KIC News, Volume 21, No. 3, 2018 43 [약력]
2004~2006 University of Illinois – Urbana Champaign 화학공학 학사 2006~2011 Georgia Institute of Technology 화학공학 박사
2011~2012 Georgia Institute of Technology 화공생명공학과 박사후연구원 2012~2016 한국과학기술연구원 선임연구원
2016~현재 서강대학교 화공생명공학과 조교수
[연구분야]
• 기후변화 대응/온실가스 저감 • 올레핀/파라핀 분리
• 해수담수화/역삼투막
[관심 연구분야 소개]
인류는 지난 300여 년 동안에 3차례의 산업혁명을 거치면서 증기기관에 의한 기계화, 전기의 발명으로 인한 대량생산, 컴퓨터의 등장으로 인한 자동화 진전을 이루어 왔다. 최근에 인구에 회자되고 있는 4차 산 업혁명시대에서는 소위 ICBM (사물인터넷, 클라우드컴퓨팅, 빅데이터 분석, 모바일 통신)으로 사이버 세상 과 실제세상의 모든 것들을 지능적으로 연결하여서 새로운 방식의 산업과 사회로의 대전환을 이루기 시작 하였다. 이러한 산업고도화가 진전되면 될수록, 지구환경 문제와 에너지 고갈문제는 인류의 지속가능한 생 존을 위해서 더욱 더 중요한 숙제로 부상할 수밖에 없다.
서강대학교 화공생명공학과 녹색지속가능분리연구실(Green & Sustainable Separation lab., 책임자, 이 종석 교수)은 이러한 환경과 에너지 문제의 근본적인 해결을 위하여 기존의 정통화학공학 분야인 분리기술 을 새로운 나노기술과 융합하여 다양한 기체 분리 및 수처리 공정에 사용될 수 있는 분리막과 흡착제를 개 발하고 있다. 최근에는 고분자뿐 아니라, 탄소 분자체, 제올라이트와 금속유기 골격체 나노입자 등의 다양 한 매체에서 발생하는 물질 이동현상 및 흡⋅탈착 메커니즘을 이해하고 이를 기반으로 분리하고자 하는 대 상 가스 및 물질에 알맞은 구조 개발을 연구하고 있다[1-4]. 여기서는 본 연구실에 수행하고 있는 여러 연구분야 중에서 석유화학산업에 필수적인 올레핀/파라핀 분리연구 현황을 간단히 소개하겠다.
에틸렌/에탄(i.e., C2H4/C2H6)과 프로필렌/프로판(i.e., C3H6/C3H8) 분리는 중요한 분리공정의 하나인데, 이 종 석(Jong Suk Lee)
서강대학교 화공생명공학과 조교수 서울특별시 마포구 백범로 35 02-705-8496
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젊은과학자 소개
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44 공업화학 전망, 제21권 제3호, 2018
액화증류법과 같은 열에너지에 기반한 기존의 분리기술은 올레핀/파라핀 분자들의 유사한 물리적 특성 (e.g., C3H6 Tb : - 47 ℃ vs. C3H8 Tb : - 42.1 ℃) 때문에 엄청난 에너지 및 공정비용을 필요로 한다[5].
반면에, 분리막에 기반한 분리기술은 고밀층의 투과막을 사이에 두고 feed 쪽에 압력을 가하여 주로 분자 크기 및 구조의 차이를 이용하기 때문에 기존의 열에너지 기반의 분리기술에 비하여 에너지비용을 획기적 으로 저감할 수가 있다.
그러나, 산업계에서 많이 쓰이는 올레핀/파라핀 기체 분자들은 크기(e.g., C3H6 : 4.0 Å vs. C3H6 : 4.2 Å) 가 비슷하여 순수한 고분자 분리막으로는 우수한 분리성능을 확보하기 어렵고 낮은 압력(e.g., 2~3기압)에 서도 강한 응축성 가스 분자들에 의해 고분자사슬이 가소화되어서 분리 선택도가 현저히 감소하는 문제가 있다[6].
본 연구실에서는 이러한 문제를 해결하고자 zeolitic imidazolate framework-8 (ZIF-8)의 Zn 금속이온 을 Co 금속이온으로 치환시킨 ZIF 나노입자(i.e., ZIF-67)를 6FDA-DAM 고분자에 혼합한 우수한 C3H6/C3H8 분리성능을 지닌 하이브리드 분리막을 개발하였다[7]. ZIF-67 입자의 Co 금속이온은 Zn 금 속이온에 비해 큰 전기 음성도로 인하여 유기 리간드인 2-methylimidazole의 질소와 더 강한 이온성 결합 을 형성한다. 이로 인해 유기 리간드의 flipping motion이 제한되기 때문에 기존에 알려진 ZIF-8에 비해 더 우수한 C3H6/C3H8 체거름 효과를 얻을 수 있다. 또한 하이브리드 분리막은 자유부피가 큰 고분자 분리 막의 노화 때문에 야기되는 투과도 저하문제뿐 아니라, 고압의 C3H6 응축성 가스에 의한 고분자 사슬의 가 소화 문제를 효과적으로 해결하였다. 본 연구실은 이러한 연구결과를 바탕으로 산업현장에서 C3H6/C3H8나 C2H4/C2H6를 대규모로 분리할 수 있는 하이브리드 중공사막의 상용화에 매진하고 있다.
[참고문헌]
1. H. An, A. S. Lee, I. Kammakakam, S. S. Hwang, J.–H. Kim, J.-H. Lee, and J. S. Lee, Bromination/debromination-induced thermal crosslinking of 6FDA-Durene for aggressive gas separations, Journal of Membrane Science, 545, 358-366 (2018).
2. S. Park, K. Choi, H. J. Yu, Y.-J. Won, C. Kim, M. Choi, S.-H. Cho, J.-H. Lee, S. Y. Lee, and J. S. Lee, Thermal stability enhanced tetraethylenepentamine/silica adsorbents for high performance CO2 capture, Industrial & Engineering Chemistry Research, 57, 4632-4639 (2018).
3. S. Park, E. Jang, H. An, W. Choi, J.-H. Kim, J.-H. Lee, J. Choi, and J. S. Lee, The Lifshitz-van der Waals acid-base theory assisted fabrication of MFI-containing mixed matrix membranes for gas separations, Microporous and Mesoporous Materials, 264, 60-69 (2018).
4. S. Park, A. S. Lee, Y. S. Do, S. S. Hwang, Y. M. Lee, J.-H. Lee, and J. S. Lee, Rational molecular design of PEOlated ladder-structured polysilsesquioxane membranes for high performance CO2 removal, Chemical Communications, 51, 15308-15311 (2015).
5. D. S. Sholl and R. P. Lively, Seven chemical separations to change the world, Nature, 532, 435-437 (2016).
6. K. Tanaka, A. Taguchi, J. Q. Hao, H. Kita, and K.-I. Okamoto, Permeation and separation properties of polyimide membranes to olefins and paraffins, Journal of Membrane Science, 121, 197-207 (1996).
7. H. An, S. Park, H. T. Kwon, H-K. Jeong, and J. S. Lee, A new superior competitor for exceptional propylene/propane separations: ZIF-67 containing mixed matrix membranes, Journal of Membrane Science, 526, 367-376 (2017).