끓이는 것이 비싼 부분이다
정유공장은 한 세기 동안 같은 방식으로 원유를 분리해 왔다. 350C 이상으로 가열해 기화시킨 뒤 증기를 냉각해 여러 유분을 회수한다. 원유 증류는 전 세계적으로 연간 약 1,100테라와트시의 에너지를 소비하며, 이는 130기의 기가와트급 원자력 발전소가 쉬지 않고 가동될 때의 발전량에 해당한다. 그 작업의 일부를 대신할 수 있는 분리막은 수년간 연구되어 왔지만, 기존 설계는 분리막 표면에 초박형 선택층을 필요로 하며, 이는 제조 비용이 많이 들고 대규모에서 결함이 생기기 쉽다.
기름이 스스로 통로를 만들게 하다
KAIST의 고동연 교수가 이끄는 연구팀은 조지아텍의 라이언 라이블리 교수 그룹과 협력해 정반대 접근을 시도했다. 이들은 원유를 지지층으로 흔히 쓰이는 안정적이고 저렴한 고분자인 다공성 폴리아크릴로니트릴 막에 그대로 통과시켰다. 무거운 탄화수소가 기공 벽에 침착해 구멍을 2나노미터 미만의 자기조립 통로로 좁혔다. 나프타, 휘발유, 등유 같은 가벼운 유분은 빠르게 통과했고, 더 무거운 성분은 남았다.
일반적으로 분리막 성능을 떨어뜨리는 문제인 오염이 이번에는 분리를 가능하게 하는 메커니즘이 됐다. 네이처에 발표된 이 연구에 따르면 이 분리막은 기존 시스템보다 약 23배 높은 투과율을 보였고 28일 동안 안정적으로 작동했다. 공정 시뮬레이션은 증류 앞에 이를 사용하면 에너지 사용을 약 32%, 이산화탄소를 38%, 냉각수를 21%, 운영 비용을 36% 줄일 수 있다고 시사한다.
실험대에서 정유공장 문 앞까지
아직 실제 정유공장에 설치된 것은 없으며, 28일 시험과 수년간 가동되는 플랜트 사이의 격차가 대부분의 분리 아이디어가 실패하는 지점이다. 정유공장은 중공업이다. 펌프, 압축기, 열교환기, 컬럼은 증류 트레인을 기준으로 설계되며, 어떤 개조든 이에 맞아야 한다. 별도로 중국 다롄화학물리연구소의 연구진은 서로 다른 석유 분자를 설계된 분리막에 가두는 분자 정제 공정에서 실험실 기준 약 91%의 에너지 절감을 보고했다. 두 연구 노선은 같은 방향을 가리킨다. 둘 중 하나라도 상업적 규모에 도달한다면, 그 보상은 열을 덜 쓰고 배출을 줄이며 더 작게 지을 수 있는 정유 산업이다.
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