[기획특집: 이온성 액체] 이산화탄소 포집을 위한 이온성액체의 기술 개발 방향 및 동향

Il Hyun Baek^†, Soon Kwan Jeong, and Ki Tae Park

Greenhous Gas Research Center, Korea Institute of Energy Research, 152 Gageong-ro, Yuseong-gu, Daejeon 305-600, Korea

Abstract: 화석연료 사용으로부터 발생되는 이산화탄소는 지구 온난화를 유발시키고 있으며 이를 저감하기 위한 방법 으로 이산화탄소 포집 및 저장 기술이 이용되고 있다. 본 기술 중 이산화탄소 포집은 대부분의 처리비용을 차지하고 있어 이에 대한 혁신적인 기술개발이 필요하다. 이온성액체는 화학적 안정성, 낮은 부식성, 낮은 증기압, 높은 이산화 탄소 용해도 등으로 인한 차세대 이산화탄소 흡수제로 대두되고 있다. 따라서 선진국을 중심으로 집중적인 연구가 수행되고 있으며 국내에서 많은 연구가 수행되었다. 본 고에서는 이산화탄소 포집용 흡수제로 부각되고 있는 이온성 액체에 대한 국내외 연구개발 방향 및 동향에 대하여 살펴보고자 한다.

Keywords: ionic liquid, carbon dioxide, capture

1. 서 론

1)

산업공정에서 대량으로 발생되는 이산화탄소는 지구온난화를 유발시키는 주범으로 이에 대한 배 출 억제를 통한 지구의 지속 가능한 발전이 가능 할 것이다. 따라서 이산화탄소 배출을 저감시키기 위하여 Figure 1과 같이 크게 3가지 기술 분야로 구분할 수 있다. 이산화탄소 무배출 및 화석에너 지를 사용할 때 발생되는 이산화탄소를 줄이는 이 산화탄소 저감기술과 발생된 이산화탄소를 처리 하는 이산화탄소 포집 및 저장(CCS, Carbon dio- xide capture & storage) 기술로 구분된다. 그림에 서 보는 바와 같이 저감기술 중 탄소함량을 줄이 는 방법으로 신재생에너지, 원자력, 저탄소 원료 사용을 들 수 있으며, 또한 에너지효율향상 방법 으로 수요자와 공급자간의 에너지 사용을 절약하

†주저자 (E-mail: [email protected])

는 기술이다. 이와 같은 이산화탄소 저감기술이 최상의 온실가스 저감 기술이나 본 기술로는 이산 화탄소 저감 목표 달성을 위한 기술적 한계로 인 하여, 최종적으로 화석연료를 사용하고 배출되는 이산화탄소를 대기로부터 장기간 격리시켜 대기 중 농도를 낮춤으로써 지구온난화를 완화시키는 기술을 적용하여야 한다.

보다 구체적으로, CCS 기술은 Figure 2와 같이 화석연료 사용에 따라 발생된 이산화탄소를 분리 하고 회수하는 포집과 포집된 이산화탄소를 저장 소까지 이동하는 수송기술 및 수송된 이산화탄소 를 지중 또는 해양에 주입하여 격리시키고 감시하 는 과정으로 구분할 수 있다. CCS 처리의 전체 비 용 중에서 이산화탄소 포집비용이 75∼85%를 차 지하고 있어, 저비용 포집공정이 CCS 기술 상용 화에 매우 중요함을 알 수 있다[1].

포집 비용 저감을 위한 기술개발로 미국의 DOE (Department of energy)에서는 Figure 3과 같이 이

Figure 1.

Figure 2.

산화탄소 포집 기술별 개발 방향을 나타내고 있다 [2,3]. 그림에서 연소후, 연소전, 순산소연소, 압축 으로 구분할 수 있다. 연소후는 2020년까지 화학 흡수를 기반으로 한 아민, 1세대 및 2세대 액상흡 수, 2025년 이후 바이오공정, 고체 흡착제 기술이 개발될 예정이다. 연소전은 물리 흡수제가 조기에 개발될 예정이며 분리막, 산소제조 분리막, 바이 오, 고체 흡착제 기술이 개발될 것이다. 순산소연 소에서 많은 비용이 드는 산소제조 공정은 심냉법

에서 분리막을 이용하는 방법이 개발될 것이다.

