국내 연구팀, 0.02나노미터 차이 에틸렌/에탄 나누는 분리막 개발
국내 연구팀, 0.02나노미터 차이 에틸렌/에탄 나누는 분리막 개발
열 소비 없는 체거름 방식으로 석유화학공정 에너지 절감 기대
  • 임도이
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  • 승인 2022.11.13 12:00
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서강대학교 화공생명공학과 이종석 교수(왼쪽)와 남기진 석박사통합과정.
서강대학교 화공생명공학과 이종석 교수(왼쪽)와 남기진 석박사통합과정.

[헬스코리아뉴스 / 임도이] 국내 연구진이 0.02 나노미터(nm) 수준 크기 차이의 기체 분자를 분리할 수 있는 초미세기공 제어기술을 개발했다. 0.02nm는 머리카락의 두께 대비 500만분의 1에 해당한다. 

서강대학교 화공생명공학과 이종석 교수와 남기진 석박사통합과정 연구팀은 크기 차이가 0.02nm에 불과한 에틸렌/에탄 기체 분자를 체거름으로 분리 가능한 새로운 나노입자 Sogang ZIF-8(SZIF-8)로 개발하고 이를 이용한 분리막 제작에 성공했다고 13일 밝혔다.

석유화학산업의 핵심 원료인 에틸렌은 원유에서 추출한 나프타를 고온에서 분해한 후 냉각, 압축, 분리하는 과정을 통해 생산된다. 하지만 크기와 끓는점이 유사한 올레핀과 파라핀을 분리하는 고압액화증류공정은 전체 석유화학 생산공정의 40%에 해당하는 막대한 에너지(100 트릴리언 Btu/yr (1 트릴리언 = 1012)가 소모돼 매우 에너지 집약적이다.

전 세계가 탄소중립 사회로의 전환을 준비하는 가운데, 이산화탄소 배출량 절감이 가능한 ‘분리막 기술’이 주목받고 있다. 특히 ZIF-8 기반 분리막 소재는 기공 크기가 4.2 옹스트롱(Å,1Å=0.1nm)으로 프로필렌/프로판 분리에 적합하지만, 크기가 더 작은 에틸렌/에탄 분리에는 보다 정교한 기공 제어기술이 요구된다.

* 제올라이트 이미다졸레이트 골격체-8 (ZIF-8): 징크 금속이온과 2-메틸이미다졸 유기리간드 간 배위 결합으로 이루어진 다공성 나노 물질로 비표면적이 넓고 세공 부피가 커 흡착제 등 다양한 분야에 널리 활용된다.

연구팀은 체계적인 입자 설계와 신규 나노 합성법을 통해 용액상에서 ZIF-8 구조에 세 종류의 유기리간드를 동시에 도입한 신규 Sogang ZIF-8 (SZIF-8) 나노입자를 개발했다.

SZIF-8 나노입자는 ZIF-8에 비해 골격체가 더욱 단단해 체거름 기능이 우수하여, 에틸렌/에탄 선택도를 높인 하이브리드 분리막 제조가 가능하다.

연구팀은 신규 SZIF-8 나노입자로 제작한 하이브리드 분리막이 ZIF-8을 포함한 기존 하이브리드 분리막 보다 약 87% 향상된 에틸렌/에탄 선택도를 나타냄을 확인했다.

연구팀이 개발한 새로운 분리막은 상용 고분자와의 계면 친밀성이 높아 대면적화가 용이한 장점이 있다.

이종석 교수는 “본 연구에서 개발한 새로운 분리막 소재로 대면적화를 위한 후속 연구를 진행할 계획”이라며, “새로운 분리막 기술을 기존 액화증류공정과 하이브리드 형태로 운용하면 에너지 소모량 및 탄소 배출량을 줄이고, 탄소중립 실현에 기여할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업과 선도연구센터사업의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 재료과학 분야 국제학술지‘스몰 메소즈(Small methods)’에 9월 1일 게재됐다.

