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우리대학원 알리코스쿤 교수 연구팀이 유황을 직접적으로 활용해 천연가스를 효과적으로 정제할 수 있는 기술을 개발했다.

 

제상현 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 생물 분야학술지 ‘셀 프레스(Cell Press)’에서 발행하는 국제 화학 학술지 ‘켐(CHEM)’ 9월 8일자 온라인 판에 게재됐고, 미국화학학회(ACS)가 발행하는 ‘케미컬&엔지니어링 뉴스(Chemical & Engineering News) 9월 19일자 온라인 판에 소개됐다.

 

산업 혁명 이후 세계적으로 공통적인 주요 에너지원은 석유, 석탄, 천연가스 등이다. 이러한 화석 재료를 연료로 활용하기 위해서는 정제과정이 중요하다.

 

그 중에서도 황 화합물은 정제 공정 내에서 품질 저하, 환경오염, 설비 부식 등을 일으키기 때문에 탈황공정(Desulfurization)이 매우 중요하다.

 

탈황공정을 통해 정제된 황은 성냥, 화합물(황산, 황분말 등), 살충제, 가황공정 등에 재활용되고 있으나 그 수요에 비해 정제되는 황은 매우 방대해 적절한 활용방안을 찾지 못하고 있다.

 

우리나라에서도 원유를 정제하면서 발생하는 액체유황을 중국 비료 업체에 수출하고 있으며, 캐나다에서는 황으로 이루어진 황 산(Sulfur Mountain)이 만들어지는 수준이다.

 

이러한 현상 해결을 위해 연구팀에서는 천연가스 정제 공정에서 탈황 공정으로 발생하는 유황을 직접적으로 활용해 벤조사이아졸기로 치환된 미세 다공성 고분자(Benzothiazole linked Amorphous porous Polymer, BTAP)를 합성하고, 이를 통해 천연가스를 효율적으로 분리해낼 수 있는 기술을 개발했다.

 

연구팀은 먼저 천연가스 공정에서 발생한 유황에 각기 다른 두 가지의 단량체를 단순 물리혼합한 뒤, 1차 열처리 공정을 통해 BTAP을 99% 이상의 수율로 합성하고, 곧바로 2차 열처리 공정을 통해 반응하지 않은 불순물과 잔여 황들을 일시에 제거했다.

 

이 기술은 일반적인 미세다공성 고분자 합성 과정과 달리 일체의 금속촉매, 용매 등이 전혀 사용되지 않았기 때문에 후처리 공정이 전혀 필요하지 않아 매우 경제적이다. 또한 수율도 매우 높아 상업화에도 용이하다.

 

연구팀에서는 실제로 BTAP이 정제 조건에서 사용될 수 있는지를 평가하기 위해 실제 천연가스 정제 공정(천연가스 조건, 매립가스 조건)과 매우 유사한 조건 내에서 흡착제의 분리능 성능을 조사하였다. 그 결과 100% 효율로 이산화탄소만을 선택적으로 흡착, 분리해낼 수 있음을 확인했다.

 

BTAP은 일반적인 용액 공정과 달리 물리흡착 특성을 보여 압력 변화만으로도 쉽게 이산화탄소를 흡/탈착할 뿐 아니라 높은 이산화탄소 흡착능, 재생율, 분리능, 생산성 등을 두루 갖춘 다양한 가능성을 갖고 있는 물질이다.

 

연구팀에서는 천연가스 정제 조건 내에서 발생한 유황을 고분자 합성에 이용할 수 있다는 새로운 활용법을 제시했고, 합성된 고분자가 이산화탄소/메탄을 선택적으로 분리해낼 수 있는 선순환 사이클을 제시했다.

 

이번 연구는 산업통산자원부, 미래창조과학부의 신재생에너지융합원천기술개발사업 및 이공분야기초연구사업의 지원을 받아 수행됐다.

 

 

그림1. 본 연구에서 개발한 유황을 활용한 고분자 합성 및 이산화탄소 포집 공정 모식도

 

모식도.jpg

 

 

 

그림2. 실제 혼합 가스 조건 내에서 BTAP의 이산화탄소-메탄 분리능 측정 실험

 

측정실험.png