특히, 2020년 전까지 대량의 이산화탄소를 처리하 기 위한 흡수 방법은 현재 석탄을 이용한 발전의 대부분을 차지하고 있는 미분탄연소 발전에 적용 될 연소후 포집으로 매우 중요한 기술로 제시하 고 있다.

미국의 차세대 이산화탄소 포집 기술개발 로드 맵은 Figure 4와 같으며, 그림에서 보는 바와 같이 연소후 포집 기술로 1세대 아민에서 2세대, 3세대

Figure 3.

Figure 4.

기술을 지속적으로 개발하고 공정 격상을 추진하 고 있다. 또한 DOE/NETL에서 이루어지고 있는 Advanced CO₂ capture R&D program은 Table 1 과 같으며 공정 연구와 흡수제 연구가 동시에 수 행되고 있다. 흡수제의 경우에 차세대 흡수제인 이온성액체에 대한 많은 연구가 수행되고 있다.

더불어 혁신적인 기술개발을 위한 DOE에서는 ARPA-E (Advanced research project agency-energy) 프로그램의 일환으로 2007년부터 IMPACCT

(Innovative materials and process for advanced carbon capture technologies) 프로젝트를 추진하 고 있으며, 비수계 흡수제인 이온성액체를 이용한 이산화탄소 포집 기술이 개발되고 있다.

상기와 같이 현재 CCS 비용은 CO2 톤당 23∼

92 $로 매우 높기 때문에 이를 낮추기 위한 혁신 적인 이산화탄소 포집 기술을 개발하고 있는 실정 이다. 따라서 이산화탄소 포집 비용을 낮출 수 있 는 차세대 용매로 대두되고 있는 이온성액체에 대

과제명 연구기관 적용기술 과제목표 규모 기간 Bench-Scale Development of a Hot Carbonate

Absorption Process with Crystallization-Enables High Pressure Stirring for Post-Combustion CO2 Capture

Univ. of Illinois at Urbana- Champaign

Hot carbonate absorption

Process

고온 탄산염 공정의 scale-up 인자 도출

Lab- scale

2011.1.1∼ 2013.12.31

Evaluation of Concentrated Piperazine for CO2

Capture from Coal Fired Flue Gas URS Group PZ solvent with flash regeneration

농축 PZ를 이용한 연속 공정 검증 및 정량화

Lab- scale

2010.9.27∼ 2014.3.31

Recovery Act: Slipstream Development and Testing of Siemens POSTCAP Capture and Separation Technology

Siemens

Energy, Inc. Amino acid salt

Siemens Energy의 POSTCAP 공정 실 증

Pilot- scale

2010.10.1∼ 2013.10.31

Post-Combustion CO2 Capture for Existing PC Boilers by Self-Concentrating Amine Absorbent

3H Company, LLC

Non-aqueous, Amine-based

solvent

‘self-concentrating’

특성을 가지는 흡수 제 기초실험

Lab- scale

2010.10.1∼ 2013.9.30

Advanced Low-Energy Enzyme Catalyzed Sol-

vent for CO₂ Capture Akermin, Inc.

Carbonic anhydrase-K2CO3

mixture

500 SLMP 이상 closed-loop bioreac- tor 제작/운전

Lab- scale

2010.9.30∼ 2012.9.30

Novel Solvent System for Post-Combustion CO2 Capture

ION Engineering

Ionic liquid- Amine mixture

bench-scale 포집장 치의 제작, 설치 및 운전

Lab- scale

2010.10.1∼ 2012.4.30

Novel High Capacity Oligomers for Low-Cost CO₂ Capture

GE Global Research

High-capacity oligomers

CO2 용해도가 높은 새로운 올리고머 흡 수제 디자인.

Lab- scale

2008.10.1∼ 2010.9.30

Development and Evaluation of a Novel Inte- grated Vacuum Carbonate Absorption Process

Illinois Sate Geological

Survey

Integrated vacuum carbonate absorption process

Modi fi ed- I VCAP SO₂/CO₂동시 처리 공정 개발

Lab- scale

2008.9.26∼ 2012.4.30

Reversible Ionic Liquids as Double-Action Solvents for Efficient CO2 Capture

Georgia Tech

Research Corp. Ionic liquids 이온성액체 합성 및 점도 최소화

Lab- scale

2008.10.1∼ 2011.9.30

Development of Chemical Additives for CO2

Capture Cost Reduction

Lawrence Berkeley National Lab.

