▲ 자일렌 이성질체 분리를 위한 MOF 구조 설계와 분자 선택성 메커니즘(출처: UNIST)

국내 연구진이 석유화학 원료인 ‘자일렌’을 상온에서 고순도로 분리할 수 있는 다공성 소재를 개발해 친환경적이고 지속가능한 석유화학 분리 기술 개발에 기여할 전망이다.

UNIST는 화학과 나명수·민승규 교수팀이 한양대 ERICA 전형필 교수팀과 함께 상온에서 자일렌 이성질체를 분리할 수 있는 다공성 흡착 소재를 개발했다고 28일 밝혔다.

자일렌은 생수병, 합성섬유, 방향제 제조에 쓰이는 물질로 △오르토 △메타 △파라 3가지 이성질체가 있다. 이성질체는 구성 원소와 원자 수는 같지만 분자 구조가 다른 물질로 그 용도 또한 다르다.

오르토 자일렌은 살충제나 염료 중간체 제조에, 파라자일렌은 생수병이나 합성섬유의 원료로 쓴다. 실제 석유화학 공정에서는 이들 3가지 이성질체에다 비슷한 에틸벤젠까지 총 4가지가 섞인 혼합물 형태로 나오기 때문에 고온고압의 추가 분리정제 공정이 필요했다.

연구팀은 이런 혼합물을 상온에서도 효율적으로 분리할 수 있는 다공성 MOF(금속-유기 골격체)를 개발했다. MOF는 금속이온과 유기물 분자가 연결돼 생긴 나노미터 수준의 기공으로 이뤄진 물질로, 기공이 이성질체 분자들을 걸러내는 체 역할을 할 수 있다.

개발된 MOF는 일반적인 MOF와 달리 측면 통로가 막히고 위아래 방향의 수직 통로만 열린 구조로 설계됐다. 니켈(Ni) 금속과 BTC라는 유기물로 틀을 짜고, DABCO라는 부피가 큰 분자를 추가로 넣어 측면 통로를 막은 구조다.

MOF는 측면이 뚱뚱한 DABCO 분자로 막혀 있어 수직 방향 입구로만 이성질체들이 들어갈 수 있어, 휘어진 형태의 오르토자일렌은 입구에서부터 걸러지게 된다. 반면 길쭉한 모양의 파라자일렌과 에틸벤젠은 기공을 통과해 내부에 흡착될 수 있다.

해당 MOF는 측면 통로가 열려 있는 기존 MOF보다 최대 268배 높은 오르토 자일렌 선택도를 기록했으며, 여러 번 재사용해도 구조와 성능이 유지됐다.

나명수 교수는 “이번에 개발된 소재는 상온·상압에서도 특정 이성질체를 자발적으로 분리할 수 있어, 고온·고압에 의존하던 기존 공정의 한계를 뛰어넘는 성과”라며, “에너지 소비를 줄이고 공정을 단순화할 수 있는 점에서, 보다 친환경적이고 지속 가능한 석유화학 분리 기술로 이어질 수 있을 것”이라고 말했다.