 

(그림1) 에틸렌/에탄 분리를 위해 다종의 유기리간드를 동시 도입한 신규 Sogang ZIF-8 (SZIF-8) 나노입자의 모식도 및 (2) 개발된 SZIF-8 나노입자의 2,4-다이메틸이미다졸 도입량에 따른 초미세 기공 크기 분포도 - 에틸렌/에탄 분리를 위하여 제올라이트 이미다졸레이트계 골격체 (ZIF-8)에 삼종의 유기리간드를 동시에 도입한 신규 Sogang ZIF-8 (SZIF-8) 나노입자를 개발하였고, 실험과 분자동역학 시뮬레이션을 통해 2,4-다이메틸이미다졸 도입량이 증가함에 따라 기공 크기가 감소함을 증명하였다.
(그림1) 에틸렌/에탄 분리를 위해 다종의 유기리간드를 동시 도입한 신규 Sogang ZIF-8 (SZIF-8) 나노입자의 모식도 및 (2) 개발된 SZIF-8 나노입자의 2,4-다이메틸이미다졸 도입량에 따른 초미세 기공 크기 분포도

- 에틸렌/에탄 분리를 위하여 제올라이트 이미다졸레이트계 골격체 (ZIF-8)에 삼종의 유기리간드를 동시에 도입한 신규 Sogang ZIF-8 (SZIF-8) 나노입자를 개발하였고, 실험과 분자동역학 시뮬레이션을 통해 2,4-다이메틸이미다졸 도입량이 증가함에 따라 기공 크기가 감소함을 증명하였다.
(그림2) 폴리이미드 고분자와의 우수한 계면 친밀성을 지닌  SZIF-8 나노입자 기반 하이브리드 기체분리막                        (1) 폴리이미드 고분자 구조 내 작용기와 신규 SZIF-8 나노입자 간 화학적 상호작용 모식도: 양전하를 띄는 2,4-다이메틸이미다졸과 음의 전하를 띄는 고분자 구조 내 작용기 간 강화된 화학적 상호작용을 의미한다.(2) 20 wt%의 SZIF-8 나노입자를 포함하고 있는 하이브리드 분리막의 주사현미경 단면 사진.(3) 개발된 하이브리드 분리막을 구성하는 폴리이미드 고분자 사슬 내 음의 전하를 띄는 –C=O (카보닐기) 및 –CF3 (트리플루오로메틸기)의 푸리에 변환 분광학 분석: 높은 파장대 (Wavenumber)를 나타낼수록 강화된 계면 친밀성을 의미한다. (4) 강화된 계면 친밀성으로 인해 Young’s modulus (영률)과 Hardness (경도)가 획기적으로 향상된 하이브리드 분리막.
(그림2) 폴리이미드 고분자와의 우수한 계면 친밀성을 지닌 SZIF-8 나노입자 기반 하이브리드 기체분리막

(1) 폴리이미드 고분자 구조 내 작용기와 신규 SZIF-8 나노입자 간 화학적 상호작용 모식도: 양전하를 띄는 2,4-다이메틸이미다졸과 음의 전하를 띄는 고분자 구조 내 작용기 간 강화된 화학적 상호작용을 의미한다.
(2) 20 wt%의 SZIF-8 나노입자를 포함하고 있는 하이브리드 분리막의 주사현미경 단면 사진.
(3) 개발된 하이브리드 분리막을 구성하는 폴리이미드 고분자 사슬 내 음의 전하를 띄는 –C=O (카보닐기) 및 –CF3 (트리플루오로메틸기)의 푸리에 변환 분광학 분석: 높은 파장대 (Wavenumber)를 나타낼수록 강화된 계면 친밀성을 의미한다.
(4) 강화된 계면 친밀성으로 인해 Young’s modulus (영률)과 Hardness (경도)가 획기적으로 향상된 하이브리드 분리막.
(그림3) 개발된 폴리이미드/SZIF-8 하이브리드 분리막의 에틸렌/에탄 분리성능개발된 SZIF-8 나노입자를 포함한 하이브리드 분리막은 SZIF-8 나노입자의 초미세 기공 조절과 고분자와의 계면 친밀성 향상으로 인해 우수한 에틸렌/에탄 분리성능(빨간색 별) (에틸렌 투과도 60 Barrer, 에틸렌/에탄 선택도 4.5)을 달성하였다.
(그림3) 개발된 폴리이미드/SZIF-8 하이브리드 분리막의 에틸렌/에탄 분리성능

개발된 SZIF-8 나노입자를 포함한 하이브리드 분리막은 SZIF-8 나노입자의 초미세 기공 조절과 고분자와의 계면 친밀성 향상으로 인해 우수한 에틸렌/에탄 분리성능(빨간색 별) (에틸렌 투과도 60 Barrer, 에틸렌/에탄 선택도 4.5)을 달성하였다.

 


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