Mixed solvent

Amine, K₂CO₃, am- monium 혼합 흡수 제 개발

Lab- scale

2008.6.1∼ 2013.5.31

Ionic Liquid: Breakthrough Absorption Techno- logy for Post-Combustion CO₂ Capture

Univ. of Notre

Dame Ionic liquids

저비용의 새로운 이 온성 액체 및 공정 개발

Lab- scale

2007.2.28∼ 2012.2.29

CO2 Capture from Flue Gas by Phase Transi-

tional Absorption Hampton Univ. Phase transitional absorption

상전이 흡수반응의 메카니즘규명 및 흡 수성능 평가

Lab- scale

2005.6.15∼ 2009.6.30

Table 1.

하여 많은 연구가 수행되고 있다.

Figure 5.

2. 이산화탄소 포집을 위한 이온성액체의 기술 개발 방향

화석연료를 이용한 연소 및 합성가스 생산시 발 생되는 이산화탄소를 분리하기 위하여 이용되고 있는 흡수 방법에는 흡수제의 특성에 따라 화학 및 물리 흡수 방법으로 구별될 수 있으며 다음과 같은 특징을 가지고 있다.

첫째, 화학 흡수방법은 재생 반응시 흡수제와 흡수된 이산화탄소와의 강한 화학적 결합을 끊기 위해서는 많은 재생에너지가 필요하다. 즉, MEA (Mono ethanol amine)와 같은 흡수제는 이산화탄 소와 결합력이 매우 강하여 빠른 흡수속도를 가지 는 장점을 가지고 있으나 흡수된 이산화탄소를 분 리하기 위하여 많은 에너지가 소비된다는 단점을 가지고 있다.

또한 흡수제의 손실과 부반응이 문제 발생으로, 배가스 내에 존재하는 산소와 재생열에 의한 부반 응 생성, 전단의 FGD (Flue gas desulfurization)를 통과하고도 잔류한 미량 SO2에 의한 화학 부반응 손실의 문제점이 있어 열화된 흡수제를 재생하기 위한 별도의 장치인 Reclaimer가 필요하며 이 역 시 추가적인 에너지를 필요로 한다.

흡수제에 의한 장치부식 문제가 발생으로, 이산 화탄소 흡수 처리 양을 늘리기 위해 알카놀아민 흡수제의 농도가 높으면 장치부식 문제를 일으킬 수 있으므로 알카놀아민의 농도를 낮추거나 부식 방지제를 첨가해야 하는 문제점이 있다.

둘째로 화학적 흡수법에 대응하는 방법으로 물 리적 방법을 들 수 있다. 이와 같은 방법은 이산화 탄소를 재생하는 경우에 열을 이용한 재생탑을 이 용하는 대신에 압력을 연속적으로 낮추어 이산화 탄소를 재생하는 플래시 탑을 이용하며, 이는 재생 시 소요되는 에너지가 낮다는 장점을 가지고 있다.

그러나 물리 흡수법 역시 다음과 같은 몇 가지 문제점을 내포하고 있다. 낮은 이산화탄소 흡수능 으로 아민법에 비해 낮은 이산화탄소 회수 효율을 보이므로 높은 순환 속도(high circulating rate)로 인하여 분리 장치가 크다는 단점을 가지고 있다.

즉, 일반적으로 물리 흡수법은 아민 흡수법보다 2 배 이상의 순환속도를 요구하기 때문에 높은 시설 비와 유지비가 요구된다.

기존 화학 및 물리 흡수법의 단점을 보완하기 위한 신용매로 이온성액체를 들 수 있다. 이온성 액체란 일반적으로 100 ℃ 이하에서 액체로 존재 하는 이온성 염으로서 대표적인 형태는 Figure 5 와 같은 일반적인 구조를 가지고 있다. 이온성액 체의 독특한 물리적, 화학적 성질들은 이온성액체 의 양이온과 음이온의 구조에 따라 크게 영향을 받으며, 따라서 사용자의 활용목적에 따라 다양한 용도로 이용할 수 있다. 이온성액체는 낮은 증기 압과 높은 열적 안정성 및 높은 이온 전도도를 갖 는 독특한 특징이 있어서 청정용매라 불리는데, 21세기의 패러다임인 환경 친화적인 공정의 개발 이라는 관점에서 친환경 용매로 최근 들어 많은 관심을 받고 있다. 또한 이온성액체의 용해도, 점

Figure 6.

