[아이뉴스24 최상국 기자] 한국과학기술연구원(KIST)이 이산화탄소를 직접 포름산으로 전환하는 새로운 공정을 개발했다고 28일 발표했다.

KIST는 이 기술의 상용화 가능성을 평가하기 위해 세계 최대인 하루 10kg 규모의 포름산 생산 파일럿 공정을 구축했다며 "CCU(Carbon Capture & Utilization, 이산화탄소 전환)기술의 상용화가 머지 않았다"고 평가했다.

하루 10kg의 포름산을 생산하는 파일럿 규모 실증. 공정실제 운전이 이뤄진 파일럿 실증 공정의 모습. 크게 반응부와 분리부, 재순환 및 진공 시스템으로 구성되어 있으며, 안정적인 연속 운전이 가능하다.[사진=KIST]

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이산화탄소를 포집해 유용한 화합물로 전환하는 CCU 기술은 탄소중립 사회로 빠르게 진입하기 위한 핵심이다. 포집된 이산화탄소를 저장만 하는 CCS(Carbon Capture & Storage) 기술은 공정이 비교적 단순하고, 운영 및 유지보수 비용이 적어 초기 상업화 단계에 진입했다. 하지만 CCU 기술은 아직 촉매개발 등 기술 탐색 수준의 연구만 이루어지고 있다.

유기산의 일종인 포름산은 가죽, 식품, 의약품 등 다양한 산업에 활용되는 고부가가치 화합물이다. 연간 1백만 톤 규모의 큰 시장이 있으며, 수소 운반체 역할도 할 수 있다. 뿐만 아니라 하나의 이산화탄소 분자를 사용해 포름산을 생산할 수 있어 다른 유기산 대비 생산 효율성이 높다.

KIST 청정에너지연구센터 이웅 박사팀은 이번에 개발한 새로운 포름산 생산공정이 기존 38% 수준의 이산화탄소 전환율을 2배 이상 높였다고 밝혔다. 또한, 대기나 배출가스로부터 이산화탄소를 분리하는 과정에서 발생하는 과다한 에너지 소모와 부식으로 인한 포름산 분해 문제를 해결하기 위해 이산화탄소를 분리하지 않고 직접 전환하는 동시 포집-전환 기술을 개발했다.

그 결과, 톤당 790달러 수준의 포름산 생산 단가를 톤당 490달러로 크게 낮추었으며 이산화탄소 발생량도 감축했다.

연구팀은 포름산 생산반응을 매개하는 여러 아민 중 가장 높은 이산화탄소 전환율을 나타내는 1-메틸피롤리딘 아민과 루테늄금속(Ru) 기반 촉매를 기반으로 반응기의 운전 온도와 압력을 최적화하는 과정을 통해 신공정을 개발하는 데 성공했다고 설명했다.

이산화탄소 전환을 통한 포름산 생산 공정. 이산화탄소를 전환해 포름산을 생산하는 공정의 흐름도 (위) 및 대규모 파일럿 공정 실증 운전 자료 (아래). [사진=KIST]

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연구팀은 특히 세계 최대 규모인 하루 10kg 규모의 포름산 생산 파일럿 공정을 실증함으로써, 실험실 규모를 넘어 빠른 상용화 될 수 있는 시스템임을 입증했다. 기존의 실증연구는 실험실에서 소규모로 수행돼 실제 대량생산 시 발생하는 불순물 정제공정을 고려하지 못했지만 연구팀은 부식을 최소화하는 공정과 소재를 개발했고, 포름산 분해를 최소화하는 운전조건을 확인해 순도 92% 이상의 포름산을 생산하는 데 성공했다.

연구팀은 2025년까지 하루 100kg 규모의 파일럿을 완공하고 공정검증을 진행할 예정이다. 이를 통해 2030년까지 이 기술을 상용화한다는 목표다. 연구진에 따르면 상업성 확보를 위해서는 연간 7만 톤 규모로 생산돼야 하는데, 100kg 파일럿으로 공정검증에 성공하면 수요기업으로의 운송, 판매 등이 가능해질 것으로 기대하고 있다.

이웅 박사는 “CCU 기술로 생산된 화합물이 상용화 단계까지 가지 못한 상황에서 이번 연구를 통해 이산화탄소를 포름산으로 전환하는 공정의 상용화 가능성을 확인할 수 있었다”라며, “대기 중 이산화탄소를 직접적으로 감축할 수 있는 CCU 기술의 상업화를 앞당겨 2030년 국가의 탄소중립 목표 달성에 기여하겠다”라고 밝혔다.

이번 연구 성과는 국제 학술지 '줄(Joule)' 최신호(3월20일자)에 게재됐으며, '네이처 케미컬 엔지니어링(Nature Chemical Engineering) 3월호의 '뉴스 앤 뷰스(News & Views)'에도 함께 소개됐다.

* 논문명 : Accelerating the net-zero economy with CO2-hydrogenated formic acid production: Process development and pilot plant demonstration (doi.org/10.1016/j.joule.2024.01.003 )

/최상국 기자(skchoi@inews24.com)

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