지구온난화(온실효과)의 주범, 이산화탄소 포집체 개발과 CCS (배출원-포집-수송-저장 및 이용)의 예

교육과학기술부는 (재)한국이산화탄소포집및처리연구개발센터(센터장 박상도)의 지원으로 카이스트 자페르 야부즈 교수, 알리 조스쿤 교수, 정유성 교수 공동연구팀이 질소대비 이산화탄소 선택성을 300배 높인 세계 최고 수준의 CO₂흡수제를 개발했다고 밝혔습니다.

질소(파란색 분자), 이산화탄소(회색과 분홍색 분자)가 섞인 기체가 Azo-COP를 통과 시, Azo-COP의 혐질소기(N₂-Phobicity)로 인해 질소는 고분자 밖으로 빠져나가며 이산화탄소만 선택적으로 흡착

최근 전 세계적으로 기후변화 대응을 위한 현실적 대안으로 이산화탄소를 포집하여 저장·처리하는 CCS*기술의 중요성이 부각되고 있습니다.

▲ 그림 출처 : 한국이산화탄소포집 및 처리연구개발센터

*. 최근 인공나뭇잎 등 인공광합성기술을 이용하여 이산화탄소를 흡수하는 방법도 개발되고 있고, 포집된 이산화탄소는 원유(기름)와 메탄(천연가스)의 추출/정제에도 이용될 수 있음 (김민섭 주)

* CCS : Carbon Capture and sequestration

○ 이산화탄소를 포집하는 기술로는 액상흡수제를 이용한 습식포집기술, 고체 흡수제를 이용한 건식포집기술, 필름과 같은 얇은 막을 이용하는 분리막 포집기술이 있습니다.

○ 발전소, 제철소와 같이 이산화탄소 대량 배출원에 적용하게 되는 동 기술은 고온과 다량의 수분이 존재하는 극한조건하에서도 포집효율이 낮아지지 않는 것이 연구개발의 핵심과제입니다.

○ 기존에 연구되었던 건식흡수제인 MOF(Metal Organic Framework)나 제올라이트의 경우는 수분 조건에서 불안정하거나 합성이 비싸다는 단점이 존재하였습니다.

연구팀이 이번에 개발한 흡수제는 건식흡수제로서, ‘아조-코프(Azo-COP)’라고 명명하였는데 값비싼 촉매 없이도 합성이 가능하여 제조비용이 매우 저렴하며, 고온 및 수분 조건에서도 안정한 특성을 나타내었습니다.

○ 코프(COP)는 간단한 유기분자들을 다공성 고분자형태로 결합시킨 구조체로 동 연구팀이 처음으로 개발한 건식 이산화탄소포집물질

○ 연구팀은 이물질에 ‘아조(Azo)’라는 기능기를 추가로 도입함으로써 질소를 배제하고 혼합기체 중에서 이산화탄소만을 선택적으로 포집하도록 하였습니다.

○ ‘아조(Azo)'기를 포함하는 아조-코프(Azo-COP)는 일반적 합성방법을 통해 쉽게 제조하였으며, 값비싼 촉매대신 물과 아세톤 등의 용매를 사용해 불순물도 쉽게 제거함으로써 제조비용을 대폭 낮출 수 있었습니다.

특히, 아조-코프(Azo-COP)는 이산화탄소와 화학적 결합이 아닌 약한 인력을 통해 결합함으로써 흡착제 재생 에너지 비용을 혁신적으로 낮출 수 있으며,

○ 350℃ 정도의 극한 조건에서도 안정해 이산화탄소 포집제로서 활용은 물론 더욱 가혹한 환경의 다양한 분야에서 포집 물질로 활용될 것으로 기대됩니다.

CCS R&D 센터의 박상도 센터장은 “Azo-COP를 CO₂, N₂ 분리 실험에 적용한 결과 포집 효율이 수백배 향상됐다”며 “이 물질은 촉매가 필요 없고, 수분 안정성, 구조 다양성 등 우수한 화학적 특성으로 인해 앞으로 이산화탄소 포집을 비롯한 많은 분야에 활용될 것으로 기대한다”고 밝혔습니다.

연구 결과는 세계적 학술지인 ‘네이처’ 자매지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’에 1월 15일자로 게재됐습니다.

The azo linkages (blue) in the porous polymers kick out gaseous nitrogen, while trapping carbon dioxide © Ali Coskun

Scientists have developed a new class of porous polymer that can efficiently trap carbon dioxide while actively rejecting nitrogen. The new material, whose key properties rely on the presence of multiple azo (–N=N–) units within the polymer’s chemical structure, is stable at high temperatures and could be used, the researchers say, as a way to scrub power station flue gases of CO₂.

A big effort is underway globally to find efficient ways of removing carbon dioxide from flue gases. Systems that rely on chemical absorption need large amounts of energy to subsequently process the new products. Physical adsorption is more energetically attractive, but current adsorbents cannot distinguish well between CO₂ and nitrogen.

‘Post-combustion flue gases contain significant amounts of N₂ and if this is stored along with CO₂ then we would need at least six times more storage space,’ says research team member Ali Coskun, of the Korea Advanced Institute of Technology in Daejon, South Korea.

In an effort to address this problem, the team coupled the nitro aromatic compound tetrakis(4-nitrophenyl)methane with a range of different amines to create azo-linked covalent organic polymers – azo-COPs. These nanoporous compounds adsorb CO₂ while refusing to accommodate N₂. At 50˚C, for example, almost 300 times more CO₂ is adsorbed than N₂. The compounds remain stable and retain their efficiency at high temperatures, and can be easily regenerated by reducing the pressure to release trapped CO₂ for sequestration, Coskun says. The presence of the azo groups is almost certainly responsible for both the adsorption of the CO₂ and the rejection of the N₂, with unpaired electrons acting as ‘bait’ for the CO₂, whilst the twin nitrogen atoms of the azo unit repel molecular nitrogen.

The current compounds are expensive, Coskun concedes. ‘But we are currently working on inexpensive polymers where azo units are installed on affordable alternatives.’

Experts in the field are intrigued by the work but say more questions need to be answered. ‘An excellent concept,’ says Trevor Drage of the University of Nottingham in the UK. ‘A key future study would be to see if the phenomenon of increased selectivity or N₂ phobicity still occurs in the presence of moisture. Previous studies have shown that sorption of water onto the surface of microporous polymers can significantly alter their affinity to CO₂.’ Drage also says that while the selectivity is high, the adsorption capacity compared to other adsorbents is relatively low.

Andy Cooper at the University of Liverpool in the UK says: ‘To me, it is a little unclear to what extent these materials are truly “N₂-phobic” – but they do seem to adsorb relatively less N₂ as temperature is increased, and attaining persistent selectivity for CO₂ over N₂ at higher temperatures is certainly of practical importance.’ Cooper agrees with Drage that the question of water vapour also needs to be looked at.

References

H A Patel et al, Nat. Commun., 2013, DOI: 10.1038/ncomms2359

간단 리뷰

• 김민섭,  「지구온난화(온실효과)의 주범, 이산화탄소 포집체 개발과 CCS의 예」, 『초록별과 그린 라이프』, 2016년 10월 4일.
  

        *. 김민섭 - 유전공학 및 예방의학(대체의학) 박사

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