도, 밀도, 소수성 등 물리화학적 성질들이 많은 양 이온과 음이온의 조합으로부터 쉽게 조절할 수 있 어서 다양하게 설계 가능한 용매로 부각되고 있으 며, 이론상으로 10¹⁸가지 이상의 합성이 가능하므 로 용매로서의 다양성으로 인해 차세대 청정 용매 로써 많은 연구와 개발이 수행되고 있다[4-6].

현재까지의 연구결과는 이온성액체의 이산화탄 소에 대한 용해도 측정 및 각 이온의 교환을 통한 용해도 증진 실험이 이루어지고 있다. 또한 분자 모사를 통하여 이산화탄소 흡수 메커니즘에 대한 연구가 진행 중이며 이를 통한 효율적인 이온성액 체를 제조하고자 하고 있다. 현재 수행되고 있는 이산화탄소 분리용 이온성액체는 기존보다 제조 비가 저렴하며 분리 효율이 우수한 차세대 용매를 개발하는 데 주안점을 두고 있다. 따라서 이를 위 해 분자모델링(Molecular modeling), 물성측정(Pro- perty measurement) 및 공정엔지니어링(Process engineering)을 수행하고 있다.

특히, 기존 이산화탄소 포집용 흡수제를 대체할 수 있는 개선된 흡수제로 이온성액체를 활용하려 면 다음과 같은 물리화학적 성능이 향상되어야 한 다[7].

① 높은 CO2 흡수능(High CO2 solubility) ② 높은 CO2 선택도(High CO2 selectivity) ③ 재생하기가 쉬운(Ease of regeneration) · 용액의 낮은 엔탈피(Low enthalpy of solu-

tion)

· 물에 대한 낮은 용해도(Low solubility with water)

· 낮은 열용량(Low heat capacity) ④ 안정성(Stability)

· 열적 안정성(Thermal)

· SO₂ 등 다른 가스에 대한 안정성(other gases <e.g., SO₂>))

⑤ 낮은 점도(Low viscosity) ⑥ 가격이 저렴함(Inexpensive)

이온성액체는 Figure 6에서 보는 바와 같이, 여 러 가지 가스 중 이산화탄소에 대하여 흡수능이 우수함을 보이고 있다. 또한 이온성액체의 특성에 이산화탄소 흡수능도 다양하게 차이가 있음을 Figure 7에서 나타내고 있다. 특히, 음이온의 변화 에 따라 흡수능이 크게 변화되고 있음을 알 수 있 으며, 물리 흡수제는 압력이 증가함에 따라 흡수 능도 증가하고 있음을 나타내고 있다.

이온성액체에 대한 분자모사와 흡수능 성능평 가를 수행한 결과에 따르면 물리흡수에 의한 이산 화탄소 흡수능은 낮기 때문에 화학흡수 기능을 추 가하면 흡수능이 향상될 수 있다. 양이온에 아민 기를 치환함으로써 물리흡수제인 이온성액체에 화학흡수 기능을 부가할 수 있다. Figure 8에서 보 는 바와 같이 [hmin][Tf2N](■ 표시)에서 양이온에

Figure 7.

Figure 8.

아민기를 부착함으로써 [H2NC₃H₆min][Tf₂N](▲

표시)로 전환되었으며 이로 인한 흡수능도 향상되 었음을 보이고 있다.

이온성액체에 대한 화학적 기능을 부가함으로 써 이산화탄소 흡수능을 증가시키는 방법이 제시 되고 있는데, 이와 같은 방법을 Figure 9에 제시하 고 있다. 그림에서 2몰의 아민과 1몰의 이산화탄

소가 반응한다[2mol amine + CO2→ carbamate + ammonium]. 그러나 이산화탄소 흡수능을 향상시 키기 위하여 1몰의 이온성액체에 1몰의 이산화탄 소를 흡수할 수 있는 이온성액체의 개발이 필요하 다. Figure 10은 화학적 기능기를 부여한 이온성액 체와 이산화탄소의 반응특성을 보여주고 있다. 그 림에서 보는 바와 같이 이온성액체의 설계 방법에

Figure 9.

