에 상용화하는 데 어려움이 있 다. 따라서 본 연구실에서 진행되고 있는 연구를 통 해서 분리 기술의 단가를 낮춰서 CCS 기술을 상용화 시킬 수 있을 것으로 기대하고 있다.
2) 소각로 내 순산소 연소를 위한 산소 분리막 기 술 및 산소 공급 장치 개발
CCS 기술 중 순산소 연소 포집 기술은 고농도
다양한 기공구조를 갖는 세라믹 중공사막 분리막 모듈 (1, 3, 5, 10 가닥)
2000 GPU, 제거율 90% 달성 Robeson plot
CO2 회수처리의 용이성, 저비용의 운전 경제성, 가 열효율 향상을 통한 에너지소비 감소, NOx 저감 및 설비의 소형화라는 다양한 장점을 갖고 있다. 그러 나 산소제조설비가 추가적으로 요구되는 부담이 있 으며 저가의 산소제조기술의 확보가 중요하다. 혼합 전도성 세라믹 분리막은 무한대의 선택도를 갖기 때 문에 낮은 산소제조 단가로 고농도의 산소를 얻을 수 있다. 본 연구실에서는 우수한 산소 흡착 성능 및 산소 투과 특성을 나타내는 Ba1-xSrxCo0.8Fe0.2O3-δ (0＜x
＜1) 조성의 산소 분리막 기술을 확보하였으며, 분 리막 표면에 La1-xSrxTi1-yFeyO3-δ 코팅을 통해 대기 중 포함되어 있는 이산화탄소에 대한 내성을 갖는 산 소 분리막 기술 특허를 보유하고 있다. 이외에도 고 순도 산소를 제조하기 위한 기술로 현재 100% CO2에 내성이 있는 신조성 개발과 compact한 모듈을 위한 중공사막 기술을 개발하고 있다. 또한, 분리막 공정 의 장기 운전 시 성능저하의 원인이 되는 CO2 및 Cr 등에 대한 내성을 갖는 코팅 물질 및 방법에 대한 연 구도 수행 중에 있다.
순산소 연소 기술을 소각로에 적용하면 높은 공 정온도 때문에 기존 설비의 내화 벽돌이 녹아버 리는 문제가 있다. 공정 온도를 낮추기 위하여 연 소 후 생성된 이산화탄소를 재순환하여 스윕가스 로 사용한다. 따라서, 이산화탄소에 대한 안정성
이 있는 산소 분리막 기술 개발이 필요하다. 기존의 Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ와 같은 분리막은 매우 높은 산 소 투과도를 나타내었지만 적은 양의 이산화탄소에 노출되었을 때도 분리막 표면에 탄산염이 생성되며 산소투과도가 90% 이상 감소하는 치명적인 단점이 있다. 따라서 본 연구실에서는 CO2에 내성이 있는 분리막 기술 개발을 진행하고 있다. 분리막은 디스 크 형태와 중공사막 형태로 성형, 제조하였으며 이 산화탄소에 대한 안정성을 확인하기 위하여 CO2 분 위기에서 산소투과실험을 수행하고 있다. 산소투과 실험의 공급가스는 모사공기, 스윕가스는 다양한 농 도(0~100 vol.%)의 이산화탄소를 사용하고 있으며 이 때의 산소투과도를 측정하고 있다. CO2에 내성이 있 는 산소 분리막은 기업에 기술 이전을 통하여 저가 의 고순도 산소 생산이 가능할 것으로 기대된다. 이 외에도 현재 개발 중인 분리막과 흡착제를 모듈화하 여 실제 공정에 적용시키는 실증을 통해 공정 자체 의 투자비용과 운영비용 등을 낮춰 온실가스 감축에 크게 기여할 수 있을 것이다.
3) 메탄 산화 촉매를 이용한 매립지가스 정제 기술 개발
매립지 가스를 DME 연료나 혹은 도시가스 관망 에 적용하기 위한 연구로 매립지 가스(Land Fill Gas,
평판형 산소 투과 분리막 장치 산소 분리용 중공사막 실험 장치
LFG)의 불순물을 정제하는 연구를 수행하고 있다.
고효율의 페롭스카이트 조성 산소 흡착제 혹은 페롭 스카이트 촉매를 이용한 메탄과 산소의 완전 산화 연구로 LFG로부터 1~2%의 산소를 99% 이상 제거하 는 기술 개발에 해당한다.
격자 구조 내 산소 공공을 유도하여 산소를 흡착 하는 성질이 있는 페롭스카이트 산화물을 촉매로 선 정하였으며 제조한 촉매의 활성, 산소 흡착 성능 및 장기 운전시의 안정성을 평가하는 실험을 수행하였 다. 또한, 분말 형태의 촉매를 성형하여 실증 공정 에 적용할 수 있는 연구를 진행하고 있다. 특히, 중
공사 형태의 펠렛의 경우에는 불순물이 없는 단일상 의 perovskite 구조를 나타내면서 촉매의 활성을 갖 기 때문에 실증 공정에 적용할 수 있을 것으로 기대 된다. 현재 진행 중인 non-CO2 온실가스 감축을 위 한 메탄 분리 정제 기술 개발이 완료된다면, LFG 뿐 아니라 바이오 가스에도 적용가능한 기술로 발전시 켜 분리막/흡착제 적용 반응기 개발이 가능할 것으 로 전망하고 있다.
4) 수소 분리막
수소 분리막은 연소전 이산화탄소 포집 공정뿐 아
매립지가스 내 산소 제거 실험 장치
분말 촉매를 이용한 LFG 내 산소 제거 실험 (La1-xSrxCo0.2Fe0.8O3-δ, x=0.2, 0.4, 0.6, 0.7)
중공사 형태로 성형한 촉매의 SEM (소결 온도에 따른 기공 확인)
니라 다양한 수소 생산 및 연료전지 분야에 적용가능 하며, 미래 수소 경제사회를 견인하기 위해서는 보 다 값싸고, 효율 높은 수소 분리 기술이 필요하다. 현 재 동국대에서는 고가의 Pd 및 Pd 합금막을 대체하기
수소 분리막을 분리막 반응기에 적용하면 평형전 화율을 높이면서 수소 생산량을 증가시킬 수 있으며, 여러 화학물질을 생산하는 공정으로 연계하여 poly generation이 가능할 것으로 기대된다. 최근에는 수 송용 연료, 화학물질, 합성 천연가스(SNG, synthetic natural gas) 등을 생산하는 기반 시설로 수소 분리막 및 분리막 반응기의 기술적 파급이 기대된다.
연구실 구성원
본 연구그룹은 2016년 8월 현재, 책임연구원 1명, 선임연구원 1명, 박사과정 1명, 석사과정 2명, 학석 연계과정 2명의 인원으로 구성되어 있다.
동국대에 설치된 수소 투과 장치
수소 분리막의 다양한 응용 분야
