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KAIST 생명화학공학과 고동연 교수 연구팀이 이산화탄소를 활용한 신개념 고체 탄산화 시스템을 개발했다. 이 시스템을 거치면 이산화탄소가 건설소재를 사용되는 고체 탄산염이 된다.

연구팀이 개발한 이 시스템은 중공사막(가운데가 비어있는 형태의 막으로, 인공 신장 투석기나 정수기 등의 여과재로 사용된다) 형태의 ‘초투과성 분리막’을 이용해 연속적으로 이산화탄소 포집과 전환이 가능하기 때문에 탄소 배출량을 대량으로 줄일 수 있다.

전세계는 이산화탄소 처리에 대한 고민이 크다. 탄소배출권 가격은 점차 상승함에 따라 산업계는 이산화탄소 배출 비용에 대한 부담을 크게 안고 있다. 때문에 이산화탄소를 산업 부산물과 반응시켜 부가가치가 있는 물질로 전환하는 데 관심이 쏠리고 있다.

특히, 이산화탄소를 탄산칼슘 등의 고체 탄산염으로 전환해 건설 소재로 이용하는 기술은 전 세계 시장에서 2030년까지 연간 약 1조 달러의 수익을 창출할 것으로 예상되며, 배출되는 이산화탄소를 연간 약 30~60억 톤 감축할 수 있는 기술로 주목받고 있다.

고동연 교수팀이 개발한 고체 탄산화 기술은 이산화탄소와 알칼리 금속(칼슘, 마그네슘)의 자발적 결정화 반응을 이용하는 일종의 자연모방 기술이다. 이 기술은 이산화탄소를 가장 안정된 탄소 저장체인 고체 탄산염(CaCO3, MgCO3)으로 전환하는 기술이다.

고체 탄산염은 건설·토목 소재, 제지산업, 고분자, 의약, 식품, 정밀화학 분야에 활용할 수 있다. 결과적으로 고 교수팀이 개발한 기술을 활용하면 이산화탄소 배출량을 대폭 줄일 수 있다.

▲미세다공성 고분자 중공사막 모듈을 이용한 광물탄산화 공정을 보여주는 모식도: 연도기체가 고분자막의 중공 측으로 주입되면 막을 가로질러 전달된 이산화탄소가 고분자막의 바깥에서 알칼리 용액과 만나 탄산염을 생성한다.

▲고분자 중공사막의 구조: 중공사막은 이산화탄소가 빠르게 투과하도록 하기 위해 내부의 다공성 영역을 얇은 두께의 층이 감싸고 있는 이중구조로 제조됐다. 질소 대비 이산화탄소의 높은 선택성은 밀도가 높은 선택층에서 기인한다.

고 교수팀은 우선 미세다공성 고분자로 이뤄진 초투과성 분리막 기술을 통해 기존 공정 유닛보다 5 ~ 20배가량 작은 부피로 기존 공정 대비 50% 이상 뛰어난 물질전달 효율을 갖는 고체 탄산화 시스템을 구현하는 데 성공했다.

연구팀은 또 미세다공성 고분자를 속이 빈 실과 같은 중공사막 형태로 가공해 모듈화할 수 있는 기술을 확보했다. 이렇게 제조된 초투과성 중공사막 모듈에 이산화탄소/질소 혼합 기체를 흘려보내면 이산화탄소만 선택적으로 빠르게 분리막을 가로질러 중공사막 외부의 알칼리 이온과 반응해 순간적으로 탄산염을 생성하는 원리를 연속식 모듈로 구현했다.

고 교수팀이 개발한 기술은 부피 대비 표면적이 기존 시스템보다 수 배 이상 높아 매우 높은 공간 효율성을 갖는 분리막 모듈의 특성을 이용해 장시간의 연속 공정이 가능한 게 특징이다.

한편, 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘ACS 서스테이너블 케미스트리 앤드 엔지니어링’ 10월호에 실렸다.