Figure 10.

따라 이온성액체 : 이산화탄소와의 반응 몰 비를 2 : 1 또는 1 : 1로 할 수 있음을 알 수 있다.

Figure 11은 TSIL (Task-specific ionic liquid)의 물리적 흡수능을 계산한 결과로서, 이온성액체에 화학적 기능을 부가함에 따라 상대적으로 물리적 흡수능이 떨어지고 있음을 알 수 있다. 따라서 적 용공정의 특성에 따라 이온성액체에 대한 물리적, 화학적 기능을 어떻게 부여하는 것이 중요한 문제 임을 알 수 있다.

이산화탄소를 분리하기 위한 이온성액체의 설

계 시에 다양한 조건을 고려하여야 한다. 예로서 Figure 12와 같이 이산화탄소 분리용 이온성액체 설계의 기본 방향을 제시하고 있다. 즉, 점도 (Viscosity)와 안정성(Stability) 문제를 고려하여 양이온을 선정하고, 양이온의 구조를 변화시키는 접근법은 가격을 고려하지 않는다. 또한 음이온 선택은 염기도(Basicity)를 조절하여 적합한 음이 온 선정으로 CO32-

, OH^-, PhO^-등을 선정하였으며, 용해도 문제를 고려하여 전하를 일정하게 고정하 고, 탈거 및 양이온과의 반응을 고려하여 염기도

Figure 11.

Figure 12.

를 조절한다[12].

이온성액체를 이용한 이산화탄소 흡수에 있어 서 두 가지 방향을 설정해서 접근할 수 있다. 첫번 째는 이를 단순히 용매로 생각하는 접근법으로 이 온성액체의 자유부피(Free volume)를 이용한 물리 흡수를 이용하는 것이다. 이와 같은 경우 가장 문 제가 되는 것은 이온성액체의 점도이다. 물리 흡 수를 하는 다른 유기 용매에 비해서 점도가 크기 때문에 이를 최소화할 필요가 있다. 따라서 BF4-, PF6-

, Tf2N^-과 같은 불화물 음이온(Fluorinated anion) 을 포함하는 이온성액체를 사용하여야 한다. 이온 성액체의 경우에 다른 유기 용매에 비해 증기압이 없기 때문에 손실이 적은 장점이 있으나 흡수력이 그렇게 뛰어 나지 않고 가격이 상당히 비싸기 때 문에 경쟁력이 없다[5].

두 번째는 이를 단순한 용매가 아닌 화학 흡수 를 할 수 있는 물질로 디자인하여 사용하는 것이 다. 소위 TSIL라 불리는 물질들로서 맨 처음 이러 한 접근법을 사용하고 명명한 사람은 알라바마 대 학의 James H. Davis 교수이다. 아이디어는 MEA 처럼 아민기를 양이온에 도입함으로써 이 아민기 가 이산화탄소와 반응하여 카바메이트(Carba- mate)를 형성하게 하는 것이다. 이 경우에 이온성 액체 자체가 용매 겸 화학흡수제이므로 MEA처럼 물을 용매로 사용할 필요가 없다. 따라서 흡수된 이산화탄소를 재생하기 위하여 온도를 올릴 때 물 을 가열함으로써 많은 에너지가 소비되는데 이와 같은 단점을 극복할 수 있다. 그러나 한 분자의 이 산화탄소를 흡수하기 위해 두 분자의 아민이 여전 히 필요하고 비록 침전이 일어나지는 않으나 카바 메이트를 만들면 이온성액체의 점도가 급격히 증 가하므로 탈기가 상당히 어려워진다. 따라서 이와 같은 방법은 상용화를 위하여 많은 문제점을 해결 하여야 한다.

따라서 상기와 같은 접근법에 의거하여 이산화 탄소 분리 성능이 우수한 이온성액체에 대한 연구 방향으로, 물리 흡수제와 비슷한 점도를 가지면서 화학 흡수제와 비슷한 세기로 이산화탄소를 흡수 하여야 하며, 합성하기 쉽고 가격이 저렴한 것을

개발하기 위한 다양한 접근이 진행되고 있다[7].

