동아대학교(총장 이해우)는 화학공학과 사정훈 교수 연구팀이 KAIST 이재우 교수팀과 공동으로 가스 하이드레이트의 결정구조를 단계별로 제어해 이산화탄소(CO2)를 포집하는 동시에 고순도 수소(H2)를 회수할 수 있는 새로운 ‘2단계 기체 분리공정’을 개발했다고 29일 밝혔다.
이번 연구 성과는 ‘Advanced two-stage pre-combustion capture facilitated by structural specific formation of sI and sII clathrate hydrates’라는 제목으로 화학공학 분야 세계적 권위 국제학술지 ‘Chemical Engineering Journal(IF 12.5, JCR 상위 4%)’에 최근 게재됐다.
이번 연구에는 동아대 김도연 석사과정, 정시윤 석사과정, KAIST 김광범 박사과정 학생이 함께 참여해 의미를 더했다.
탄소중립 사회로 전환을 위해서는 수소 생산 과정에서 발생하는 CO2를 효과적으로 분리·포집하는 기술이 필수적이다. 특히 CO2를 제거하면서 동시에 수소를 높은 순도로 회수할 수 있다면 탄소포집과 청정수소 생산을 하나의 공정에서 연계할 수 있어 친환경 에너지 분야의 핵심 기술로 평가받는다.
연구팀은 물 분자가 형성한 미세한 결정구조 내부에 특정 기체를 선택적으로 가두는 ‘가스 하이드레이트(Gas hydrate)’ 원리에 주목했다. 가스 하이드레이트는 물을 주성분으로 하며 CO2와 H2가 결정 내부에 포집되는 정도가 다르다는 특성을 활용해 두 기체를 분리할 수 있다. 하지만 기존 단일단계 공정은 높은 CO2 순도를 얻더라도 상당량의 CO2가 기체상에 남아 순도와 회수율을 동시에 높이는 데 한계가 있었다.
사 교수 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 서로 다른 특성을 가진 두 종류의 하이드레이트 결정구조(sI·sII)를 순차적으로 활용하는 혁신적인 2단계 분리공정을 제안했다.
1단계에서는 sII 하이드레이트를 먼저 형성하고 이를 ‘씨앗’으로 활용해 CO2 선택성이 높은 sI 하이드레이트의 성장을 촉진함으로써 포집된 내부 CO2의 순도를 99% 이상으로 대폭 끌어올렸다. 이어 2단계에서는 잔여 CO2를 추가로 하이드레이트에 포집하는 동시에 H2를 기체상에 농축하는 전략을 적용했다.
그 결과 최적 조건에서 CO2는 85%의 회수율과 91%의 순도를, H2는 94%의 회수율과 91%의 순도를 각각 확보하는 데 성공했다.
특히 두 단계 모두 소수성 표면처리 실리카를 이용한 고정층 반응기를 사용해 별도의 기계적 교반 없이도 하이드레이트 형성을 촉진할 수 있도록 했다. 이는 단순히 CO2만 포집하는 데 그치지 않고 탄소포집과 고순도 수소 회수를 단일 공정에서 동시에 구현할 수 있는 새로운 기술적 접근법이다.
사 교수는 “이번 연구는 서로 다른 가스 하이드레이트 결정구조의 장점을 단계적으로 활용해 기존 단일단계 공정이 가진 CO2 순도와 회수율 사이의 한계를 극복한 연구”라며 “특히 CO2 포집과 함께 수소를 높은 순도와 회수율로 동시에 확보할 수 있다는 점에서 향후 탄소포집과 청정수소 생산을 연계하는 혁신적인 가스분리 기술로 발전할 가능성이 크다”고 강조했다.
한편 이번 연구는 한국연구재단, 한국기초과학지원연구원, 선도연구센터(ERC), 한국산업기술기획평가원, 대학기초연구소지원사업(G-LAMP)의 지원을 받아 수행됐다.
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