<사진. KISTI 미리안 사진자료
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>

녹색 탄소 고정 효과를 가진 저렴한 아스팔트

미국 Rice 대학교 연구진은 아스팔트 파생물질이 천연가스 유정에서 발생하는 이산화탄소 저장을 위한 최적 물질이 될 수 있다고 발표하였다. 이산화탄소는 기후 변화를 유발하는 대표적인 온난화 가스이다. Rice 대학교 James Tour 박사는 유정 정두(wellhead) 격리를 위한 “녹색” 탄소 고정 물질을 발견하였다. 이번에 발견한 화합물은 아스팔트로부터 몇 단계만 거치면 얻을 수 있으며 생산 비용도 저렴하다. 석유 유래의 아스팔트는 도로 부설에 사용되는 검은색 물질이다. Tour 박사가 이끄는 연구진은, 관련 연구 내용을 미국 화학회에서 발간하는 “Applied Materials and Interfaces” 최신호에 게재하였다.

Tour 박사팀에서 만들어낸 여러 가지 형태 중 최적은 가루(powder) 물질이며, 중량 대비 무려 114배의 이산화탄소를 고정할 수 있다. 새롭게 개발된 다공성 탄소 물질은 상온에서 이산화탄소는 고정하지만, 목표 물질인 메탄 천연가스는 그대로 흘려 보내게 된다. 아스팔트 다공성 탄소(asphalt-porous carbon [A-PC])로 알려진 기본 화합물은 상승하는 가스 자체에서 발생하는, 약 30atm 압력 하에서 정두에 위치하면서 이산화탄소를 고정하게 된다. 압력이 떨어지게 되면, A-PC는 자연스럽게 이산화탄소를 배출하게 된다. 이산화탄소는 배기관에서 저장고로 떨어지게 되며, 하향공(downhole)에 배압되거나 석유 고차 회수(enhanced oil recovery) 등에 용도로 활용되게 된다.

Tour 박사는, “이번 연구 결과는, 천연가스 공정으로부터 이산화탄소를 고정할 수 있는 고품질의 물질을 극히 저렴한 경로로 생산할 수 있음을 보여준다. 우리 연구진은 탄소 물질의 용량을 강화하였을 뿐만 아니라 가격 또한 낮추는데 성공하였다”고 설명하였다. Tour 박사팀은 다양한 등급의 아스팔트로 시도해보았으며, 비용은 파운드(lb)당 약 30센트에 산출되었다고 덧붙였다.

Tour 박사팀의 목표는 해상 정두로부터의 탄소 고정 공정을 단순화하는 것이다. 해상 유정은 거대 시설을 갖출 만한 공간이 부족하기 때문이다. Tour 박사는, 손상 없이 다수회 동안 탄소의 고정과 배출 능력이 유지되는 A-PC의 역량은 향후 실용성을 높이는데 탁월하다고 덧붙였다.

동료 연구원인 Almaz Jalilov 박사 등은 아스팔트와 KOH를 고온에서 혼합하여 A-PC를 제조하였으며, 표면적(2780 m2/g)이 넓은 다공성 탄소 물질을 얻을 수 있었다. 해당 다공성 탄소 물질은 중량 대비 93% 가량의 이산화탄소를 고정할 수 있었으며, A-PC에 대한 암모니아 공정 추가와 수소 투입을 통해 저장 용량을 중량 대비 114%로 끌어올릴 수 있었다.

Tour 박사는, 관련 물질의 기능을 향상시킬 방법을 고안 중에 있지만, 이미 현재의 아스팔트 기반 다공성 탄소 재료의 탄소 고정 능력은 기존의 여타 물질에 비해 상당히 우수한 수준이라고 강조하였다. 현재, 전력발전소와 같은 산업시설에서 이산화탄소를 흡수하기 위해 사용하는 아민(amine) 계열의 물질은 값이 비쌀 뿐만 아니라 중량 대비 13%의 이산화탄소만을 고정할 수 있다. 개발 중인 금속 유기 구조 기반의 물질들 또한 값비쌀 뿐 아니라 이산화탄소에 대한 선택성이 다소 떨어지는 편이다.

■ KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 http://mirian.kisti.re.kr