미래에너지공학과 이태훈 교수 연구팀은 미국 MIT 연구진과 함께 기존 원유 정제 공정을 대체할 수 있는 고성능 초미세다공성(Ultramicroporous) 분리막*을 개발했다고 밝혔다. 이번 연구는 국제학술지 Science에 5월 23일자에 게재되었다.

* 분리막: 분리막은 특정 분자의 크기, 형태 또는 화학적 특성을 기준으로 혼합물에서 원하는 성분을 선택적으로 투과시키거나 차단하는 기능성 소재이다. 특히 분리막은 열에너지나 상변화가 수반되지 않아, 기존 에너지 집약적인 분리 공정(예: 증류)을 대체할 수 있는 장점이 있다.

현재 원유 정제는 주로 열 증류 방식에 의존하며, 이는 전 세계 에너지 소비의 약 1%, CO2 배출의 약 6%를 차지할 만큼 에너지 집약적이다. 이를 개선하기 위해 미세다공성 고분자**(Polymers of Intrinsic Microporosity, PIMs) 기반 분리막  적용이 시도되어 왔으나 비싼 가격, 낮은 선택성과 유기용매에 의한 팽윤(swelling), 가소화(plasticization) 문제로 상용화에는 한계가 있었다.

** 미세다공성 고분자: 강직하고 비틀린 분자 구조에 기인하여, 고분자 사슬의 조밀한 배열을 방해하여 내부에 많은 자유 체적(Free volume)을 형성 및 분자 수준의 미세다공성(기공 크기 <2 nm 및 BET 비표면적 >100 m2/g)을 보이는 신소재

연구팀은 이러한 문제를 극복하기 위해 기존 상용 역삼투 분리막의 아마이드 결합 대신 팽윤에 강하고 비극성인 이민(imine) 결합***을 적용해 구조적 강성과 높은 초미세다공성을 동시에 확보했다. 또한, 트립티센(triptycene) 및 스피로바이플루오렌(Spirobifluorene) 유닛을 도입해 팽윤 및 가소화 안정성과 분자 선택성을 더욱 크게 향상시켰다. 특히 산업적으로 검증된 계면중합 공정을 활용, 대규모 생산이 가능한 점도 주목할 만하다.

*** 이민(imine) 결합: 아민(-NH2)과 알데히드(-CHO) 사이의 축합 반응으로 형성되는 이중 결합(C=N) 구조로, 산소를 포함하는 아마이드 결합에 비해 극성이 낮고 구조적 강성이 크다.

실험 결과, 이번 분리막은 분자 크기에 따라 연료 성분을 선택적으로 분리할 수 있어 기존 열 증류 방식 대비 에너지 소비를 최대 수십 퍼센트까지 절감할 수 있는 잠재력을 입증하였다. 이는 상용 분리막으로 이뤄질 수 없던 결과이다.

제1저자로 참여한 성균관대 이태훈 교수는 “본 연구에서 개발한 초미세다공성 이민 기반 분리막은 기존 열분리 공정을 대체함으로써 원유 분별에 소요되는 에너지를 최대 수십 퍼센트까지 절감할 수 있는 혁신적 가능성을 보여준다”며 “산업적 제조공정과 호환되는 계면중합법을 이용하여 대규모 생산이 가능하며, 현존 석유화학 산업의 탈탄소화에 기여할 것으로 기대될 뿐 아니라 미래의 친환경 연료 생산 및 정유 공정의 패러다임을 변화시킬 것”이라고 밝혔다.

이 연구결과는 MIT Energy Initiative(MITEI)와 King Abdullah University of Science and Technology(KAUST)의 지원으로 수행되었으며 국제학술지 Science 에 5월23일에 게재되었다.

※ 논문명: Microporous polyimine membranes for efficient separation of liquid hydrocarbon mixtures

※ 저널: Science

※ 저자명: 교신저자 Zachary P. Smith, 제1저자 Tae Hoon Lee(이태훈), 공동저자 Zain Ali, Taigyu Joo, Matthew P. Rivera, Ingo Pinnau

※ DOI: 10.1126/science.adv6886 

▲ 산-촉매 계면중합 기반 초미세다공성 분리막 제조 및 응용처에 대한 모식도