재료·신소재/화학/환경·에너지

Nikkei Electronics_2021.11 Hot News (p12~13)

도시바, 에너지 절감 및 고성능 농축 기술에 CO₂ 흡수 기술 응용
침투압만으로 농축, 물보다 큰 분자일 경우 적용 가능

도시바가 에너지 절감 및 고농축이 가능한 새로운 농축 기술 개발에 성공했다. 도시바는 이 방법을 식염수의 농축에 사용할 경우, (1) 농축 시의 소비 에너지를 ‘역침투막(RO막)법’의 4분의 1로 절감할 수 있으며 (2) 역침투막법보다 2.4배 고농축이 가능할 뿐만 아니라, (3) 농축하고 싶은 물질에 가열이나 가압을 하지 않기 때문에 품질 열화(劣化)를 막을 수 있는 장점이 있다고 한다.

-- 물이 자동적으로 이동 --
이번 기술은 ‘정침투막(FO막)법’이라고 하는 침투 프로세스를 통해 물만을 다른 용기에 이동시킴으로써 농축이 이루어지는 기술이다. 물만을 투과시키는 FO막을 사이에 두고 용질 농도가 다른 2가지 용액을 배치한다. 여기서 용질이란 농축 대상 물질이 아니라 물을 흡입하는 작용이 있는 '침투압 물질'을 가리킨다. 그러면 침투압 물질의 농도 차이를 균일하게 하려는 물의 흐름이 발생해 농도가 낮은 용액에서 높은 용액으로 물이 자동적으로 이동한다. 비교 기술인 RO막법은 농축 대상 용액에 침투압 이상의 압력을 가해 물을 이동시키기 때문에 압력을 만드는 에너지를 필요로 한다.

하지만 이와 같은 FO막법은 농축하는 동안 농도 차이가 작아져, 물의 이동이 없어진다. 계속 농축하려면 침투압 물질이 든 용액에서 물만 배출해 다시 농도 차이를 만들 필요가 있다. 즉, 침투압 물질은 '물로의 용해'와 '물과의 분리'라는 2가지 상태를 자유롭게 제어할 수 있는 것이 바람직하다.

도시바는 이 조건을 만족시키는 물질로 아민(Amine) 계열의 ‘CO₂ 응답형 침투압 물질’을 개발했다. 이 침투압 물질은 온도에 따라 CO₂를 흡수하거나 방출하는 특징이 있다. CO₂를 흡수하고 있는 동안은 물에 용해되어 있고, CO₂를 방출하면 물과 분리된다. 즉, 침투압 물질이 들어간 용액의 온도를 높여 CO₂를 방출하여 물과 침투압 물질을 분리함으로써 물만을 배출할 수 있도록 하는 것이다. 배수 후에 다시 CO₂를 흡수시켜 침투압 물질을 물에 용해시키면 반복적으로 사용할 수 있다. ”폐기물이 발생하지 않는 서스테이너블(Sustainable)한 시스템”(도시바 연구개발센터 나노재료·프런티어연구소의 미즈구치(水口) 실장)이라고 한다.

도시바는 위에서 설명한 순서로 그림 1의 장치를 통해 식염수의 농축을 시험했다. 그 결과, FO막법은 RO막법에 비해 소비 에너지를 절감할 수 있다는 사실을 알아냈다. 1㎥의 물을 이동시키는데 RO막법은 약 4kWh의 에너지가 필요한데 반해, FO막법은 약 1kWh이면 된다. 하지만, FO막법에서 용액의 가온(加溫)에 필요한 에너지는 배열(排熱) 이용을 상정하고 있기 때문에, 이 숫자에는 포함되지 않았다.

또한, RO막을 통한 농축에서는 식염 농도의 상한치가 중량 대비 8%였지만, FO막에서는 19%로 향상, 농축 성능이 높아졌다. 가온 후 물과 아민 계열 물질의 분리성은 99% 이상이며, 배수 시 아민 계열 물질의 낭비가 거의 없다는 것도 확인했다.

-- 계기는 CCS --
CO₂를 흡수하는 성질을 가진 아민 계열 물질은 도시바가 이전부터 개발에 주력해온 물질이다. 화력발전소 등의 배기가스로부터 CO₂를 분리해 흡수하는 CCS(Carbon Capture and Storage)로 활용할 수 있기 때문이다. “CCS의 연구 개발을 통해 어떤 아민 계열 물질이 CO₂를 흡수하기 쉬운지 잘 알고 있다. 이번 개발에서는 여기에 더해 물과의 용해 및 분리를 제어하기 쉽도록 하는 것이 중요한 포인트였다”(도시바 연구개발센터 나노재료·프런티어연구소의 스즈키(鈴木) 상석 연구원).

CCS는 주로 화력발전의 터빈용 증기 배열을 이용하기 때문에, 반응탑이나 열순환 시스템 등의 규모가 매우 커진다. 열효율이 낮은 소형 시스템이나 배열이 많지 않은 설비에는 적용하기 어렵다. 한편, 도시바는 이번 농축 기술을 화학 플랜트에 도입하는 것을 검토하고 있다. “화학 플랜트는 반드시 배열이 발생한다”(미즈구치 실장)라며 적용 범위가 넓다는 것을 강조하고 있다.

도시바에 따르면, 화학품이나 의약품 개발에 있어서의 용액 농축뿐만 아니라, 희소금속 회수와 해수 담수화에도 이 기술을 사용할 수 있다고 한다. 하지만, 향후 당분간은 농축에 집중해나갈 것으로 보인다.

이번 시험에서는 식염의 농축을 대상으로 했지만, 다양한 물질의 농축에도 사용할 수 있다고 한다. “막을 통과하지 않는 물질이라면 기본적으로 무엇이든 농축이 가능하다”(스즈키 상석 연구원). 이번 시험에서FO막은 덴마크의 아쿠아포린(Aquaporin) 사의 제품을 사용했다. “물 분자와 같은 작은 분자만을 통과시키기 때문에, 예를 들면 유기 화합물이 중심인 의약품 개발에서는 활용도가 높다”(스즈키 상석 연구원)라고 한다.

현재의 개발 상황은 아직 랩(Lab) 스케일로, 농축이나 가온 등의 공정에서 수작업이 수반된다. 도시바는 향후, 일관되게 농축할 수 있도록 시스템을 개선해나갈 방침이다. 또한, 물과의 분리성이 더 높거나, CO₂의 흡착성이 더 뛰어난 아민 계열 물질을 개발해 성능 향상도 추진해나간다. 실용화에 대해 도시바는 “우선은 도시바 사내에서 실용화해 실적을 쌓아나가겠다. 이를 통해 해결해야 할 과제를 찾아내 개선한 후, 타사의 플랜트에 도입해나가고 싶다”(미즈구치 실장)라고 한다. 2024년경에 플랜트에서의 실증 실험을 목표로 하고 있다.

 -- 끝 --

Copyright © 2020 [Nikkei Electronics] / Nikkei Business Publications, Inc. All rights reserved.