3. 국내외 기술개발 동향

세계 각국에서는 차세대 청정 분리용매인 이온 성액체에 대하여 다양한 분야에 활용하기 위하여 기술개발을 수행하고 있다. 특히 이산화탄소 흡수 능의 향상과 더불어 저가의 제조 방법에 대하여 지속적으로 연구를 추진하고 있다. 제조방법으로 다양한 작용기를 부착시키는 방법, 양이온과 음이 온을 변화시키는 방법, 음이온 구조변화를 통한 염기도 변화를 조절하는 방법 등이 개발되고 있 다. 국내외 연구개발 동향은 다음과 같다.

3.1. 국외 현황

미국의 South Alabama 대학은 James Davis Jr, 교수[8]를 중심으로 연구를 수행하고 있으며, 2002 년에 TSIL을 제시하여 이온성액체로 아민과 유사 한 화학 흡수를 할 수 있는 방법을 발표하였으며, 본 발표에서 제시한 1세대 TSIL는 0.5 mol/IL mol 정도의 흡수능을 가지며 합성 단계가 복잡하여 경 제성이 많이 떨어진다. 따라서 이를 극복하기 위 하여 Sulfonated ionic liquid 형태의 2세대 이온성 액체에 대하여 제시하고 개발하고 있다. 현재 본 기술을 바탕으로 Chevron 등과 공동 연구를 수행 하고 있다.

미국 Notre Dame 대학의 Brennecke 교수[9]의 1999년 Nature 저널에 게재된 이온성액체에 대한 분자열역학은 본 분야에 새로운 장을 열었으며, 이후 이와 같은 기본 학문을 응용한 이온성액체를 이용한 이산화탄소 포집 연구를 수행하고 있다.

본 대학은 Brennecke 교수와 더불어 Maginn 교수 가 미국 DOE 지원하에 이산화탄소 포집을 위한 이온성액체 제조 및 공정을 개발하였다.

연구내용으로 비휘발성, 높은 안정성을 가진 이 온성액체의 음이온과 양이온의 다양한 변화에 따 른 물리․화학적 특성의 조절 등을 통한 이산화탄 소 포집용 분리매체로 활용하고자 하였다. 모델링 을 통하여 설계된 이온성액체에 대하여 합성하였

으며, 열역학적 설계에 대한 확인을 하고 있으며 (엔탈피, 흡수능, 물에 대한 용해도), 이온성액체의 중요한 물성(열적 안정성, 부식, 점도)에 대하여 측정하고, 실험실 규모 장치를 설계하고 제작한 후 제조된 시료에 대하여 성능평가를 수행하고 있다.

한편, 이온성액체의 이산화탄소 분리성능을 향 상시키기 위하여 이온성액체의 물리적 특성에 화 학적 기능기를 부가하였다. 이를 위해 분자설계, 제조, 성능평가를 수행하였으며, 특히 in-situ IR를 이용하여 이온성액체의 이산화탄소 흡수시 물리, 화학적 특성을 파악하였다. 현재 다양한 물질을 제시하고 있으며, 특성을 파악하기 위하여 추가적 인 실험을 수행하고 있다. Notre Dame 대학은 2000 년대 초부터 이온성액체에 대한 물성 자료 확보를 위한 연구를 수행하여 현재 많은 물성자료를 확보 하고 있는 실정이다.

미국의 Georgia Technology Institute 대학의 Charles A. Eckert 교수는 2008년부터 DOE 자금 으로 이온성액체를 이용한 이산화탄소 포집용 흡 수제를 개발하고 있다. 이온성액체 흡수제는 기존 의 아민과 이산화탄소와의 반응을 응용한 기술로 서 1급 아민화합물이 이산화탄소와 반응시 생성되 는 카바메이트 염(Carbamate salt)이 이온성액체의 형태를 취하고 있고, 이 화합물의 알킬 그룹을 다 양하게 치환함에 따라 100 ℃ 이하에서 녹을 수 있는 형태이며, 이산화탄소가 가역적으로 반응할 수 있으므로 Reversible IL라 하였다.

