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Nikkei Monozukuri_2026.02

기존 대비 10배 이상, 2030년 이후의 실용화를 목표로--CO₂ 회수 과제는 강도와 취급성
Part 6 이산화탄소 회수

CO₂ 회수의 비장의 카드로 기대를 모으고 있는 MOF(금속유기골격체)가 기초 연구 단계에서 사회 구현 단계로 진입했다. 2030년경의 실용화를 목표로 기업과 연구기관들이 준비를 진행하고 있다. MOF를 활용하면 기존 대비 10배 이상의 CO₂를 회수할 수 있을 것으로 보인다.

“MOF를 충진한 탱크는 이전에 비해 약 18배 양의 CO₂를 저장할 수 있다”. 2025년 노벨 화학상을 수상한 미국 캘리포니아대학교 버클리캠퍼스의 야기 교수는 수상 기념 강연에서 MOF의 CO₂ 저장 능력을 강조했다. MOF는 가스를 안전하고 컴팩트하게 저장하는 데 뛰어나다.

현재, CO₂ 회수에 일반적으로 사용되는 방법은 ‘아민 흡수법’이다. 아민 흡수법의 에너지 효율은 낮지만, 설비 도입 비용은 비교적 저렴하다. 또한, 수십 년에 걸친 운용 실적도 있다. 한편, MOF의 이론상 에너지 효율은 높지만, 재료 비용과 설비 도입 비용이 매우 높다.

-- 아민 흡수법보다 기술적으로 우위 --
이러한 해결 과제가 존재하지만, 전 세계 소재·화학 제조업체들이 MOF 개발을 둘러싸고 치열하게 경쟁하고 있다. 앞서 언급한 높은 저장 능력뿐만 아니라, 아민 흡수법에 비해 CO₂ 회수 운영 비용을 절감할 수 있을 것으로 기대되고 있기 때문이다.

아민 흡수법을 비롯한 화학 흡수법은 알칼리성의 아민액과 산성의 CO₂를 화학 반응으로 강하게 결합시켜 회수한다. 흡착력은 강하지만, 분리(재생) 공정에 어려움이 있다. 결합된 CO₂를 제거하고 아민액을 재이용하려면 120℃ 이상의 고온으로 계속 가열해야 하기 때문에 에너지 효율이 낮고, 가열하는 만큼 운영 비용이 높다.

반면, MOF는 물리적으로 CO₂를 흡착한다. 반데르발스 힘 등의 약한 상호작용으로 CO₂를 저장하기 때문에 이론적으로 매우 낮은 에너지로 탈착이 가능하다. 특히 ‘게이트 흡착(S자형 흡착 등온선)’이라고 불리는 기능을 가진 MOF는 구조가 유연하게 변하기 때문에 일정한 압력값을 초과하면 스위치가 켜진 것처럼 CO₂를 흡착하고, 그 값을 밑돌면 한 번에 방출한다.

지금까지 다공성(多孔性) 재료를 이용한 가스 분리 연구는 주로 2가지 성분의 혼합 가스가 중심이었다. 그래서 CO₂와 질소처럼 단순한 2가지 성분은 분리할 수는 있었지만, 성질이 비슷한 다양한 기체가 혼합되어 있으면 제대로 기능하지 못했다. 야기 교수 연구팀과 공동으로 노벨 화학상을 수상한 교토대학의 기타가와(北川) 특별 교수는 공장의 배기가스 등에 포함된 질소와 메탄, 수소 등 9종류의 유사 가스를 모두 차단하고, CO₂에 대해서만 게이트를 열게 하는 데 성공했다.

이러한 특성을 활용하면 60~80℃ 정도의 저온이나 약간의 감압 밸브 조작으로 게이트 흡착재를 재생할 수 있다. 그 결과, 재생에 필요한 에너지를 아민 흡수법에 비해 20~40% 줄일 수 있다고 추산된다. 즉, MOF는 이론적으로 운영 비용을 낮추기 쉽다.

-- 강도와 취급에 과제 --
장점이 많은 MOF이지만, CO₂ 회수 용도에서는 크게 두 가지 해결 과제가 있다. 강도가 약하고, 취급이 어렵다는 점이다.

MOF의 강도가 약한 것은 그 구조에서 비롯된다. 금속과 유기물이 배위 결합이라는 비교적 약한 힘으로 결합되어 있기 때문에 제올라이트나 활성탄과 같은 공유 결합으로 이루어진 다공성 재료에 비해 화학적·열적 안정성이 낮다. 특히 공장의 배기가스에서 CO₂를 회수하는 경우, 배기가스에 포함된 수분이나 산성 성분(NOx, SOx)에 노출되면 결합이 끊어져 구조가 붕괴되거나, 산이 생성되어 손상되기 쉽다. 아무리 고성능이라도 바로 교환이 필요하게 된다면 운영 비용이 늘어나기 때문에 MOF를 CO₂ 회수에서 실용화하기는 어렵다.

온도 변화에도 약하다. MOF에 CO₂를 흡·탈착하는 사이클에서는 온도의 오르내림과 압력 변동이 반복된다. 이때 MOF가 팽창과 수축을 반복하게 되면서 물리적 스트레스가 구조에 가해진다. 그러면 금속 피로와 같이 점차 구조가 변형되어 최종적으로 파손될 위험이 있다.

