새로운 접근 방식을 사용하면 훨씬 적은 에너지를 사용하여 원유를 분획할 수 있습니다.

원유를 휘발유, 경유, 난방유와 같은 제품으로 분리하는 과정은 에너지 집약적인 과정으로, 전 세계 이산화탄소 배출량의 약 6%를 차지합니다. 이 에너지의 대부분은 끓는점을 기준으로 성분을 분리하는 데 필요한 열로 사용됩니다.

원유 분획에 필요한 에너지 양을 획기적으로 줄일 수 있는 발전으로, MIT 엔지니어들은 분자 크기에 따라 원유 성분을 걸러내는 막을 개발했습니다.

"이것은 분리 과정을 구상하는 완전히 새로운 방식입니다. 혼합물을 끓여 정제하는 대신, 모양과 크기에 따라 성분을 분리하는 것은 어떨까요? 핵심적인 혁신은 우리가 개발한 필터가 원자 단위의 길이로 매우 작은 분자를 분리할 수 있다는 것입니다."라고 MIT 화학공학과 부교수이자 이번 연구의 수석 저자인 재커리 P. 스미스는 말합니다.

새로운 여과막은 오일에서 무거운 성분과 가벼운 성분을 효율적으로 분리할 수 있으며, 다른 유형의 오일 분리막에서 흔히 발생하는 팽창에 강합니다. 이 막은 이미 산업 공정에서 널리 사용되는 기술을 사용하여 제작할 수 있는 박막으로, 광범위한 용도로 확장될 가능성이 있습니다.

한국 성균관대학교 조교수로 재직 중이며 MIT에서 박사후연구원으로 일한 이태훈 교수가 오늘 Science 에 게재된 논문의 주저자입니다.

오일 분획

원유 분리를 위한 기존의 열 구동 공정은 전 세계 에너지 사용량의 약 1%를 차지하며, 원유 분리에 막을 사용하면 필요한 에너지를 약 90%까지 절감할 수 있을 것으로 추산됩니다. 이를 위해서는 분리막이 탄화수소를 빠르게 통과시키고 다양한 크기의 화합물을 선택적으로 여과할 수 있어야 합니다.

지금까지 탄화수소 여과막 개발을 위한 대부분의 노력은 PIM-1을 포함한 고유 미세다공성 고분자(PIM)에 집중되어 왔습니다. 이 다공성 물질은 탄화수소의 빠른 이동을 가능하게 하지만, 막을 통과하는 일부 유기 화합물을 과도하게 흡수하여 막이 팽창하고, 이는 크기 선별 능력을 저하시킵니다.

더 나은 대안을 찾기 위해 MIT 연구팀은 역삼투 해수담수화에 사용되는 폴리머를 개질해 보기로 했습니다. 1970년대에 도입된 이후 역삼투막은 해수담수화 에너지 소비를 약 90%까지 줄여 산업적으로 놀라운 성공을 거두었습니다.

해수담수화에 가장 일반적으로 사용되는 막은 계면 중합이라는 방법을 사용하여 제조되는 폴리아미드입니다. 이 과정에서 물과 헥산과 같은 유기 용매의 계면에 얇은 고분자 필름이 형성됩니다. 물과 헥산은 일반적으로 섞이지 않지만, 계면에서 물에 용해된 소량의 화합물이 서로 반응할 수 있습니다.

이 경우, 물에 용해된 MPD라는 친수성 단량체가 헥산에 용해된 TMC라는 소수성 단량체와 반응합니다. 두 단량체는 아마이드 결합으로 연결되어 물-헥산 계면에 폴리아미드 박막(MPD-TMC)을 형성합니다.

MPD-TMC는 해수 담수화에 매우 효과적이지만 탄화수소를 분리하는 데 필요한 적절한 기공 크기와 팽창 저항성이 없습니다.

원유에서 발견되는 탄화수소를 분리하기 위해 이 소재를 적용하기 위해, 연구진은 먼저 단량체를 연결하는 결합을 아미드 결합에서 이민 결합으로 변경하여 필름을 개량했습니다. 이 결합은 더 단단하고 소수성이어서, 폴리아미드 필름에 비해 탄화수소가 필름의 눈에 띄는 팽창 없이 막을 빠르게 통과할 수 있도록 합니다.

"폴리이민 소재는 계면에서 형성되는 다공성을 가지고 있는데, 저희가 첨가한 가교 화학 덕분에 이제 부풀지 않는 소재가 탄생했습니다."라고 스미스는 말합니다. "오일 상에서 만들어서 물 계면에서 반응시키면 가교 결합으로 고정됩니다. 그래서 이러한 기공은 탄화수소에 노출되더라도 다른 소재처럼 부풀지 않습니다."

연구진은 또한 트립티센이라는 단량체를 도입했습니다. 이 형태 지속적이고 분자 선택적인 분자는 생성된 폴리이민이 탄화수소가 통과하기에 적합한 크기의 기공을 형성하는 데 더욱 도움을 줍니다.

효율적인 분리

연구진은 분리 성능 평가 기준으로 톨루엔과 트리이소프로필벤젠(TIPB) 혼합물을 여과하는 데 새로운 막을 사용했고, 그 결과 기존 혼합물보다 20배 높은 톨루엔 농도를 얻을 수 있었습니다. 또한, 나프타, 등유, 경유로 구성된 산업적으로 중요한 혼합물에 대해서도 이 막을 시험하여, 분자량에 따라 무거운 화합물과 가벼운 화합물을 효율적으로 분리할 수 있음을 확인했습니다.

연구자들은 이러한 필터를 산업용으로 적용하면 각 단계에서 원하는 제품의 농도를 더 높일 수 있다고 말했습니다.

"이런 멤브레인을 사용하면 원유 분획탑을 대체하는 초기 단계를 구축할 수 있다고 상상해 보세요. 무거운 분자와 가벼운 분자를 분리한 후, 여러 멤브레인을 연속적으로 사용하여 복잡한 혼합물을 정제하여 필요한 화학물질을 분리할 수 있습니다."라고 스미스는 말합니다.

계면 중합은 이미 해수 담수화를 위한 막을 만드는 데 널리 사용되고 있으며, 연구자들은 이 연구에서 설계한 필름을 대량 생산하기 위해 이런 공정을 적용하는 것이 가능할 것이라고 믿고 있습니다.

"계면 중합의 주요 장점은 이미 물 정화용 막을 제조하는 잘 확립된 방법이라는 점입니다. 따라서 이러한 화학 기술을 기존 규모의 제조 라인에 도입하는 것이 가능하다고 상상할 수 있습니다."라고 Lee는 말합니다.

이 연구는 MIT 에너지 이니셔티브를 통해 엑손모빌로부터 일부 자금을 지원받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/05/250522162533.htm