동아대, CO₂ 85% 잡고 수소 94% 회수하는 공정 개발

하이드레이트 결정구조 2단계 제어
CO₂·H₂ 최종 순도 각각 91%
국제학술지 ‘CEJ’에 연구 게재

동아대 사정훈 교수 연구팀이 개발한 가스 하이드레이트 기반 2단계 기체 분리공정 모식도.(자료=동아대학교 제공)

이산화탄소를 포집하면서 고순도 수소까지 회수할 수 있는 2단계 기체 분리 기술이 개발됐다.

동아대학교 화학공학과 사정훈 교수 연구팀은 KAIST 이재우 교수팀과 공동으로 서로 다른 가스 하이드레이트 결정구조를 순차적으로 형성하는 분리공정을 제안했다.

최적 조건에서 이산화탄소(CO₂)는 순도 91%, 회수율 85%를 기록했다. 수소(H₂)는 순도 91%와 회수율 94%를 달성했다.

수소 생산 과정에서는 CO₂가 함께 발생한다. 탄소포집과 청정수소 생산을 연계하려면 CO₂를 제거하는 동시에 수소의 순도와 회수율을 높이는 기술이 필요하다.

연구팀은 물 분자가 만든 결정 내부에 기체를 선택적으로 가두는 가스 하이드레이트의 특성을 활용했다. CO₂와 H₂가 결정 안에 포집되는 정도가 다르다는 점을 이용해 두 기체를 분리하는 방식이다.

기존 단일단계 기술은 포집된 CO₂의 순도를 높이더라도 상당량이 기체 상태로 남아 순도와 회수율을 함께 끌어올리는 데 어려움이 있었다.

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 성질이 다른 sI과 sII 하이드레이트를 두 단계에 걸쳐 사용했다.

첫 단계에서는 sII 하이드레이트를 먼저 만든 뒤 이를 씨앗으로 삼아 CO₂ 선택성이 높은 sI 구조의 형성을 촉진했다. 이 과정에서 하이드레이트 내부에 포집된 CO₂ 순도는 99% 이상으로 높아졌다.

두 번째 단계에서는 남아 있는 CO₂를 추가로 하이드레이트에 가두고 H₂는 기체 상태로 농축했다. 이를 통해 최종적으로 두 기체의 높은 순도와 회수율을 동시에 확보했다.

두 단계 모두 소수성 표면처리 실리카를 넣은 고정층 반응기를 사용했다. 별도의 기계적 교반장치 없이도 하이드레이트 형성을 촉진하도록 설계했다.

연구에는 동아대 김도연·정시윤 석사과정생과 KAIST 김광범 박사과정생이 참여했다.

논문은 'Advanced two-stage pre-combustion capture facilitated by structural specific formation of sI and sII clathrate hydrates'라는 제목으로 국제학술지 'Chemical Engineering Journal'에 실렸다. 이 학술지의 피인용지수는 12.5이며 학술지인용보고서 상위 4%에 해당한다.

사정훈 교수는 결정구조별 장점을 단계적으로 이용해 기존 공정의 한계를 보완했다며 탄소포집과 청정수소 생산을 잇는 기체 분리 기술로 발전할 가능성이 크다고 설명했다.

이번 연구는 한국연구재단과 한국기초과학지원연구원, 선도연구센터(ERC), 한국산업기술기획평가원, 대학기초연구소지원사업(G-LAMP)의 지원을 받아 수행됐다.

부산=김성욱 기자