이산화탄소를 안전하게 포획하는 마이크로캡슐

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-02-09

대부분의 식료품점에서 판매되는 것과 같은 베이킹 소다(baking soda)를 사용함으로써, 로렌스 리버모어(Lawrence Livermore) 과학자, 하버드대학(Harvard University) 및 일리노이대학(University of Illinois at Urbana-Champaign) 과학자들은 이산화탄소 포획 분야에서 큰 진보를 이루어냈다. 연구팀은 코어-쉘 마이크로캡슐(core-shell microcapsules)을 이용해 이산화탄소를 포획하는 방법을 개발하였으며, 이 마이크로캡슐은 매우 투과성이 높은 고분자 쉘과 이산화탄소와 반응하여 흡수할 수 있는 탄산나트륨(sodium carbonate) 용액으로 구성되어 있다. 탄산나트륨은 베이킹 소다의 주요 성분으로 잘 알려져 있다. 이 캡슐은 액체를 코어 내에 유지시키면서 이산화탄소 기체가 캡슐의 쉘을 전후로 통과할 수 있도록 허용한다. 지금까지 마이크로캡슐은 약물, 식품의 향, 화장품 등에 사용하는 물질의 운반 및 방출을 조절하는데 사용되어 왔지만, 이산화탄소의 포획과 방출에 활용된 것은 이번 연구가 처음이다. 이산화탄소 포획의 목적은, 발전소가 산업의 각 분야에서 화석연료 사용에 따라 대기로 방출되는-열을 가두어 지구의 온도를 높이는- 온실가스인 이산화탄소가 대량으로 방출하는 것을 억제하는 것이다. 그러나 현재 사용되는 방식은 비록 성공적일지라도 환경에 유해할 수 있다. 이산화탄소 포획을 위한 사용되는 모노에탄올아민(monoethanol amine)과 같은 부식성 유체를 사용하지 않고, 환경에 덜 해로운 카보네이트와 같은 물질을 사용하고자 하는 것도 연구팀의 목적 중 하나이다. 로렌스 리버모어 팀의 Roger Aines에 따르면, 본 방법은 각 가정에서 사용되는 단순한 베이킹 소다를 활성 화학물질로 사용해 환경에 대한 유해성을 감소시켰다는 점에서 큰 진보를 이룬 것이라고 평가하고 있다. 또한 화학물질 자체도 덜 유해하고 항상 캡슐화되어 있기 때문에 부식 측면에서도 개선된 셈이다. 캡슐 내에 탄산나트륨을 주입하면 발전소 내의 장비 표면과 직접적인 접촉 없이도 이산화탄소를 포획할 수 있을 뿐만 아니라, 손쉽게 흡수 및 방출 타워 간에 이동도 용이해진다. 이산화탄소 포획에 사용되던 부식성이 높은 흡수체와는 달리, 마이크로캡슐은 단지 목적하는 기체와만 반응을 일으킨다. 캡슐화를 통해 동일한 플랫폼으로 고체 및 액체 상태의 포획물질이라는 이점을 동시에 활용할 수가 있다고 하버드대학 Jennifer Lewis는 밝혔다. 본 연구결과는 Nature Communications ("Encapsulated liquid sorbents for carbon dioxide capture")지 2월 5일자에 게재되었다. 또한 캡슐화를 통해 기존의 이산화탄소 포획 기술에 비해 흡수를 크게 증가시킬 수 있다. 이는 표면적에 관한 것으로, 캡슐은 베이킹 소다를 작은 방물 형태의 캡슐 내에 유지시키며 더 많은 이산화탄소와 접촉할 수 있다. Aines에 의하면, 이는 새로운 포획 프로세스를 필요로 할 것이며 그 프로세스는 현재 리버모어 연구소와 NETL(National Energy Technology Laboratory)이 공동 연구 중에 있다. 캡슐화 프로세스는 에너지부의 Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E)의 독창적인 탄소포획 프로젝트의 일환으로 이미 개발되었다.이 새로운 프로세스는 석탄 혹은 천연가스를 이용하는 화력발전소뿐만 아니라 제철 및 시멘트 생산공장에서도 이용할 수 있도록 설계될 수 있다. 이 기술은 탄소 포획을 위한 단기적인 해법이 아니며, 더 포괄적이고 지속가능한 방법이다. 이 프로세스에서 사용되는 탄산나트륨은 국내 생산이 가능하며, 현재의 기술에서와 같은 복잡한 화학 프로세스를 필요로 하지도 않는다. 게다가 베이킹 소다는 재활용 및 분해에 대한 문제점이 없다. 탄산나트륨은 영원히 재사용이 가능한 반면, 아민은 분해되기 위해서 수 개월 혹은 수 년의 기간이 필요하다. 이 마이크로캡슐 기술은 환경 문제를 줄이면서도 효율적으로 이산화탄소를 포획할 수 있는 새로운 방법을 제시하고 있다. 전 세계에서 방출되는 이산화탄소를 포획하는 것은 큰 작업이다. 안전성과 지속가능성에 대한 대중의 확신과 더불어 다양한 이산화탄소 발생원에 적용할 수 있는 기술이 필요한 시점이다. 그림 1> 물에 담그기 전 후의 30wt%의 탄산 나트륨을 포함하고 있는 고분자 마이크로캡슐의 광학 영상. 마이크로캡슐은 파괴되지 않고 지름이 4배 증가된 상태까지 팽윤될 수 있다. 스케일 바의 크기는 500 마이크로미터. 그림 2> Thymol로 염색된 3wt% 탄산칼륨을 포함하고 있는 실리콘 마이크로캡슐의 광학 사진으로, 온도 변화를 (a)1회 및 80회 준 후의 영상이다. (b) 마이크로캡슐에 노출된 기체의 시간에 따른 온도 변화를 보여주는 그래프이다. 1-microcapsule.jpg 2-optical image.jpg http://www.nanowerk.com/news2/green/newsid=38956.php