지스트 박영준 교수 연구팀, 연구 논문 세계락술지에 게재
이산화탄소를 활용하여 전 세계적 물 부족 현상 해결 기대
지스트(GIST, 총장 문승현) 지구·환경공학부 박영준 교수 연구팀이 지구 온난화의 주범인 이산화탄소를 이용하여 상온에서도 녹지 않는 일종의 얼음 형태인 가스 하이드레이트를 형성하고, 이를 활용하여 바닷물 속 염분을 포함한 용해 물질을 효과적으로 제거할 수 있는 새로운 방법을 제시했다.
'가스 하이드레이트'는 형성 과정에서 염화나트륨(NaCl) 등의 염분이 결정구조에서 배제되며, 고체 가스 하이드레이트를 녹일 경우 불순물이 제거된 거의 순수한 물과 이산화탄소만 남게 되어 해수 담수화 등에 활용이 가능하다.
가스 하이드레이트란 물 분자가 저온·고압의 상태에서 형성하는 고체 수화물을 말한다.
그동안 가스 하이드레이트 형성에 있어 필요한 저온 및 고압의 조건은 소요되는 에너지가 상당하여 실제 공정에 적용하는데 걸림돌이 되어 왔다.
이를 개선하기 위해 사용되는 일반적인 가스 하이드레이트 형성 촉진제는 상대적으로 상온 및 상압에 가까운 조건에서 가스 하이드레이트를 형성할 수 있으나 대부분 물에 대한 용해도가 높아 순수한 물을 얻기 위한 별도의 형성 촉진제 분리 과정이 필요하며, 이 역시 공정비용 증가가 걸림돌이 되고 있다.
지스트 연구팀은 물에 대한 용해도가 매우 낮은 고리형 탄화수소들을 이용하여 이산화탄소와 반응시켜 가스 하이드레이트를 형성하고, 이에 대한 분광학, 열역학 및 반응 속도론적 특성을 비교·분석하였다.
연구 결과, 고리형 케톤(cyclic ketone)의 일종인 사이클로펜탄온(cyclopentanone)이 지금까지 일반적으로 널리 알려진 형성 촉진제인 사이클로펜테인(cyclopentane)에 비해 각각 두 배 이상 빠른 결정 형성 속도와 높은 가스 하이드레이트 전환율을 보이는 것을 확인하였다.
고리형 케톤은 카르보닐기(基)의 탄소를 고리 안에 포함하는 고리모양 유기화합물을, 사이클로펜탄온은 탄소 원자 5개와 수소 원자 8개로 이루어진 고리형 케톤을. 사이클로펜테인은 탄소 원자 5개와 수소 원자 10개로 이루어진 고리 모양 탄화수소를 각각 말한다.
이러한 현상은 사이클로펜탄온이 가지는 친핵성 첨가반응(nucleophilic addition reaction)에 기인한 것으로써 가스 하이드레이트 형성 시 객체(guest) 분자 내 케톤 작용기에 의해 매우 독특한 형태의 수화반응 현상이 일어날 수 있음을 처음으로 규명하였다.
객체 분자란 가스 하이드레이트가 형성하는 물 분자로 만들어진 격자 공간 안에 점유되는 저분자량의 물질들(예: 이산화탄소, 사이클로펜탄온 등)이다.
지스트는 '이번 연구를 통해 제시된 형성 촉진제를 첨가할 경우, 높은 온도 조건에서도 안정적으로 가스 하이드레이트가 형성될 수 있으며 시간 대비 많은 양의 가스 하이드레이트를 형성할 수 있어 기존 가스 하이드레이트 기반 해수 담수화 공정의 기술적 단점을 상당부분 극복할 수 있을 것으로 전망된다고 밝혔다.
박영준 지스트 교수는 “전 세계적 이슈인 물 부족 현상을 해결함과 동시에 지구 온난화의 주범인 이산화탄소를 처리할 수 있다는 점에서 가스 하이드레이트 기반 해수 담수화 기술의 환경적 중요성이 매우 높아지고 있으며, 앞으로의 후속 연구를 통해 기존 기술과 결합한 하이브리드형 고효율 해수 담수화 기술을 확보할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
박영준 교수가 주도하고 홍수진(제1저자, GIST 박사과정), 문석윤(공동저자, GIST 박사과정), 이윤석(공동저자, GIST 석사과정), 이승인(공동저자, GIST대학 4학년) 연구원이 수행한 이번 연구는 교육부 이공학개인기초연구지원사업(SGER)의 지원을 받아 수행되었으며, 화학공학 분야 상위 5% 이내 학술지인‘Chemical Engineering Journal’에 2019년 1월 22일자로 온라인 게재되었다.