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[투데이에너지 장재진 기자] 톈진대학교는 장중이 교수와 허광웨이 교수가 이끄는 공동 연구팀이 높은 분리 성능과 장기 안정성, 대규모 가공 가능성을 모두 갖춘 새로운 유형의 '전유기 혼합 매트릭스 막(Mixed Matrix Membrane)'을 개발하는 데 성공했다고 14일 밝혔다.

이번 연구는 탄소 포집 공정의 효율성과 확장성을 획기적으로 높일 수 있는 전기로 평가받고 있으며, 국제 학술지 '네이처 에너지(Nature Energy)'에 지난 10월 7일 자로 온라인 게재됐다.

획기적인 '약상호작용 인레이' 전략으로 기존 한계 극복

막 분리 기술은 뛰어난 에너지 효율과 친환경성 덕분에 탄소 포집 분야에서 큰 주목을 받아왔다. 하지만 산업용 배기가스에서 이산화탄소만을 빠르고 효과적으로 분리하면서도 일정한 성능을 유지하는 막을 제조하는 것은 오랜 난제였다.

특히 고분자의 가공성과 다공성 충전재의 분자 운송 특성을 결합한 '혼합 매트릭스 막'은 두 물질 간의 호환성 문제로 개발이 제한적이었다. 다공성 입자가 고분자 내에서 뭉치거나 가라앉는 현상이 발생했고, 반대로 충전재와 고분자 간의 상호작용이 너무 강하면 고분자의 이동이 제한되어 수송 경로가 막히는 부작용이 있었기 때문이다.

톈진대 연구팀은 이를 해결하기 위해 '약상호작용 인레이(weak-interaction inlaying)'라는 새로운 전략을 도입했다. 연구진은 단순히 두 물질의 상호작용을 강화하는 방식에서 벗어나, 충전재-고분자 간의 상호작용과 충전물 입자 간의 상호작용을 정밀하게 균형 맞췄다. 이를 위해 단결정 공유 유기 프레임워크(COF)를 다공성 충전재로 사용함으로써, 고분자 매트릭스 내에 높은 비율로 충전재를 균일하게 통합하는 데 성공했다.

성능 10배 향상 및 뛰어난 경제성 입증

이렇게 개발된 신형 멤브레인은 고분자 특유의 유연성과 용액 가공성을 그대로 유지하면서도, COF 결정의 규칙적인 기공을 통해 탄소가 이동할 수 있는 최적의 경로를 제공한다.

모의 연기 가스를 이용해 진행한 성능 시험에서 이 막은 기존 기록을 갈아치우며 탄소 투과성을 약 10배나 향상시키는 놀라운 결과를 보였다. 또한 장기간 운전 중에도 저하 없이 일관된 분리 성능을 유지했으며 수증기, 황산화물, 질소산화물 등 가혹한 불순물이 포함된 환경에서도 강력한 장기 안정성을 입증했다.

경제성 측면에서도 합격점을 받았다. 연구 조건 하에서 진행된 예비 기술경제 분석 결과, 탄소 1톤당 탄소 포집 비용이 약 38달러 수준으로 추정되어 높은 상용화 가능성을 보여주었다.

연구팀은 "이번 연구는 혼합 매트릭스 막을 이용한 분자 분리 분야에 새로운 방향을 제시한 것"이라며, "향후 화력 발전, 시멘트 및 철강 생산 등 대규모 산업 공정의 탄소 포집 현장에 핵심적인 지지대 역할을 할 수 있을 것으로 기대한다"고 밝혔다.

출처 : 투데이에너지(https://www.todayenergy.kr/)