카이스트(KAIST) 생명화학공학과 연구실은 분리막기반 분자분리기술을 연구한다. 원유분획, 직접공기포집(DAC), 냉매분리와 같은 에너지소비가 큰 분리공정을 저에너지 막 분리공정으로 대체하는 연구를 수행해 왔다. 이번 ‘근공비 및 공비 폐냉매의 재생·분리·파괴 통합실증 기술 개발’ 과제에서는 폐냉매의 ‘재생 및 분리·회수’분야를 담당한다.
분자크기 차이로 R32·R125 선택적 분리
가정·상업용에어컨에 널리 쓰이는 R410A는 R32와 R125가 약 50:50으로 섞인 근공비 혼합냉매다. 두 성분의 기액 조성이 거의 같아 증류로는 분리가 사실상 불가능하며 이로 인해 회수된 폐냉매의 상당량이 재생되지 못한 채 처리되는 실정이다. 카이스트는 분자크기 차이를 이용해 R32와 R125를 선택적으로 투과·분리하는 분리막 소재를 개발하고 있다.
1차연도에는 공비·근공비냉매 분리용 원천소재 후보군을 도출한다. 2차연도에는 냉매에 의한 소재의 가소화·팽윤 영향을 정량화하며 혼합냉매에서의 조성이동성능을 검증한다.
증류라는 표준수단이 통하지 않는 공비혼합물의 특성상, 분리원리 자체를 바꾸는 것이 이번 과제의 핵심이다. R32와 R125는 분자크기(kinetic diameter)가 각각 약 3.9Å, 4.4Å 수준으로 차이가 있다. KAIST는 이 차이를 이용한 크기 선별(molecular sieving) 분리막에 중점을 두고 있다. 1차연도에는 유효기공 크기(약 4.0~4.2Å)가 두 분자 크기 사이에 위치하는 다공성 골격소재(MOF)를 첫 후보로 검토하고 있다.
이 과정에서 기술적 애로는 냉매 자체가 소재를 변형시킨다는 점이다. HFC냉매는 분리막 소재를 가소화·팽윤시켜 기공구조와 선택도를 무너뜨릴 수 있다. 이를 해결하기 위해 가소화·팽윤 영향의 정량화를 목표로 설정했으며 그 결과를 소재구조 최적화와 내구성 강화 설계에 반영할 계획이다.
R410A는 지구온난화지수(GWP)가 2,000을 넘는 냉매다. 회수된 폐냉매를 재생하지 못하고 방출하거나 파괴만 하는 것은 온실가스 관리와 자원활용 양쪽에서 모두 손실이다. 이번 과제로 근공비 혼합냉매를 성분별로 분리·재생하는 기술이 실증되면 폐냉매를 ‘처리대상’에서 ‘자원’으로 전환하는 경로가 열려 산업적 가치가 클 것으로 전망된다.
KAIST의 관계자는 “향후 R410A 외 다성분 혼합냉매, 그리고 향후 보급이 확대될 저GWP 신냉매까지 분리막 적용범위를 넓힐 계획”이라며 “공정관점에서는 분리막 단독이 아니라 분리막-증류하이브리드 구성으로 회수율과 순도를 함께 높이는 설계를 검토하고 있는데 이는 그동안 추진해온 비열적 막 하이브리드 분리연구의 연장선”이라고 밝혔다.
이어 “이번 통합실증 과제가 재생·분리·파괴를 아우르는 전주기 관리체계의 출발점이 되도록 참여기관들과 함께 착실히 결과를 만들어가겠다‘고 밝혔다.