이러한 MOF의 강도 문제에 대해, CO₂ 회수 프로세스를 개선해 MOF가 파손되기 어렵도록 하는 접근법을 취하고 있는 것이 레조낙홀딩스의 석유화학사업회사인 클라사스케미컬(Crasus Chemical, 오이타시)이다.

클라사스케미컬은 ‘압력 스윙 흡착(PSA) 방식’을 통해 저농도 CO₂를 분리·회수하는 것을 목표로 하고 있다. 이 압력 스윙 흡착 방식에서는 배기가스 중의 수분과 불순물을 전처리 과정에서 제거하여 MOF에 대한 물리적·화학적 부하를 감소시킨다. 흡착 부분에서는 가스 도입 시의 압력 변화에 따라 MOF의 골격이 동적으로 변하고, 특정 크기의 구멍을 형성하여 CO₂를 선택적으로 포집한다. 이러한 유연한 구조 변화 덕분에 탈착 시의 에너지 장벽이 낮아져, 진공 펌프 등의 동력을 최소화한 저에너지 회수가 가능해진다.

현재는 흡·탈착의 압력 조건, 가스의 유속, 사이클 시간의 최적화와 함께 대규모화를 위해 흡착열 축적을 방지하는 열 관리 기술 확립을 추진하고 있다. 이처럼 전처리에서 정밀한 압력·온도 제어에 이르기까지 PSA 방식의 프로세스 최적화를 도모하고, MOF의 운영 비용을 낮춰 조기 실용화를 목표로 하고 있다.

원래 클라사스케미컬은 그 전신인 레조낙과 쇼와전공(昭和電工) 때부터 가스의 분리·회수 기술을 연구개발해 왔다. 클라사스케미컬에 따르면, CO₂와는 다른 가스의 분리에 대해 “2016년경에 파일럿 규모까지 도달했지만, 경제적·사회적 상황 때문에 실용화하지 못했다”(클라사스케미컬). 그럼에도 불구하고, 과거의 가스 분리·회수 기술 연구개발에서 쌓아온 지식을 활용해 MOF를 이용한 PSA 방식의 실용화에 도전하고 있다. 현재, 오이타 콤비나트의 공장 배기가스를 이용해 앞에서 소개한 프로세스를 실증 중이다.

-- 분말 형태의 MOF, 활용하기 쉽도록 --
CO₂ 회수에 있어서 MOF의 또 다른 해결 과제는 취급하기 어렵다는 점이다. MOF가 기본적으로 미세 분말 형태로 합성되기 때문이다. 미세한 분말은 다루기 어렵다. 흡착 부분에 가루가 들어가면 막힘이 발생해 압력 손실이 커진다. 막힘 방지를 위해 송풍기를 사용하면 그만큼 전기 요금이 늘어난다. 배관 내부에서의 비산, 마모, 분진 폭발이 발생할 가능성이 있다.

따라서 MOF를 CO₂ 회수 장치에 도입하기 위해서는 분말을 분리막이나 펠릿, 벌집 구조 등, 사용하기 편리한 형태로 가공해야 한다.

예를 들어, 닛토전공(日東電工)은 원통형 카트리지의 CO₂ 분리막에 MOF를 포함시켜 사용하기 쉽게 만들었다. 닛토전공은 미국의 스타트업 Numat Technologies 등 외부 기업으로부터 MOF를 조달해 자사의 고분자 분리막과 융합하고 있다. 구체적인 방법은 다음과 같다.

먼저, 고분자 재료 안에 MOF를 균일하게 혼합한다. 그런 다음, 얇은 시트 형태로 가공. 이어서, 그 시트를 스페이서(유로재)와 함께 김밥처럼 말아서 굳혀 ‘스파이럴형 모듈’이라고 불리는 원통형 카트리지를 만든다. 이를 통해 기존의 배관 설비에 필터와 같이 간편하게 설치할 수 있다.

닛토전공은 MOF를 활용해 CO₂ 분리막의 성능 향상도 도모하고 있다. 일반적으로 분리막은 특정 물질을 분리할 수 있는 선택성과 시간당 분리할 수 있는 속도를 나타내는 투과성이 트레이드오프 관계에 있다. 선택성(분리 성능)을 높이면 투과성(처리 속도)이 감소한다.

닛토전공은 분리막에 MOF를 활용함으로써 이 트레이드오프 관계를 완화했다. MOF의 미세 구멍이 CO₂ 분자만을 선별하는 ‘분자 체’ 역할을 함으로써 처리 속도를 크게 낮추지 않고 분리 정밀도를 높일 수 있다.

하지만, MOF를 고분자 안에 분산시키는 공정에서 고분자와 MOF의 계면에 나노 스케일의 틈이 생기기 쉽다. 이 틈이 가스 누출의 원인이 된다. 가스 분리는 물 처리에 비해 작은 결함이 치명적인 성능 저하를 초래한다. 그래서 닛토전공은 오랜 기간 분리막 개발을 통해 쌓아온 용매 조정 기술과 폴리머화 기술 등을 적용해 계면의 친화성을 높여 틈을 줄였다. 닛토전공은 CO₂ 분리막을 올해 안에 사업화할 예정이다.

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