미네시 시(Meenesh Singh) 일리노이 대학 시카고(UIC) 화학공학과 교수가 배기가스에서 탄소를 추출해 에틸렌으로 전환하는 기계를 실험하고 있다. (사진=UIC)
최근 일리노이 대학 시카고(UIC)의 기술자들은 배기가스에서 탄소를 추출해 에틸렌으로 전환하는 기계를 만들었다.
이 장치는 처음으로 탄소 포집 시스템과 에틸렌 대화 시스템을 통합한다. 이 시스템은 전기로 작동할 뿐만 아니라 생성되는 것보다 더 많은 탄소를 환경에서 제거해 과학자들은 탄소 배출에 대해 순 음성(-)이라고 강조한다.
전 세계적으로 제조된 화학물질 가운데 에틸렌은 암모니아, 시멘트 다음으로 탄소 배출량이 많다. 에틸렌은 포장, 농업, 자동차 산업을 위한 플라스틱 제품을 만드는 것 뿐만 아니라 부동액, 의료용 살균기와 주택용 비닐 등에 사용되는 화학물질을 생산하는 데도 사용된다.
미네시 싱(Meenesh Singh) UIC 화학공학과 조교수는 "이것은 오염물질에서 탄소를 포집하고 매우 가치 있는 자원을 생성하는 순 음성 완전 전기 통합 시스템의 첫 번째 시연"이라고 강조했다.
그는 "순 음성 연료를 지속 가능하게 생산하기 위해서는 통합 탄소 포집 및 전환을 위한 효율적인 기술을 개발하는 것이 시급하다. 현재 통합 탄소 포집 및 변환 시스템은 매우 에너지 집약적이며 이탄화탄소 포집과 감소의 불연속 사이클에서 작동한다"며 "탄소 포집을 변환 시스템과 효율적으로 통합하면 운송과 보관이 필요하지 않아 에너지 효율성이 높아진다"고 설명했다.
UIC가 개발한 통합 탄소 포집 및 전환 시스템은 배기가스에서 지속적으로 이산화탄소를 포집해 고순도 에틸렌을 생산한다.
싱 교수는 “이것은 에틸렌 탈탄소화에서 중요한 이정표”라고 역설했다.
공기 또는 배기가스에서 탄소를 포착하기 위해 싱 교수 연구실은 저렴한 재료로 표준 인공 잎 시스템을 수정해 전하를 띤 막을 가로지르는 물 구배를 포함했다.
이 결과 건조한 면에서는 유기 용매가 사용 가능한 이산화탄소에 달라붙어 막에 중탄산염 또는 베이킹 소다 농도를 생성한다. 중탄산염이 형성되면서 음전하 이온은 멤브레인의 젖은 면에 있는 수성 용액에 양전하 전극을 향해 멤브레인을 가로질러 끌어당겨진다. 액체 용액은 중탄산염을 다시 이산화탄소로 용해해 이산화탄소 전환을 위해 방출·활용될 수 있다.
이동을 이용한 수분 구배 CO2 포집 및 전기화학적 CO2 환원 반응을 이용한 통합 시스템의 개략도. (사진=UIC)
이 시스템은 쉽게 확장·축소할 수 있는 모듈식 스택형 설계를 활용해 효율적이다.
포획된 이산화탄소를 에틸렌으로 전환하기 위해 싱 교수와 그의 동료들은 전류가 세포를 통과하는 두 번째 시스템을 사용했다. 셀의 절반은 탄소 포집 시스템에서 포집한 이산화탄소로 채워져 있고 나머지 절반은 수성 용액으로 채워져 있다. 대전된 촉매는 물 분자에서 하전된 수소 원자를 멤브레인으로 분리된 단위의 나머지 절반으로 끌어당겨 이산화탄소 분자에서 하전된 탄소 원자와 결합해 에틸렌을 형성한다.
UIC 연구지는 포획된 이산화탄소 용액을 탄소 변환 시스템에 공급하고 다시 재활용해 두 시스템을 통합했다. 솔루션의 폐루프 재활용은 배기가스에서 이산화탄소를 지속 공급하고 에틸렌으로 전환하는 것을 보장해준다.
연구진은 통합 시스템을 테스트하기 위해 100㎠ 크기의 양극성 멤브레인 전기투석 장치를 구현하고 배기가스에서 이산화탄소를 포집한 뒤 1㎠ 크기의 전기분해 셀에 유압식으로 연결해 에틸렌을 생산했다.
그들은 7일 동안 24시간 지속해서 시스템을 테스트했다. 테스트 결과 이 시스템은 매우 안정적일 뿐만 아니라 하루에 24g의 속도로 탄소를 포집하고 188mg의 속도로 에틸렌을 생산했다.
싱 교수는 "에틸렌 생산을 친환경적으로 만드는 여정에서 이것은 잠재적인 돌파구"라며 "우리의 다음 단계는 통합 탄소 포집 및 변환 시스템을 확장해 더 높은 비율로 에틸렌을 생산하는 것이다"이라고 말했다.
