新나노입자 개발…분리막 제작 성공해 열 소비 없는 체거름 방식…석유화학공정 에너지 절감 기대 서강대학교 이종석 교수 연구팀이 크기 차이가 0.02나노미터에 불과한 에틸렌/에탄 기체 분자를 체거름으로 분리 가능한 새로운 나노입자 Sogang ZIF-8(SZIF-8)를 개발했다고 한국연구재단은 13일 밝혔다. 또한 이를 이용한 분리막 제작에도 성공했다고 덧붙였다.석유화학산업의 핵심 원료인 에틸렌은 원유에서 추출한 나프타를 고온에서 분해한 후 냉각, 압축, 분리하는 과정을 통해 생산된다. 크기와 끓는점이 유사한 올레핀과 파라핀을 분리하는 고압액화증류공정은 전체 석유화학 생산공정의 40%에 해당하는 막대한 에너지(100 트릴리언 Btu/yr가 소모돼 매우 에너지 집약적이다.전 세계가 탄소중립 사회로의 전환을 준비하는 가운데, 이산화탄소 배출량 절감이 가능한 ‘분리막 기술’이 주목받고 있다. 특히 ZIF-8(제올라이트 이미다졸레이트 골격체-8) 기반 분리막 소재는 기공 크기가 4.2 옹스트롱(Å,1Å=0.1nm)으로 프로필렌/프로판 분리에 적합하지만, 크기가 더 작은 에틸렌/에탄 분리에는 보다 정교한 기공 제어기술을 요구한다. ZIF-8는 징크 금속이온과 2-메틸이미다졸 유기리간드 간 배위 결합으로 이루어진 다공성 나노 물질로 비표면적이 넓고 세공 부피가 커 흡착제 등 다양한 분야에 널리 활용되고 있다.연구팀은 체계적인 입자 설계와 신규 나노 합성법을 통해 용액상에서 ZIF-8 구조에 세 종류의 유기리간드를 동시에 도입한 신규 Sogang ZIF-8(SZIF-8)나노입자를 개발했다고 했다.또한, 신규 SZIF-8 나노입자로 제작한 하이브리드 분리막이 ZIF-8을 포함한 기존 하이브리드 분리막 보다 약 87% 향상된 에틸렌/에탄 선택도를 나타냄을 확인했다고 전했다.SZIF-8 나노입자는 ZIF-8에 비해 골격체가 더욱 단단해 체거름 기능이 우수해 에틸렌/에탄 선택도를 높인 하이브리드 분리막 제조가 가능하다.

新나노입자 개발…분리막 제작 성공해

열 소비 없는 체거름 방식…석유화학공정 에너지 절감 기대

기사입력 2022-11-14 11:11:08

[산업일보]
서강대학교 이종석 교수 연구팀이 크기 차이가 0.02나노미터에 불과한 에틸렌/에탄 기체 분자를 체거름으로 분리 가능한 새로운 나노입자 Sogang ZIF-8(SZIF-8)를 개발했다고 한국연구재단은 13일 밝혔다. 또한 이를 이용한 분리막 제작에도 성공했다고 덧붙였다.

석유화학산업의 핵심 원료인 에틸렌은 원유에서 추출한 나프타를 고온에서 분해한 후 냉각, 압축, 분리하는 과정을 통해 생산된다. 크기와 끓는점이 유사한 올레핀과 파라핀을 분리하는 고압액화증류공정은 전체 석유화학 생산공정의 40%에 해당하는 막대한 에너지(100 트릴리언 Btu/yr가 소모돼 매우 에너지 집약적이다.

전 세계가 탄소중립 사회로의 전환을 준비하는 가운데, 이산화탄소 배출량 절감이 가능한 ‘분리막 기술’이 주목받고 있다. 특히 ZIF-8(제올라이트 이미다졸레이트 골격체-8) 기반 분리막 소재는 기공 크기가 4.2 옹스트롱(Å,1Å=0.1nm)으로 프로필렌/프로판 분리에 적합하지만, 크기가 더 작은 에틸렌/에탄 분리에는 보다 정교한 기공 제어기술을 요구한다.

ZIF-8는 징크 금속이온과 2-메틸이미다졸 유기리간드 간 배위 결합으로 이루어진 다공성 나노 물질로 비표면적이 넓고 세공 부피가 커 흡착제 등 다양한 분야에 널리 활용되고 있다.

폴리이미드 고분자와의 우수한 계면 친밀성을 지닌 SZIF-8 나노입자 기반 하이브리드 기체분리막
(그림설명 및 그림제공: 서강대학교 이종석 부교수)

(1) 폴리이미드 고분자 구조 내 작용기와 신규 SZIF-8 나노입자 간 화학적 상호작용 모식도: 양전하를 띄는 2,4-다이메틸이미다졸과 음의 전하를 띄는 고분자 구조 내 작용기 간 강화된 화학적 상호작용을 의미한다.

(2) 20 wt%의 SZIF-8 나노입자를 포함하고 있는 하이브리드 분리막의 주사현미경 단면 사진

(3) 개발된 하이브리드 분리막을 구성하는 폴리이미드 고분자 사슬 내 음의 전하를 띄는 ?C=O (카보닐기) 및 ?CF3 (트리플루오로메틸기)의 푸리에 변환 분광학 분석: 높은 파장대 (Wavenumber)를 나타낼수록 강화된 계면 친밀성을 의미한다.

(4) 강화된 계면 친밀성으로 인해 Young’s modulus (영률)과 Hardness (경도)가 획기적으로 향상된 하이브리드 분리막

연구팀은 체계적인 입자 설계와 신규 나노 합성법을 통해 용액상에서 ZIF-8 구조에 세 종류의 유기리간드를 동시에 도입한 신규 Sogang ZIF-8(SZIF-8)나노입자를 개발했다고 했다.

또한, 신규 SZIF-8 나노입자로 제작한 하이브리드 분리막이 ZIF-8을 포함한 기존 하이브리드 분리막 보다 약 87% 향상된 에틸렌/에탄 선택도를 나타냄을 확인했다고 전했다.

SZIF-8 나노입자는 ZIF-8에 비해 골격체가 더욱 단단해 체거름 기능이 우수해 에틸렌/에탄 선택도를 높인 하이브리드 분리막 제조가 가능하다.