머리카락 두께 500만분의 1에 해당하는 0.02 나노미터(nm) 수준 크기 차이의 기체 분자를 분리할 수 있는 초미세기공 제어기술이 국내 연구진에 의해 개발됐습니다.

한국연구재단은 이종석 교수(서강대학교) 연구팀이 크기 차이가 0.02나노미터에 불과한 에틸렌/에탄 기체 분자를 체거름으로 분리 가능한 새로운 나노입자 Sogang ZIF-8(SZIF-8)로 개발하고 이를 이용한 분리막 제작에 성공했다고 밝혔습니다.

석유화학산업의 핵심 원료인 에틸렌은 원유에서 추출한 나프타를 고온에서 분해한 후 냉각, 압축, 분리하는 과정을 통해 생산됩니다. 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 집약적입니다.

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전 세계가 탄소중립 사회로의 전환을 준비하는 가운데, 이산화탄소 배출량 절감이 가능한 ‘분리막 기술’이 주목받고 있으며, 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 요구됩니다.

연구팀은 체계적인 입자 설계와 신규 나노 합성법을 통해 용액상에서 ZIF-8 구조에 세 종류의 유기리간드를 동시에 도입한 신규 Sogang ZIF-8 (SZIF-8) 나노입자를 개발했습니다. SZIF-8 나노입자는 ZIF-8에 비해 골격체가 더욱 단단해 체거름 기능이 우수하여, 에틸렌/에탄 선택도를 높인 하이브리드 분리막 제조가 가능합니다.

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또한, 신규 SZIF-8 나노입자로 제작한 하이브리드 분리막이 ZIF-8을 포함한 기존 하이브리드 분리막 보다 약 87% 향상된 에틸렌/에탄 선택도를 나타냄을 확인했습니다. 연구팀이 개발한 새로운 분리막은 상용 고분자와의 계면 친밀성이 높아 대면적화가 용이​한 장점이 있습니다.

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 연구 의의를 밝혔습니다.

이번 연구의 성과는 재료과학 분야 국제학술지‘스몰 메소즈(Small methods)’에 9월 1일 게재되었습니다.

< 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업과 선도연구센터사업의 지원으로 수행되었습니다. >

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(1) 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 활용됨.

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출처 : 한국연구재단

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