이산화탄소→고순도·저비용 개미산 제조 성공…"3~5년 내 상용화 검증"

포집한 이산화탄소를 특별한 분리 공정없이 포름산(개미산)으로 바로 전환하는 기술이 개발됐다. 이 기술로 화학연료를 생산할 때 비용이 기존 시장가격 대비 절반에 불과하다는 평가가 나왔다. 한국과학기술연구원(KIST) 청정에너지연구센터 원다혜 선임연구원과 이웅 책임연구원 연구팀은 이찬우 국민대학교 교수 연구팀과 공동으로 이산화탄소를 별도 분리·정제·압축 과정없이 전기화학적으로 직접 전환해 고순도 포름산을 생산하는 통합 공정을 개발했다고 9일 밝혔다. 연구팀은 이산화탄소 포집, 전기화학적 전환, 포름산 정제를 하나로 연결한 통합 공정을 개발했다. 트리에틸아민을 사용해 이산화탄소를 물에 녹아 있는 중탄산염 형태로 포집한 뒤, 별도 분리·정제·압축 과정 없이 포집액을 전기화학 반응기에 직접 공급했다. 이산화탄소를 포름산염으로 전환하기 위해 주석과 구리를 섞은 촉매도 개발했다. 구리가 포름산염 생성에 유리한 주석 상태를 안정적으로 유지하는데 성공, 이산화탄소의 94%를 포름산염으로 전환했다. 최적의 주석-구리 촉매는 포름산염 생성 효율 60%를 나타냈다. 100시간 동안 반응 결과 2.62몰 농도의 포름산염을 생산했다. 생성된 포름산염을 고순도 포름산으로 분리하기 위해 부틸이미다졸이라는 물질을 이용한 아민 교환 공정도 개발했다. 트리에틸아민을 회수해 다시 사용하고, 포름산염을 증류하기 쉬운 형태로 바꾼 뒤 분리함으로써 최대 98중량%의 고순도 포름산을 생산했다. 연구팀은 전체 공정을 대상으로 경제성과 환경 영향을 평가한 결과 현재 전력 조건에서 포름산 생산비는 톤당 약 410달러로 분석됐다. 시장가격보다 약 50% 낮은 수준이다. 또 투자비 회수 기간은 약 6년으로 예상됐다. 온실가스 영향은 기존 전기화학적 포름산 생산공정보다 약 31% 줄일 수 있는 것으로 평가됐다. 원다혜 선임연구원은 "포집액 상태에서 바로 전환해 산업적으로 사용할 수 있는 고순도 액체 화학제품을 생산했다는 데 의미가 있다"며 "발전소와 산업시설에서 배출되는 이산화탄소를 포집해 포름산으로 전환, 가죽·섬유·고무·의약품 제조 원료로 활용은 물론 물론 향후 수소를 저장하고 운반하는 물질로도 활용될 수 있을 것"으로 기대했다. 원다혜 선임은 또 "현재는 실험실 스케일서 진행한 결과라 상용화를 위한 파일럿 단계 과제를 현재 수행중"이라며 "3~5년이면 상용화 검증 수준에 이를 것"으로 예상했다. 이웅 책임연구원은 "전기화학 반응기의 규모 확대와 장기간 연속운전 기술이 확보되면, 포집된 이산화탄소로 고순도 액체 화학제품을 생산하는 상용 공정의 기반이 될 수 있다"고 말했다. 연구는 KIST 케지아 랑지에(Kezia Langie) 학생연구원과 김창수 선임연구원, 국민대학교 안디 할얀토 화학과 박사과정 연구원이 공동 제1저자로 연구를 수행했다. 연구결과는 셀 프레스(Cell Press)에서 발행하는 국제학술지 줄(Joule, IF 37.1, JCR 분야 상위 1.3%)에 4월 온라인 게재됐다. 8월엔 표지 논문으로 선정됐다.