공기 중 0.04% CO₂, 영하 10도에서도 잡는다…韓 흡착제 개발[과학을읽다]

고려대, 실제 장치 적용 가능한 펠렛형 흡착제 개발
저온·습도 환경서 성능 유지…직접공기포집 상용화 가능성 높여

대기 중에 불과 0.04%밖에 없는 이산화탄소(CO₂)를 영하 10도의 추운 환경에서도 직접 포집할 수 있는 기술이 개발됐다. 가루 형태의 흡착제를 실제 장치에 넣기 쉬운 알갱이 형태로 만들고 다양한 온도와 습도에서도 성능이 유지되는 것을 확인해 직접공기포집(DAC) 기술의 현장 적용 가능성을 높였다.

고려대학교는 강용태 기계공학부 교수 연구팀이 실리카 나노입자에 탄소나노튜브(CNT)와 아민을 결합한 펠렛형 CO₂ 흡착제를 개발했다고 19일 밝혔다.

CO2 펠렛 흡착제의 대량생산과 저온 직접공기포집 시스템 평가 개요. 영하 환경에서도 성능이 검증되고 대량생산이 가능하며, 에너지 효율이 높은 직접공기포집용 펠렛 흡착제다. 연구팀 제공

탄소중립을 위해서는 공장이나 발전소처럼 CO₂가 많이 배출되는 곳에서 탄소를 포집하는 것뿐 아니라 이미 대기 중에 퍼진 CO₂를 제거할 필요가 있다. DAC는 대형 팬으로 공기를 빨아들인 뒤 CO₂만 선택적으로 포집·분리하는 기술이다.

문제는 대기 중 CO₂ 농도가 약 0.04%, 400ppm에 불과하다는 것이다. 극히 적은 양의 CO₂를 선택적으로 붙잡아야 하고, 포집한 CO₂를 떼어내 흡착제를 다시 사용하는 '재생' 과정에 필요한 에너지도 줄여야 경제성을 확보할 수 있다.

연구팀은 CO₂를 선택적으로 포집하는 아민과 탄소나노튜브를 실리카 나노입자에 결합했다. 탄소나노튜브는 뼈대처럼 흡착제의 구조를 강화하는 동시에 열과 CO₂가 이동하는 것을 돕는다.

특히 탄소나노튜브와 실리카 나노입자가 스스로 얽혀 지지 구조를 형성하는 '자가조립' 방식을 이용했다. 별도의 접착제를 사용하지 않고도 가루 소재를 일정한 크기의 알갱이인 펠렛으로 만들 수 있다. 분말 상태의 흡착제를 실제 DAC 장치에 적용할 때 발생할 수 있는 소재 유실이나 압력 손실 등의 문제를 줄이기 위한 것이다.

영하 10도·습도 변화에도 성능 유지

연구팀은 영하 10도부터 영상 20도까지 온도와 습도를 바꿔가며 흡착제의 성능을 검증했다. 그 결과 반복적인 CO₂ 흡착과 재생 과정에서도 펠렛의 형태와 성능이 안정적으로 유지됐다. 재생 후에는 CO₂ 포집 성능도 회복됐다.

흡착 소재 자체의 성능을 확인하는 데 그치지 않고 실제 환경 변화에 따른 성능 예측 모델과 시스템 에너지 평가까지 진행했다. 지역과 계절에 따라 달라지는 온도와 습도를 고려해 DAC 장치의 운전 조건을 설정하고 소재와 공정을 함께 최적화하는 데 활용할 수 있다는 게 연구팀의 설명이다.

연구팀 사진. 강용태 고려대 기계공학부 교수(왼쪽, 교신저자), 서영환 박사과정(제1저자). 고려대 제공

다만 실제 상용화까지는 추가 연구가 필요하다. 연구팀은 CO₂를 흡착제에서 떼어내는 탈착 온도를 낮추고 열 회수 기술을 적용해 재생에 필요한 에너지를 줄일 계획이다. 빛을 열로 바꾸는 광열전환 기술로 재생열을 공급하는 방안도 연구한다. 장기간 반복 운전과 실제 야외 환경에서의 실증도 추진할 예정이다.

강용태 고려대 교수는 "성능이 좋은 가루 소재를 만드는 데서 한 걸음 더 나아가 실제 장치에 적용할 수 있는 형태로 만들고 저온·습도 환경에서 운전한 뒤 에너지 사용까지 연결해 평가했다는 데 의미가 있다"며 "앞으로 재생에 필요한 열을 줄이고 장기 실증을 확대해 다양한 기후에서 활용 가능한 직접공기포집 기술로 발전시키겠다"고 말했다.

연구 결과는 응용화학 분야 국제학술지 '저널 오브 에너지 케미스트리(Journal of Energy Chemistry)' 119권에 게재됐다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr