[충청뉴스 이성현 기자] 플라스틱과 석유화학 제품의 핵심 원료인 에틸렌을 에탄으로부터 분리·정제하는 과정에서 막대한 에너지 소비를 대폭 줄일 수 있는 혁신적인 분리막 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.
한국연구재단은 서강대 이종석 교수 연구팀이 대표적 금속-유기 골격체(MOF)인 ZIF-8의 결정구조를 의도적으로 무너뜨린 뒤 필요한 결정만 다시 자라나게 하는 역발상 기술을 개발했다고 29일 밝혔다.
금속-유기 골격체(MOF)는 금속 이온과 유기 분자가 규칙적으로 연결돼 나노미터 크기의 미세 구멍을 형성하는 다공성 소재다.
기존 ZIF-8 소재는 기체가 다가오면 기공 입구가 일시적으로 넓어지는 ‘게이트 오프닝’ 현상과 결정 사이의 미세 결함 때문에 분자 크기가 유사한 에틸렌과 에탄을 정밀하게 구별하는 데 한계가 있었다.
연구팀은 ZIF-8을 포름산으로 처리해 결합을 파괴한 후 열과 압력을 가해 비정질 구조 내부에서 결정 영역이 제자리에서 고정돼 자라나는 ‘결정–비정질 복합구조’를 구현했다.
결정 영역은 분자를 선택적으로 통과시키고 비정질 영역은 결정 간 이동 통로를 막아 투과성과 선택성을 동시에 높였다.
이번 기술을 적용한 분리막은 에틸렌 투과도 2871 배러(Barrer), 분리계수 10.1을 기록하며 기존 기술의 한계를 뛰어넘었다.
특히 9 bar의 고압 혼합가스 조건과 32일간의 장기 노화 테스트에서도 우수한 분리 성능을 유지해 실용화 가능성을 입증했다.
이종석 교수는 “결정을 보존해야 한다는 관점을 깨고 구조를 무너뜨렸다 다시 형성하는 방식을 도입했다”며 “향후 대면적 박막 및 중공사 형태로 발전시켜 에너지 소비가 큰 기존 저온 증류 공정을 보완하고 제논·크립톤 등 난이도 높은 기체 분리에도 확장해 나갈 것”이라고 설명했다.
