천연가스와 바이오가스를 사용 가능하려면 메탄 가스를 이산화탄소로부터 분리해 내야 한다. 이를 위해서 멤브레인(membrane)을 사용하는데, 이산화탄소는 멤브레인을 통과하고 메탄 가스는 통과하지 못해서 분리되는 원리이다. 벨기에 과학자는 이런 분리 과정이 훨씬 더 효과적으로 진행될 수 있는 새로운 멤브레인을 개발했다고 보고했다. 관련 연구는 Energy Environ. Sci. 에 게재되었다 (DOI: 10.1039/C7EE01872J)
천연 가스를 추출하거나 바이오 가스를 만들어낸다는 것은 모두 메탄 가스와 관련된 것이다. 그러나 메탄 가스는 순수한 형태로 만들어진 적이 없다. 예를 들어, 천연 가스에는 많은 양의 이산화탄소가 포함되어 있는데, 어떤 때는 50%에 달하기도 한다. 메탄 가스를 정제하기 위해서는 이산화탄소를 제거해야 하는데, 기업체서는 종종 멤브레인을 사용해 왔다. 이들 멤브레인은 메탄과 이산화탄소를 분리하는 분자체(molecular sieve) 역할을 한다. 메탄 가스는 열 에너지 원으로 사용될 수 있으며, 화학 물질을 생산하거나 연료로 사용될 수 있고, 이산화탄소는 재생 가능한 연료나 화학물질을 만들기 위한 빌딩 블락으로 재사용될 수 있다.
현재 사용되고 있는 멤브레인이 있지만 이산화탄소를 효과적으로 분리하기 위해서는 보다 기능을 향상할 필요가 있다고 이번 연구를 주도한 Ivo Vankelecom 박사 (KU Leuven Faculty of Bioscience Enginering)는 말한다. “효과적인 멤브레인은 이산화탄소를 가능한 많이 통과시키는 것이다. 상업적으로 이용가능한 멤브레인은 선택성과 투자율 사이에서 균형을 맞춘다: 판매되는 멤브레인은 매우 선택적이거나 매우 투과율이 좋다. 다른 중요한 문제는 또 다른 중요한 문제는 가스 혼합물에 이산화탄소가 너무 많이 포함되어 있는 경우에 멤브레인이 가소화된다는 사실이다. 이 때문에 모든 기체가 멤브레인을 통과할 수 있게 되며, 메탄 가스와 이산화탄소 분리가 되지 않는다” 라고 말했다.
가장 좋은 멤브레인은 금속-유기 프레임워크(MOF)가 필터로 포함되어 있는 고분자 매트릭스로 구성되어 있다. MOF 필터는 나노 크기의 구멍을 가지고 있다. 새로운 연구는 이런 멤브레인은 생산 과정에서 160도씨 이상에서 열을 처리하면 보다 향상된 특성을 나타낼 수 있음을 보여준 것이다. 연구팀은 고온에서 MOF 구조가 바뀌면서 보다 선택적이 되었다고 말했다. 고온 처리는 고분자-필러의 접착을 향상시켰으며, 기체 혼합물이 더 이상 필러-고분자 경계면에 있는 매우 작은 구멍을 통해 빠져나가지 못하도록 만들었다고 연구팀은 덧붙여 설명했다.
새로 개발된 멤브레인은 지금까지 보고된 것중에서 가장 선택성이 뛰어났으며, 이산화탄소의 농도가 높아도 가소화를 방지할 수 있었다고 연구팀은 주장했다.
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