미국의 콜로라도 대학의 Richard D. Noble 교수 [10]는 선행 연구를 통해 분리기술에 관한 연구 인

프라가 잘 갖춰져 있으며, 이를 기반으로 한 이온 성액체를 이용한 이산화탄소 포집용 멤브레인 및 흡수제에 관한 연구를 수행하고 있다. 고분자 합 성 및 유기합성 전공자와 멤브레인 전공자들 간의 유기적인 협조가 잘 이루어져 이온성액체를 이용 한 CO2/CH4 및 CO2/N2 분리에 관한 우수한 결과 를 발표하였다.

또한 [Rmim]Tf2N+amine solution system 연구 로 Figure 13에서 나타내고 있듯이, 기존 이산화탄 소 흡수제로 사용되었던 MEA, DEA (Di ethanol amine) 등의 아민계 흡수제의 여러 단점을 해소하 고 이온성액체가 가지고 있는 장점을 최대화하기 위해 고안된 아이디어로서 [Rmim]Tf2N과 같은 RTIL (Room temperature ionic liquid)에 MEA, DEA 등의 알카놀아민을 녹인 이산화탄소 포집 시스템이다. MEA는 [Rmim]Tf2N과 잘 섞이나, DEA의 경우 용해도가 낮아 잘 섞이지 않게 되는 데 이런 경우에는 이온성액체의 R그룹을 알코올 기로 치환하게 되면 용해도가 증가하게 되어 두 화합물이 잘 섞이게 됨으로써 문제를 해결할 수 있다. 이러한 장점으로써 이온성액체에 용해되어 있는 알카놀아민은 아주 낮은 압력(≒0.1 psia)에 서도 이산화탄소를 효과적으로 포집이 가능하며 기존 물 기반 시스템의 문제점을 해결하여 재생시 소모되는 에너지를 낮출 수 있는 장점이 있다.

상기와 같은 연구결과를 토대로 Noble 교수와 함께 연구해온 연구자들이 기술 상용화를 위하여 ION ENG. 회사[11]를 설립하였다. 본 회사의 주 요 전략은 이온성액체와 기존 아민을 조합한 기술 로서 이를 상용화 기술로 발전시키기 위해 R&D

Figure 14.

를 가장 중점적으로 추진하고 있으며, Figure 14에 연구 범위를 요약하였다.

미국의 로렌스 리버모어 국립 연구소(LLNL, Lawrence Livermore National Laboratory)는 이산 화탄소를 연소배가스로부터 포집하기 위해 물의 끓는점인 100 ℃ 이하에서 용융염(Molten salt)을 액체화하는 이온성 액체를 개발하고 있다. LLNL 의 과학자인 아미테스 마이티(Amitesh maiti)에 따르면, 이온성액체를 기액 분리용 흡수제로 사용 하는 것은 전통적인 흡수제에 비해 특별한 장점을 지니고 있으며 주요 장점으로는 높은 화학적 안정 성, 낮은 부식성, 거의 제로에 가까운 증기압, 분리 막으로 응용 가능성, 이산화탄소 용해도를 최적화 할 수 있는 이온 선택에 있어서의 높은 자유도를 포함하고 있다. 마이티의 연구는 높은 이산화탄소 포집을 위해 이온성액체를 궨텀 화학 기반의 열 역학(Quantum-chemistry-based thermodynamic) 방법을 이용하여 설계하고 있다.

일본은 이온성액체를 이용한 이산화탄소 포집 연구를 수행하고 있는 연구기관으로 AIST (産業 技術總合硏究所, Advanced industrial science and technology)를 들 수 있다. AIST의 Kanakubo 박

사팀은 이미다졸을 기반으로 한 이온성액체를 제 조하고 있으며, 다양한 음이온 변화에 의한 성능 향상을 하고자 하였다. 이산화탄소에 대한 이온성 액체의 물리적 흡수 방법을 이용하는 것으로서, Trifluorosulfonamide (Tf₂N) 혹은 Hexafluorophos- phate를 음이온으로 한 화합물을 이용하고 있다.

