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kkei Electronics_2021.7 Hot News (p14-16)

배출가스도 '정화', 열 없이 고효율로 CO₂ 분리
도레이, 정수기의 중공섬유 기술ⅹ탄소섬유 기술로 실현

가정용 정수기의 중공섬유(Hollow Fiber) 등의 물처리막이나 탄소섬유를 개발하는 도레이(東レ, Toray)는, 그 2개의 기술을 응용해서 공장의 배기가스를 ‘정화’하는, 즉 이산화탄소(CO₂)를 분리∙회수하는 기술을 개발했다.

 중공섬유 모양의 탄소섬유로 만든 여과막 「’올카본’ 혁신 CO₂ 분리막」이다. 도레이의 정수기에서 이용하는 중공섬유 모양의 여과막과 비슷하지만 여과하는 것은 물이 아니라 CO₂다. “물처리막 연구에서 축적한 다공질체 기술과 탄소섬유 기술을 CO₂ 분리막 개발에 활용했다”(도레이 첨단재료연구소의 미하라(三原) 주임연구원).

-- 모듈도 정수기와 흡사 --
이 도레이의 CO₂ 분리막은 올카본이라는 이름대로 폴리아크릴로나이트릴(PAN) 을 원료로 한 탄소섬유만으로 이루어진 중공섬유 막이다. 시작(試作)한 모듈도 도레이의 가정용 정수기와 비슷하다. 모듈 내부에 충전한 중공섬유 모양 CO₂ 분리막의 길이는 30cm. “성능을 평가할 수 있는 필요 최저한의 사이즈를 준비했다”(미하라 주임연구원). 모듈의 한쪽에서, 가압한 CO₂를 포함하는 혼합 기체를 주입해서 사용한다.

이 CO₂ 분리막은, 모듈 내를 통과하는 기체 분자 중에서 CO₂만을 중공섬유 내부까지 통과시키는 방법으로 여과를 한다. 모듈에는 출구가 2개 있고, 이 CO₂와 중공섬유 막을 투과할 수 없었던 메탄(CH4)이나 질소(N₂)를 각자 회수할 수 있다.

-- 세공(細孔) 치수와 막 두께를 최적화 --
이 중공섬유 모양 CO₂ 분리막의 지름은 약 0.3mm. 그 막은 수 µm 두께로 매우 얇은 ‘분리기능층’과 약 100 µm 두께로 매우 두꺼운 ‘지지체층’으로 구성되어 있다. 중앙의 공동(空洞)의 직경도 약 100µm다. 분리기능층에는 매우 미세한 세공이 다수 열려 있는데, 바로 이것이 기체 분자의 ’체’가 된다. 구체적으로는 추출하고 싶은 분자인 CO₂(분자경 0.330nm)나 수소(H₂, 분자경 0.289nm)는 통과시키지만, CH4(분자경 0.380nm)나 N₂(분자경 0.364nm)는 통과시키지 않는다. 이러한 절묘한 세공의 치수는, PAN의 굽는 방법을 통해 제어할 수 있다고 한다.

미하라 주임연구원은 “분리기능층은 얇으면 얇을수록 CO₂의 투과율이 높아진다”라고 말한다. 결과적으로 수 µm 두께로까지 얇게 했다. 한편, 분리기능층이 얇아지면, 그 단체(單體)로는 중공섬유 모양을 유지할 수 없게 된다. 그래서 안쪽에 지지체층을 만들어 분리기능층을 지탱하도록 했다.

-- ‘다공질 탄소섬유는 세계 최초’ --
이 지지체층도 역시 PAN을 소성하여 형성한 탄소섬유다. 특징은 지금 수백 nm의 구멍이 연속적으로 뚫려 있다는 점이다. “탄소섬유와 구멍이 연속적으로 이어진 구조를 갖는다. 외력이 분산되기 때문에 내압성이 높다”(미하라 주임연구원). 이러한 공극 구조는 CO₂의 유로를 확보하는 역할도 한다.

