바이오연료, 석유 공정 향상을 위한 물질 규명

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-01-29

미국 미네소타대학교 연구진은 세계에서 가장 큰 슈퍼 컴퓨터 중 하나를 이용해, 에탄올과 석유 제품의 생산을 향상시킬 수 있는 잠재 물질을 규명하는데 성공하였다. 이번 발견은 관련 산업의 주요 효율 및 비용 절감을 이끌어 내는데 도움이 될 것으로 보인다. 미네소타 대학교에서는 해당 기술에 대한 특허권을 신청하였으며, “Nature Communications” 최신호에 관련 내용을 발표하였다. 석유화학 및 바이오연료 정제산업(리파이너리)에서는 제올라이트라는 물질이 사용된다. 분자 여과기와 같은 제올라이트는 화합물을 분류, 여과, 채집하는 역할을 하며, 석유 기반 또는 재생 원료로부터 연료 및 화학 원료물질을 생산하고 개질하기 위해 필요한 화학반응의 촉매 반응을 유도한다. 현재까지 알려진 제올라이트는 200개 이상이며, 예측되는 제올라이트 변형체는 수백, 수천 개에 이를 것으로 보인다. 바이오연료와 석유화학 공정 개선을 위한 핵심은 최고 성능의 제올라이트는 찾는 것이다. 불행하게도, 연구실 규모에서 새로운 제올라이트를 합성하는 것은 시간이 오래 걸리고 복잡한 공정을 요구한다. 하나의 제올라이트를 합성하는데 수 개월의 시간이 소요되게 된다. 이미 알려져 있고, 예측가능한 제올라이트 구조체 모두를 분석하는 작업만으로도 수십 년이 필요하다. 미네소타대학교와 라이스대학교 연구진은 가상 세계에서 수천 개의 제올라이트를 살펴볼 수 있는 복합 컴퓨터 스크리닝 프로세스를 개발하는데 성공하였다. 이를 통해 각 응용 조건별 성능을 규명할 수도 있게 돼, 연구실에서의 시행착오 기간을 상당 부분 줄일 수 있게 된다. Ilja Siepmann 박사는 “Argonne국립연구소의 슈퍼 컴퓨터를 이용하여, 수십 년이 걸릴 실험실 연구를 하루 정도의 컴퓨터 연산 능력으로 압축할 수 있는 컴퓨터 시뮬레이션을 구축할 수 있었다”고 설명하였다. 제올라이트 성능 예측에는 상당한 연산 능력, 효율적인 컴퓨터 알고리즘, 분자 간의 정확한 상관관계 정보가 필요하다. 연구진은 약 800,000 프로세서가 장착된 슈퍼 컴퓨터 Mira를 이용하여, 단일 프로세스 컴퓨터로 1000만 시간이 소요될 연산을 하루로 단축하였다. 이를 통해 두 가지 복잡한 문제를 공략할 수 있는 제올라이트를 규명하는데 성공하였다. 일차적으로, 현재 바이오연료 생산에서 마주치게 되는 다단계 에탄올 정제 공정의 문제점은 에탄올에 포함된 수분함량이다. 연구진은 공극과 채널을 포함하고 있는 고성능 실리카 제올라이트를 통해 에탄올 분자는 포집하지만 물분자의 수소 결합은 회피할 수 있도록 하였다. 미네소타대학교에서 합성한 후 시험을 거친 제올라이트 중 하나가, 에탄올/물 분리를 위한 다단계 정제 공정을 단일 흡착 공정으로 전환시킬 수 있는 효과적인 잠재적을 가지고 있음이 밝혀졌다. 유사한 제올라이트 성분 물질 또한 바이오연료와 석유화학 산업 내 분리 공정에 응용 잠재력이 높은 것으로 나타났다. 두 번째 문제점은, 석유 화합물을 고부가가치의 윤활유 및 디젤 생산물로 개질할 수 있도록 하는 것이다. 연구진은 선형 긴사슬 구조를 측쇄 탄화수소 분자, 즉 알칸 구조로 전환하는 탈랍 공정을 향상시키는 제올라이트 조직을 규명하는데 성공했다. 알칸 구조는 윤활유와 기타 석유화학 제품의 유동점 및 점성 특성에 영향을 미친다. 연구진은 이러한 생산품 제조와 같은 복잡한 혼합물에 적용하는 적절한 흡착제와 촉매를 규정짓는 것을 “급선무로 중요하다”고 설명하면서도, 이것이 해결하기 가장 어려운 문제 중 하나라고 덧붙였다. 150126112356-large.jpg http://www.sciencedaily.com/releases/2015/01/150126112356.htm