또한 이온성액체 자체의 점도를 낮추는 방법과 저 점도 용매와의 브렌딩을 통한 낮추는 방법을 고려 하고 있다. 본 연구팀은 이온성액체의 제조, 구조 파악, 물리화학적 특성 파악, 이산화탄소 흡수시 특성변화 파악 등과 같은 기초 연구를 수행하고 있다.

3.2. 국내 현황

국내에서 이온성액체를 이용한 이산화탄소 포 집 기술개발은 한국에너지기술연구원, KIST, 경 희대, 군산대 등을 중심으로 수행하였다.

한국에너지기술연구원에서는 연소배가스 중 이 산화탄소를 분리하기 위한 연소후 및 석탄가스화 로부터 배출되는 합성가스로부터 이산화탄소를 분리하는 연소전 기술을 개발하였다. 추진 과제로 는 교육과학부의 21세기 프론티어 사업으로 이온

대한 설계 및 제조한 후 흡수평형 장치를 이용한 이산화탄소 흡수능을 측정하였다. 또한 이온성액 체는 이산화탄소 흡수시 점도가 증가되는데 이를 감소시키기 위하여 다양한 연구를 추진하고 있다.

특히 음이온 변화를 통한 이산화탄소 흡수능을 향 상시키고자 하였다. 또한 이산화탄소 분리 성능을 향상시키기 위하여 멤브레인에 이온성액체를 부 가하는 연구를 수행하여 우수한 분리 성능을 나타 내었다[17,18].

KIST에서는 2007년도부터 3년 동안 이온성액 체를 이용한 이산화탄소 분리기술 개발을 수행하 였다. 본 연구에서는 이온성액체를 이용한 이산화 탄소 흡수분리기술 개발로서, 이산화탄소의 제거 를 위한 함불소 및 비 이미다졸륨계 이온성액체계 흡수제 개발과 이온성액체의 이산화탄소 흡수 메 커니즘을 규명하고 이를 이용한 이산화탄소 흡수 기술을 개발하였다.

4. 맺음말

이산화탄소 포집 및 저장(CCS) 기술은 에너지 원이 화석에너지에서 수소와 같은 무탄소에너지 로 이동하는 과정에서 화석에너지 이용시 지구온 난화를 완화하기 위한 중요한 기술로 대두되고 있 으나 처리비용이 높다는 문제점을 가지고 있다.

이를 해결하기 위하여 CCS 기술 중 대부분을 차 지하고 있는 이산화탄소 포집에 있어서 혁신적인 차세대 흡수제 개발은 매우 중요하다. 이온성액체 는 높은 화학적 안정성, 낮은 부식성, 낮은 증기압, 높은 이산화탄소 용해도 등과 같은 장점을 가지고 있어 차세대 이산화탄소 분리용 흡수제로 대두되

민과 유사한 화학 흡수를 할 수 있는 방법인 TSIL 을 제시하였으며, Brennecke 교수는 분자열역학을 적용한 이온성액체 해석, Eckert 교수는 이산화탄 소가 가역적으로 반응할 수 있는 Reversible IL 연 구, Noble 교수는 이온성액체를 이용한 이산화탄 소 포집용 멤브레인 및 흡수제 등에 관한 연구를 수행하였다. 국내에서도 한국에너지기술연구원, KIST, 경희대 등에서 기능성 이온성액체를 제조 하여 이산화탄소 포집용으로 활용하고자 하였다.

향후 기후변화 대응 그린시장을 선점하기 위하 여 선진국을 중심으로 이온성액체를 이용한 이산 화탄소 포집 연구개발을 집중적으로 추진하고 있 으며, 본 기술이 상용화될 경우에 기존 물을 기반 으로 한 재래식 흡수기술을 혁신적으로 개선할 수 있을 것으로 예상된다.

감사의 글

본 연구는 교육과학기술부의 21세기 프론티어 연구개발사업인 이산화탄소 저감 및 처리 기술개 발 사업단의 연구비 지원으로 수행되었습니다.

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1988 ∼현재 한국에너지기술연구원 책임연구원

정 순 관

1992 고려대학교 화학공학과 학사 1994 한국타이어 중앙연구소 1997 연구원 고려대학교 화학공학과 석사 2000 고려대학교 화학공학과 박사 2006 Washington University in

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2002 ∼현재 한국에너지기술연구원 책임연구원

박 기 태

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선임연구원

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