도레이에 따르면, 연속되는 공극 구조를 가진 다공질 탄소섬유의 개발은 세계 최초라고 한다. 자세한 제조 공정은 밝히지 않지만, “탄소섬유의 다공질화는 어렵다. PAN의 가열을 포함한 각 공정에서 많은 연구를 거듭했다”(미하라 주임연구원).

-- 5배 고성능에 10배 이상 싸다 --
중공섬유 모양의 여과막을 사용한 CO₂ 분리막은 이전에도 있었다. 알루미노규산염(제올라이트)을 분리기능 소재로, 알루미나 튜브를 지지체로 하는 ‘제올라이트막’이다. “이번 탄소섬유판 CO₂ 분리막은 제올라이트막판에 대해서 많은 우위성이 있다”(미하라 주임연구원).

구체적으로는 도레이의 CO₂ 분리막은 내열성이나 내약품성이 높아 섭씨 300도의 온도에도 견딜 수 있다. 불순물이 막힘을 일으켜도 잘 열화되지 않는다. 또한 부피 당 CO₂ 투과량은 제올라이트막의 5배로 높다. 다만 막 면적 당 CO₂ 투과량은 제올라이트막이 8배 많다. 제올라이트막은 결정계 막이어서 구멍 지름을 일정 크기로 조정하는 것이 탄소재료보다 용이하기 때문이다.

부피 당 투과량으로 도레이의 기술이 역전하는 이유는, 이번 중공섬유 모양 CO₂ 분리막의 직경이 0.2~0.4mm로, 지경 10~20mm의 제올라이트 막보다 수십 분의 1로 가늘어, 훨씬 고밀도로 중공섬유 막을 모듈 내에 충전할 수 있기 때문이다. 결과적으로 같은 부피의 모듈로 약 40배의 막 면적을 확보할 수 있다.

제조 비용 면에서도 CO₂ 분리막 쪽에 손이 올라간다. 도레이의 CO₂ 분리막 재료의 대부분을 차지하는 탄소섬유제 지지체는 연속 생산이 가능하다. “동일한 양의 CO₂를 처리하는데 필요한 지지체의 제조 비용은 알루미나 튜브보다도 1자릿수에서 2자릿수 정도 저렴해질 것으로 전망한다”(미하라 주임연구원).

-- ‘소형 플랜트부터 공략’ --
도레이는 이번 CO₂ 분리막의 상정 용도로서 화력발전 플랜트의 배기가스 처리, 그리고 천연가스나 바이오 가스의 정제를 생각하고 있다. 가스전(田)에서 캐낸 천연가스나 메탄발효로 얻은 바이오 가스는 주성분인 CH4 외에 CO₂도 포함하기 때문이다.

다만 화력발전 플랜트 등에서는 이미 실용화가 끝난 CO₂의 분리·회수 기술이 있다. '아민 흡수법'이다. 아민, 즉 아미노기(-NH₂)를 갖는 유기재료의 CO₂ 흡수율이 온도 차이로 크게 변화하는 성질을 이용한다. 가열에는 주로 화력발전의 터빈용 증기의 배열을 이용하기 때문에 반응탑이나 열순환 시스템 등이 매우 대규모가 된다. 열효율이 낮은 소형 시스템이나 원래 배열이 많지 않은 설비에는 적용하기 어렵다.

한편 도레이의 막분리법은 “컴프레서로 가압만 하면 되기 때문에 시스템이 간소하고, 막의 양을 바꿈으로써 CO₂ 처리량을 유연하게 조정할 수 있어 소규모 플랜트에서도 사용하기 쉽다. 우선은 소규모 플랜트부터 시작해 조금씩 대규모화해 나갈 예정이다”(미하라 주임연구원). 2030년의 실용화를 목표로 연구개발을 완성해 나갈 계획이라고 한다.

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