"까다로운 에틸렌·에탄 분리, MOF 결정구조 '재구성'으로 해결"

금속-유기 골격체(MOF)의 결정구조를 재구성해 에틸렌과 에탄을 효과적으로 분리할 수 있는 기술이 개발됐다.

한국연구재단은 서강대 이종석 교수 연구팀이 MOF 소재의 일종인 'ZIF-8'의 결정 구조를 의도적으로 무너뜨린 후 필요한 부분만 다시 형성하는 전략으로 에틸렌과 에탄을 분리하는 기술을 개발했다고 29일 밝혔다.

이종석 서강대 교수. 한국연구재단

MOF는 금속 이온과 유기 분자가 규칙적으로 연결돼 나노미터(㎚) 크기의 미세 구멍을 형성하는 다공성 소재다. 분자 크기에 따라 기체를 선택적으로 통과시킬 수 있어 분리막 소재로 주목받는다.

에틸렌은 플라스틱과 각종 화학제품의 핵심 원료다. 생산 과정에서 에탄이 함께 만들어져 이를 분리하는 공정이 필수다.

문제는 에틸렌과 에탄의 분자 크기와 물리적 성질이 유사해 분리가 쉽지 않다는 점이다. 그간 이들 물질을 분리하는 데는 저온 증류 공정이 주로 쓰였지만, 고에너지가 요구되는 단점이 있었다.

ZIF-8는 이런 단점을 해결하기 위한 대안으로 분리막 연구 역시 활발하게 진행된다. 하지만 ZIF-8은 기체 분자가 접근하면, 기공이 넓어지는 현상으로 크기가 비슷한 에틸렌과 에탄을 정밀하게 분리하는 데 한계를 보인다.

연구팀은 ZIF-8의 결정을 의도적으로 흐트러뜨린 후 필요한 결정만 되살리는 역발상으로 기존의 문제를 해결했다. ZIF-8을 포름산으로 처리해 금속과 유기 분자 사이의 결합을 일시적으로 끊어 규칙적인 결정구조를 흐트러뜨린 후 열과 압력을 가해 비정질 구조 내부에서 ZIF-8 결정이 다시 자라나도록 하는 원리다.

이런 과정을 거쳐 형성된 결정 영역은 분자를 선택적으로 통과시키는 역할을 한다. 또 비정질 영역은 결정 사이의 불필요한 이동 통로를 막아줘 두 구조의 장점을 하나의 분리막에서 구현하는 게 가능했다는 것이 연구팀의 설명이다.

2-메틸이미다졸의 첨가량을 조절해 결정 영역의 크기와 비정질 영역의 비율을 정밀하게 조정, 기체가 이동하는 경로 자체를 재설계하는 게 가능하다는 것도 확인했다. 2-메틸이미다졸은 ZIF-8을 만드는 핵심 재료로 아연 이온과 결합해 ZIF-8의 골격 자체를 구성하는 역할을 한다.

특히 이번 연구에선 결정과 비정질이 맞닿는 계면이 ZIF-8의 과도한 기공 열림을 억제해 크기가 매우 비슷한 에틸렌을 빠르게 통과시키고, 에탄의 이동은 상대적으로 제한하는 효과를 강화했다.

이 교수는 "MOF 결정을 재설계하는 역발상이 기존 문제를 해결하는 데 실마리가 됐다"며 "연구팀이 개발한 기술은 향후 차세대 석유화학 분리 기술발전과 제논·크립톤 등 기존 기술로는 분리하기 어려운 다른 기체에도 확장해 적용할 수 있을 것"이라고 말했다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr