숭실대, 이산화탄소·질소 분리 성능 40배 높이는 기술 개발

[이데일리 김응열 기자] 숭실대 연구팀이 이산화탄소와 질소를 더 정밀하게 분리할 수 있는 기술을 개발했다. 기체가 통과하는 미세한 구멍의 크기를 조절하는 방식으로 기존보다 분리 성능을 40배 이상 높였다.

(왼쪽부터)숭실대의 안윤호, 엄기원 교수, 서강대 이종석 교수, 숭실대 석·박사통합과정 이준형 학생. (사진=숭실대)

숭실대는 안윤호 화학공학과 교수 연구팀이 혼합 기질 분리막(Mixed Matrix Membrane·MMM) 제조 과정에서 고분자 사슬이 다공성 소재 내부로 부분 침투하는 현상을 이용해 다공성 소재의 나노 기공 크기를 조절하는 새로운 기체 분리 기술을 개발했다고 4일 밝혔다. 이번 연구는 숭실대, 서강대와 공동으로 진행됐다.

금속유기골격체의 일종인 ZIF-8은 1g당 1000㎡ 이상의 높은 비표면적과 우수한 열·화학적 안정성을 가진 기체 분리용 다공성 소재로 주목받고 있다. 다만 ZIF-8은 골격 유연성 때문에 실제 기체 환경에서 유효 기공 크기가 증가하는 문제가 있었다. 1nm 이하 크기 차이를 보이는 CO2와 N2를 정밀하게 분리하는 데 한계가 있다는 의미다.

이에 연구팀은 ZIF-8의 일부 리간드를 부피가 큰 이종 리간드로 치환해 기공 구조를 사전 조절하고 유연한 사슬 구조의 poly(ethylene glycol) diacrylate(PEGDA)를 혼합하는 방법을 고안했다. MMM 제조 과정에서 일부 고분자 사슬이 ZIF 구조체 내부 기공으로 부분 침투하는 동시에, 주변 고분자 환경이 ZIF 구조체의 골격 유연성을 제한해 실제 기체가 통과하는 유효 기공 크기를 줄인 것이다.

이러한 기공 조절 효과로 ZIF-8의 CO2/N2 선택도는 고분자와 혼합되기 전 0.58에서 PEGDA 매트릭스 내부에서는 26.6으로 40배 이상 향상됐다. 연구팀은 이 고분자 기반 기공 조절 효과가 ZIF-8뿐 아니라 금속 중심과 결정 구조가 다른 ZIF-7, ZIF-67에도 적용될 수 있다는 점을 확인했다.

안윤호 교수는 “이번 연구 성과는 향후 다양한 ZIF 기반 혼합 기질 분리막의 기체 분리 성능을 높이는 새로운 설계 전략 마련에 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.