[대학저널 오혜민 기자] GIST(총장 문승현) 지구·환경공학부 박영준 교수 연구팀이 지구 온난화의 주범인 이산화탄소를 이용해 상온에서도 녹지 않는 일종의 얼음 형태인 가스 하이드레이트를 형성하고 이를 활용해 바닷물 속 염분을 포함한 용해물질을 효과적으로 제거할 수 있는 새로운 방법을 제시했다.
가스 하이드레이트(물 분자가 저온·고압의 상태에서 형성하는 고체 수화물)는 형성과정에서 염화나트륨(NaCl) 등의 염분이 결정구조에서 배제되며 고체 가스 하이드레이트를 녹일 경우 불순물이 제거된 거의 순수한 물과 이산화탄소만 남게 돼 해수 담수화 등에 활용이 가능하다.
하지만 가스 하이드레이트 형성에 있어 필요한 저온 및 고압의 조건은 소요되는 에너지가 상당해 실제 공정에 적용하는데 걸림돌이 돼왔다. 이를 개선하기 위해 사용되는 일반적 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 분리과정이 필요하며 이 역시 공정비용 증가가 걸림돌이 되고 있다.
연구팀은 물에 대한 용해도가 매우 낮은 고리형 탄화수소들을 이용해 이산화탄소와 반응시켜 가스 하이드레이트를 형성하고 이에 대한 분광학, 열역학 및 반응 속도론적 특성을 비교·분석했다.
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 확인했다.
이러한 현상은 사이클로펜탄온이 갖는 친핵성 첨가반응(nucleophilic addition reaction)에 기인한 것으로, 가스 하이드레이트 형성 시 객체(guest) 분자(가스 하이드레이트가 형성하는 물 분자로 만들어진 격자 공간 안에 점유되는 저분자량의 물질) 내 케톤 작용기에 의해 매우 독특한 형태의 수화반응 현상이 일어날 수 있음을 처음으로 규명했다.
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 전망된다.
박영준 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 있다”며 “후속 연구를 통해 기존 기술과 결합한 하이브리드형 고효율 해수 담수화 기술을 확보할 수 있을 것”이라고 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 수행됐으며 화학공학 분야 상위 5%이내 학술지인 ‘Chemical Engineering Journal’에 지난 22일자로 온라인 게재됐다.
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