▲ 화학연구원 CCP 융합연구단 장종산 박사.

국내 연구진이 기존 상업용 질소 흡착제보다 흡착력은 뛰어나면서 에너지는 절약하는 새로운 질소 흡착제 개발에 성공했다.

한국화학연구원(원장 이규호)은 장종산·윤지웅 화학연 CCP 융합연구단 박사연구팀과 배윤상 연세대 교수팀, KAIST 연구팀, 프랑스 CNRS 연구팀이 공동으로 셰일가스나 공기 등에 포함된 질소를 선택적으로 제거하는 에너지 저감형 흡착제를 개발했다고 10일 밝혔다.

기존에 셰일가스나 천연가스에서 불순물로 작용하는 질소를 제거하기위해 에너지 소비가 과다함에도 불구하고 상압기준 –161℃ 이하의 초저온 증류법이 널리 사용중에 있어 상온에서 질소흡착 강도를 높일 새로운 흡착제 개발이 요구되고 있었다.

또한 상업용 리튬계 제올라이트 흡착제는 질소 흡착에 효과가 있어 공기 분리에 사용되고 있지만 메탄 정제에는 적용할 수 없고 리튬 원료의 높은 가격도 문제가 되고 있다. 천연가스의 질소 흡착제로 티타늄계 제올라이트가 개발됐지만 단위 무게당 질소 흡착량이 아주 낮아 질소 흡착 효율 향상을 위한 새로운 개념의 흡착소재 기술 개발이 매우 중요했다.

이에 연구팀은 하이브리드 나노세공체의 3가 크롬이온의 결합 빈자리(또는 불포화배위자리)가 질소 분자를 강하게 선택적으로 배위할 수 있다는 것을 최초로 발견해 질소/메탄, 질소/산소 분리에 효과가 있다는 것을 입증했다.

크롬 이온과 유기산 화합물의 골격으로 구성된 하이브리드 나노세공소재가 질소를 효율적으로 흡착할 수 있다는 새로운 특징을 발견했고 이러한 질소의 선택적 배위결합 특성은 공기나 셰일가스, 천연가스, 바이오가스의 정제 시 쓰이는 초저온 냉각에너지를 절감하는데 이용할 수 있다.

이번에 발견한 흡착물질은 공기 분리에 사용되는 리튬계 제올라이트 흡착제에 비해 질소 흡착량이 약 29% 이상 향상되었으며, 천연가스나 셰일가스의 주성분인 메탄과 질소의 흡착 분리에도 질소를 선택해서 흡착할 수 있는 특징을 지니고 있다.

이러한 특성은 공기 및 천연가스 분리에서 초저온 증류 기술을 대체하기 위한 에너지 절약형 흡착제 개발에 효과적으로 이용할 수 있을 것으로 보이며 기체분리용 에너지 절약형 흡착제, 기체 분리 및 정제용 멤브레인 등의 소재, 액화천연가스 생산을 위한 해양 조선업과 산업용 분리공정 기술 발전에 기여할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

화학연 장종산 박사는 “미래형 질소 흡착소재 개발을 통해 메탄 정제의 초저온 냉각에너지 절감은 물론 순산소 제조 기술의 에너지 효율 향상에도 기여할 것으로 기대된다”고 연구의의를 밝혔다.