동아대 연구팀, 가스 하이드레이트 활용 탄소·수소 분리기술 제시

CO₂ 회수율 85%·H₂ 회수율 94% 확보

동아대 연구진이 가스 하이드레이트의 결정구조를 단계적으로 제어해 이산화탄소를 포집하면서 고순도 수소를 동시에 회수할 수 있는 새로운 기체 분리공정을 개발했다.

동아대학교는 화학공학과 사정훈 교수 연구팀이 KAIST 이재우 교수팀과 공동으로 '2단계 기체 분리공정'을 개발했다고 29일 전했다.

이번 연구 결과는 'Advanced two-stage pre-combustion capture facilitated by structural specific formation of sI and sII clathrate hydrates'라는 제목으로 화학공학 분야 국제학술지 'Chemical Engineering Journal'(IF 12.5, JCR 상위 4%)에 최근 게재됐다.

연구에는 동아대 김도연·정시윤 석사과정생과 KAIST 김광범 박사과정생도 참여했다.

탄소중립 사회로의 전환을 위해서는 수소 생산 과정에서 발생하는 CO₂를 효과적으로 분리·포집하는 기술이 중요하다. 특히 CO₂를 제거하면서 수소를 높은 순도로 회수할 수 있다면 탄소포집과 청정수소 생산을 하나의 공정에서 연계할 수 있다는 점에서 관련 기술 개발이 주목받고 있다.

연구팀은 물 분자가 형성하는 미세한 결정구조 내부에 특정 기체를 선택적으로 가두는 가스 하이드레이트 원리에 주목했다. 가스 하이드레이트는 물을 주성분으로 하며, CO₂와 H₂가 결정 내부에 포집되는 정도가 서로 다른 특성을 갖는다.

기존 단일단계 공정의 경우 높은 CO₂ 순도를 확보하더라도 상당량의 CO₂가 기체상에 남아 CO₂ 순도와 회수율을 동시에 높이는 데 한계가 있었다.

이에 연구팀은 서로 다른 특성을 가진 두 종류의 하이드레이트 결정구조인 sI과 sII를 순차적으로 활용하는 2단계 분리공정을 제안했다.

1단계에서는 sII 하이드레이트를 먼저 형성한 뒤 이를 '씨앗'으로 활용해 CO₂ 선택성이 높은 sI 하이드레이트의 성장을 촉진했다. 이를 통해 포집된 내부 CO₂의 순도를 99% 이상으로 높였다.

이어 2단계에서는 잔여 CO₂를 추가로 하이드레이트에 포집하는 동시에 H₂를 기체상에 농축하는 방식으로 분리 효율을 높였다. 그 결과 최적 조건에서 CO₂는 85%의 회수율과 91%의 순도를, H₂는 94%의 회수율과 91%의 순도를 각각 확보했다.

특히 두 단계 모두 소수성 표면처리 실리카를 이용한 고정층 반응기를 적용해 별도의 기계적 교반 없이도 하이드레이트 형성을 촉진할 수 있도록 했다. 이에 따라 CO₂ 포집뿐 아니라 수소 회수까지 하나의 공정에서 동시에 구현할 수 있는 가능성을 제시했다.

사정훈 교수는 "이번 연구는 서로 다른 가스 하이드레이트 결정구조의 장점을 단계적으로 활용해 기존 단일단계 공정이 가진 CO₂ 순도와 회수율 사이의 한계를 극복한 연구"라며 "특히 CO₂ 포집과 함께 수소를 높은 순도와 회수율로 동시에 확보할 수 있다는 점에서 향후 탄소포집과 청정수소 생산을 연계하는 혁신적인 가스분리 기술로 발전할 가능성이 크다"고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단, 한국기초과학지원연구원, 선도연구센터(ERC), 한국산업기술기획평가원, 대학기초연구소지원사업(G-LAMP)의 지원을 받아 수행됐다.

2단계 통합 CO2 포집·고순도 수소 회수 공정.

영남취재본부 조충현 기자 jchyoung@asiae.co.kr