주요 연구성과
NEW 아주대·화학연 연구팀, 공정 중 생성 '물' 실시간 제거 가능한 차세대 반응기 개발
- 2023-06-30
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우리 대학 연구진이 화학반응 중 생성되는 물을 실시간으로 제거할 수 있는 반응기를 개발하는 데 성공했다. 이를 활용하면 산업 공정의 부산물로 생성되는 수분을 제거할 수 있어 제품 수율과 공정 효율성을 높일 수 있을 것으로 기대된다.
4월5일 아주대 김석기 교수(화학공학과·대학원 에너지시스템학과, 사진 왼쪽)와 한국화학연구원(원장 이영국) 문수영 책임연구원(화학공정연구본부, 사진 오른쪽) 공동 연구팀은 400℃ 이상의 고온에서도 뛰어난 물 분리 성능을 발휘하는 촉매-분리막 하이브리드 반응 시스템을 개발, 다양한 물 생성 반응에서 작동 성능과 안정성을 검증하는 데 성공했다고 밝혔다.
해당 내용은 "고분자막 수분 제거를 통한 촉매반응의 평형 이동, 피독 방지, 선택성 향상 (Equilibrium shift, poisoning prevention, and selectivity enhancement in catalysis via dehydration of polymeric membranes)"이라는 제목으로 저명 국제 학술지 <네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications)> 2023년 3월호에 게재됐다.
다양한 산업 공정에서 화학반응의 부산물로 생성되는 수분은 목표 생성물의 수율을 낮추거나, 공정에 사용되는 촉매의 성능을 현저히 저하시킨다. 이에 학계와 산업계에서는 그동안 공정상 발생하는 수분을 제거하기 위해 다양한 방법을 연구해왔다.
공정의 부산물로 생성되는 물을 선택적으로 제거하면, 열역학적 평형을 생성물 쪽으로 이동시켜 목표 생성물의 수율을 향상시킬 수 있고 물에 의해 촉매의 활성을 감소시키는 촉매 피독(poisoning) 현상이나 다른 반응물과의 부반응도 방지할 수 있다.
이에 산업계에서는 장기 운전성과 높은 제품 수율을 위해 물을 선택적으로 제거하기 위한 다양한 전략을 개발해왔다. 대표적인 전략이 반응기 내에 수분 흡착제를 삽입하거나, 물과 강하게 반응하는 제3의 반응물을 사용하는 방식이다. 그러나 이러한 방법은 주기적으로 반응 공정을 멈추고 흡착제나 화학 물질을 재생 및 투입해야 하기 때문에 효율적 공정 설계가 어렵다는 한계가 존재해왔다.
아주대 공동 연구팀은 폴리이미드 폴리이미드 중공사막을 만든 후 열적 재배열을 통해 물 투과 성능이 우수한 폴리벤족사졸 막을 제조했다. 이렇게 하면 고온의 화학반응에서도 열적·화학적 안정성을 유지할 수 있다. 중공사 형태의 분리막은 반응기 안에서 촉매와 분리막의 접촉 면적을 증대시켜 반응기 내에 작은 부피의 분리막을 사용하고도 반응에 의해 생성되는 물을 효율적으로 분리, 배출시킬 수 있다. 이러한 형태의 분리막은 일반적인 원통형 반응기에 쉽게 설치할 수 있다는 이점도 존재한다.
연구진은 이렇게 개발한 분리막 반응기의 성능을 실험을 통해 검증해냈다. 우선 새로 개발한 반응기를 활용하여, 이산화탄소와 수소가 반응해 일산화탄소를 높은 수율로 얻어낼 수 있음을 확인했다. 이산화탄소와 수소가 반응하는 역수성 가스 반응을 통해 일산화탄소와 물이 생성되는데, 연구팀의 새로운 분리막 반응기를 활용하면 일산화탄소의 생성 효율을 2배 이상 증진시킬 수 있다.
연구팀은 또 개발한 분리막 반응기를 통해 메탄 연소에서의 촉매 비활성화 속도를 10배 이상 늦출 수 있고, 기초 화학 원료인 올레핀 유분 생산에서 물에 의한 부반응을 3배 이상 억제해 원료 활용도를 획기적으로 높일 수 있음을 확인했다.
최근 전 세계적으로 '탄소중립'을 비롯한 저탄소·친환경 경제에 대한 관심이 높기 때문에, 공기 중에 배출된 이산화탄소(CO2)를 포집하고 처리하는 기술이 학계와 산업계의 주목을 받고 있다. 공동 연구팀이 검증한 화학 반응들은 모두 탄소 사용량과 배출량이 많은 철강·시멘트·석유화학 산업과 화력발전 등의 분야에서 이산화탄소를 포집해 저장하고 활용하는 기술(CCUS, carbon capture utilization and storage)과 긴밀히 연결되어 있다.
공동 연구팀이 개발한 분리막 반응기를 활용하면, 이산화탄소 포집 및 활용에서 핵심 공정으로 인식되는 이산화탄소 전환 반응과 이로부터 생성되는 고부가 화합물 합성 반응 공정의 에너지 효율을 개선할 수 있다. 이렇게 되면 그동안 낮은 경제성 문제로 지지부진했던 해당 공정들의 상용화를 촉진하는데 도움이 될 것으로 전망된다.
김석기 아주대 교수는 "공동 연구를 통해 개발한 분리막-촉매 하이브리드 반응 시스템은 높은 산업적 잠재력을 가지고 있다"며 "향후 탄소중립을 위한 화학 반응 공정에 있어, 부산물에 의해 발생하는 다양한 문제점을 해결하는 데 중요한 역할을 할 것"이라고 설명했다.
한편 이번 연구는 한국화학연구원의 KRICT Build-up 사업, 산업통상자원부 저순도 CO2 직접전환 기초유분 생산공정 핵심기술 개발 사업 등의 지원을 통해 수행되었다.
공동 연구팀이 개발한 분리막 반응기. a 반응기의 전체적인 모습 b 반응물이 공급되는 입구 부분 c 제거된 물이 배출되는 출구 부분. 중공사 형태의 분리막을 통해 물이 효율적으로 분리, 배출된다.