요약:
한국과학기술원(KAIST)과 미국 조지아공대 연구팀이 실제 원유를 상온에서 선분리할 수 있는 폴리아크릴로니트릴(PAN) 분리막을 개발했다. 이번 연구는 네이처 저널에 게재됐다. 먼저 원유를 섭씨 350도 이상으로 가열한 다음 이를 응축하고 분류하는 전통적인 증류와 달리 이 방법은 원유를 먼저 가열할 필요가 없습니다. 목표는 먼저 가벼운 성분 중 일부를 걸러낸 다음 처리를 위해 기존 증류 공정에 넘겨주는 것입니다.
이 기술의 핵심은 '멤브레인 파울링'의 비정상적 활용이다. 연구진은 산업용 여과 시스템에 일반적으로 사용되는 다공성 PAN 멤브레인을 통해 원유가 흐르도록 했습니다. 원유 속 중질 탄화수소가 점차 기공 벽에 침전되면서 초기 기공이 약 15나노미터에서 2나노미터 미만으로 좁아지면서 분자를 걸러낼 수 있는 채널이 형성됩니다. 나프타, 휘발유, 등유와 같은 가벼운 성분은 더 쉽게 통과하는 반면 무거운 성분은 그대로 유지됩니다. 증착이 안정적인 수준에 도달하면 분리 채널이 안정적으로 유지됩니다. 연구팀은 HD현대오일뱅크에서 제공받은 실제 원유를 사용해 테스트했다.
접선 흐름 실험에서 PAN 멤브레인의 원유 투과도는 바당 시간당 제곱미터당 최대 0.591리터에 도달하여 이전에 보고된 벤치마크를 23배 초과했습니다. 선택적 분리 성능은 4주 동안 지속적으로 유지되었다. 여기서 '23배'는 기존 원유분리막 벤치마크와의 막투과도 비교를 의미하며, 전체 정유공장의 처리능력이 23배 증가했다는 의미는 아니다.
또한 연구원들은 공정 시뮬레이션 평가를 사용하여 전통적인 상압 증류를 추가하기 전과 후의 막 전처리를 비교했습니다. 그 결과, 에너지 소비량은 31.6%, 이산화탄소 배출량은 37.6%, 냉각수 사용량은 20.7%, 연간 총 운영비용은 36% 감소할 수 있는 것으로 나타났다. 비용분석에서는 분리막 단가가 평방미터당 10달러라고 가정했다. 연구팀은 국내 정유·석유화학 산업에 전면 도입될 경우 연간 약 1000만t 정도의 온실가스 배출량을 줄일 수 있다고 추정했다. 이는 연료자동차 약 400만대의 배출량에 해당한다.
이러한 에너지 절약, 배출 감소 및 비용 수치는 프로세스 시뮬레이션 및 추정치에서 파생된 것이며 상업용 정유소 현장 운영의 결과가 아닙니다. 막은 현재 증류 전 사전 분리를 보여줍니다. 연구자들은 여전히 대면적 멤브레인 구성 요소, 장기 신뢰성 및 대규모 작동 검증을 촉진해야 합니다. 적용하면 기존 정유소에서는 증류 장비를 완전히 교체하지 않고도 모듈식 여과 장치로 연결할 수 있습니다. 연구팀은 또한 향후 폐플라스틱 열분해 오일 정제, 배터리 제조 용매 회수, 바이오 연료 정제 및 의약품 정제와 같은 용도를 탐색할 것을 제안했지만 이는 여전히 잠재적인 응용 분야입니다.
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