김대우 교수팀, 고효율 탄화수소 분리를 위한 분리막 원천소재 개발

고종횡비, 제올라이트형 금속 유기골격체가 포함된 고분자 복합막을 통해 세계 최고 수준 프로필렌/프로판 분리 성능 구현

[사진. (왼쪽부터) 권오찬 박사, 김대우 교수, 김민수 연구원]

화공생명공학과 김대우 교수 연구팀이 세계 최고 성능의 프로필렌/프로판 분리용 혼합기질막을 개발함으로써 연간 시장 규모가 100조 원에 이르는 프로필렌 공정 분야에서 공정 단가와 생산 에너지를 획기적으로 절감할 수 있는 기술을 구현했다.

프로필렌은 음식 용기 제조에 주로 사용되는 합성수지인 폴리프로필렌과 반도체 생산, IT 부품 세척, 소독제에 사용되는 아이소프로필 알코올 생산에 필요한 주원료로서, 전 세계 연간 생산량이 1억 톤에 달한다. 프로필렌 생산 과정에는 고순도화 작업이 필수적으로 요구되는데, 그중 프로필렌/프로판 분리 공정은 처리가 매우 어렵다고 알려져 있다. 통상적으로 이 공정은 두 물질의 끓는점 차이에 기반한 냉각 증류법을 활용하는데, 비슷한 분자구조로 인해 끓는점의 차이가 불과 5℃ 이내로 유사해 분리공정에 많은 설비와 비용이 요구된다.

김대우 교수팀이 개발한 분리막은 가압 시 프로필렌만을 선택적으로 투과할 수 있어, 액화과정 없이 프로필렌/프로판의 분리가 이뤄진다. 이에 따라, 기존의 냉각공정에 드는 에너지를 절감하고 시설 비용을 효과적으로 감축시킬 수 있다. 이론적으로, 고성능 분리막을 적용함으로써 에너지 절감을 최대 45%까지, 생산 단가를 73%까지 낮출 수 있을 것으로 예측된다.

연구팀은 고성능 분리막 제작을 위해 높은 종횡비를 가지는 판상형 분자체를 합성하고, 폴리이미드 계열 고분자 속에 수평적으로 정렬해 혼합기질막을 구현했다. 여기서 분자체는 제올라이트형 금속 유기골격체(ZIF-8)를 바탕으로 합성됐다. 이는 0.4 나노미터(nm)의 특징적 기공으로 인해 프로필렌은 투과 가능하나 프로판은 투과하지 못하게 막아 기체 분자 크기를 바탕으로 프로필렌/프로판 분리가 가능하다.

특히, 이번 연구의 핵심은 기존에 3차원 등방성 구조로만 얻어지던 다공성 입자를 판상형으로 얻어 내는 템플릿 기반 상전이기법에 있다. 그래핀 등 다양한 이차원 소재가 근 10년간 활발히 연구됐지만 탄화수소에 선택성을 가지는 이차원 소재는 매우 제한적으로 보고돼 왔으며, 특히 프로필렌/프로판 분리에 쓰일 수 있는 소재는 보고되지 않았다. 본 연구는 화학적으로 불안정한 2차원 템플릿을 다공성 구조로 전환하는 방법을 이용했으며, 대표적으로 ZIF-8 타입의 구조를 구현했다.

[그림. 높은 종횡비의 ZIF-8 나노플레이트 합성 및 분리막으로의 응용. 높은 종횡비를 지닌 전구체 템플릿을 기반으로 적절한 용매의 선택과 유기 리간드의 농도와 주입시간의 조절을 통해 ZIF-8 나노플레이트를 합성했다. 합성한 ZIF-8 나노플레이트를 고분자에 첨가해 바코팅 방식으로 복합막을 제작했다. 이러한 판형 구조의 다공성 물질이 첨가된 복합막은 단순 고분자막이나 기존의 등방성 입자가 첨가된 복합막에 비해 가스 분리막으로 활용 시 높은 성능을 기대할 수 있다.]

김대우 교수는 “석유화학, 수소 경제, 에너지 저장 소자 등 다양한 분야에서 고성능 분리막에 대한 수요가 커지고 있다. 2차원 다공성 소재는 고성능 분리막을 구현하기 위한 꿈의 소재이지만, 매우 제한된 물질만이 보고됐다. 특히 나노미터의 백분의 일 수준의 크기를 분별해야 하는 탄화수소 분리에 사용될 수 있는 소재는 전무하다. 이번 연구를 통해 높은 종횡비를 가지는 분리 소재를 합성할 수 있는 원천기술을 확보했고, 향후 다양한 소재 및 응용 분야로의 적용이 이뤄질 것으로 기대된다.”고 전했다. 

이번 연구는 과학기술정보통신부가 추진하는 신진연구자지원사업과 함께달리기사업의 지원으로 김대우 교수 연구팀의 권오찬 박사(공동 제1저자), 김민수 연구원(공동 제1저자)과 함께 진행됐으며, 세계적인 과학 분야 권위지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 1월 5일자(현지시간)로 게재됐다.

논문정보

● 논문제목: High–aspect ratio zeolitic imidazolate framework (ZIF) nanoplates for hydrocarbon separation membranes

● 주요저자: 김대우(교신저자, 화공생명공학과), 권오찬(공동 제1저자, 화공생명공학과), 김민수(공동 제1저자, 화공생명공학과), 외 7명의 공동저자

● 논문주소: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abl6841

용어설명

● Metal Organic Framework(MOF): MOF란 금속 이온 또는 클러스터와 유기 리간드 사이의 배위결합으로 이뤄진 다공성 물질이다. 정밀하게 조절된 다양한 기공 크기와 매우 높은 표면적으로 인해 각종 분리공정, 흡착, 촉매, 약물전달, 센서 등의 분야에 응용되고 있다. 

● Zeolitic Imidazolate Framework(ZIF)-8 : ZIF-8은 아연과 2-메틸이미다졸 유기 리간드의 배위결합으로 이뤄진 MOF의 한 종류이다. ZIF-8은 약 0.34 nm의 기공크기를 가졌으며 유기 리간드의 유연성 때문에 최대 0.4 nm까지 기공크기가 늘어날 수 있다. 이러한 기공크기로 인해 가스분리, 그중에서도 특히 프로필렌/프로판 분리에 많이 쓰이는 물질이다.