서강대학교 화공생명공학과 녹색지속가능분리 (Green & Sustainable Separation, GSS) 연구실은 다양한 기체 분리 및 수처리 공정에 사용될 수 있는 분리막 및 흡착제를 개발하는 연구를 진행 중이다. 특히, 고분자, 탄소분자체, 제올라이트, 또는 금속유기 골격체 입자 등의 다양한 매체에서 발생하는 물질 이동현상 및 흡·탈착 메커니즘을 이해하고 이를 기반으로 분리하고자 하는 대상 가스 및 물질에 알맞은 구조를 설계 및 제조하고 있다. 좀 더 구체적으로 본 연구실에서 수행하고 있는 연구 분야를 몇 가지 간단히 소개하고자 한다.  

● 주요 연구분야

1) 기후변화 대응 / 온실가스 저감

그림 1. 온실가스 감축을 위한 (a) CO₂ 선택적인 분리막, (b) 구조화된 CO₂ 흡착제

 21세기 들어 온실가스 배출로 인한 기후변화가 기상이변, 자연재해 등을 일으키면서 기후변화 대응이 국제사회의 핵심의제로 대두되고 있다. 최근에는 온실가스 배출 문제가 환경문제를 넘어 경제문제까지 큰 영향을 미칠 것으로 예상됨에 따라 온실가스 감축을 위한 국제적 노력이 강화되고 있다. 최근, Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC)는 310 억톤의 CO₂가 배출되면, 지구 온도가 대략 2 °C 상승한다는 CO₂ 배출량과 기온상승 상관관계를 증명하였다. 이는 극지방의 해빙으로 인한 해수면 상승, 저지대의 침강, 해안 생태계의 급변화, 기상이변 등이 CO₂ 배출과 밀접한 관계가 있음을 시사하는 것이다. 본 연구팀은 화력발전소에서 발생하는 CO₂ 외에도 철강, 시멘트, 석유화학 등 다양한 산업체에서 발생하는 CO₂를 포집하기 위해 분리막이나 구조화된 흡착제를 개발 중에있다. 분리막의 경우, 이들 산업체에서 발생하는 CO₂농도는 상압에서 대부분 낮은 농도 (i.e., 10 ~ 25%)를 차지하므로 무엇보다 고투과성의 분리막 개발이 필요하다. 구조화된 흡착제는 기존 흡착제의 구조화를 통해 열 및 물질전달 속도를 크게 향상시켜 우수한 흡착 성능 구현이 가능하다. 본 연구팀은 사다리형태의 폴리실세스퀴옥산이란 유/무기 복합물질을 이용한 CO₂ 선택적인 분리막과 중공사 형태의 구조화된 CO₂ 흡착제 등을 개발하고 있다.  

2) 올레핀 / 파라핀 분리

그림 2. C₃H₆/C₃H₈ 분리를 위한 (a) 하이브리드 중공사막, (b) 탄소분자체 중공사막

 석유화학산업에서 에틸렌/에탄 (i.e., C₂H₄/C₂H₆)과 프로필렌/프로판 (i.e., C₃H₆/C₃H₈) 분리는 가장 중요한 분리공정 중 하나이지만, 액화증류법과 같은 현재의 열에너지에 기반한 분리기술은 이들 올레핀/파라핀 분자들의 유사한 물리적 특성 (e.g., C₃H₆ Tb: - 47 °C vs. C₃H₈ Tb: - 42.1 °C) 으로 인하여 막대한 에너지 및 공정비용을 초래하고 있다. 이와 달리, 분리막에 기반한 분리기술은 고밀층의 투과막을 사이에 두고 feed 쪽에 압력을 가할 시, 주로 분자 크기 및 구조의 미세한 차이에 의해서 분리가 이루어지기 때문에 기존의 열에너지에 기반한 분리기술의 에너지 비용을 획기적으로 저감할 수 있는 보완기술로 많은 관심을 받고 있다. 하지만, 올레핀/파라핀 기체분리는 이들 기체분자들의 미세한 분자크기 차이 (e.g., C₃H₆: 4.0 Å vs. C₃H₈: 4.2 Å)로 인하여 순수한 고분자로 제조된 분리막으로는 우수한 분리성능을 확보하기 어렵다. 또한, 낮은 압력에서도 (e.g., 2 ~ 3기압) 강한 응축성 가스 분자들에 의해 고분자사슬의 가소화가 촉진되어 현저한 선택도 감소 문제를 야기한다. 본 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위하여 가공성이 용이한 고분자 매트릭스에 우수한 C₃H₆/C₃H₈ 분리성능을 지닌 다공성 나노입자를 혼합한 하이브리드 분리막을 개발하고 있다. 이와 함께, 투과도가 매우 높은 미세기공 (6 – 20 Å)과 분자체 기능을 하는 초미세기공 (< 6 Å)이 혼합되어 우수한 기체 분리성능을 지닌 탄소분자체 분리막을 개발 중에 있다.  

3) 해수담수화 / 역삼투막

 물 부족 문제는 앞서 언급된 온난화가스에 의한 이상기후변화 문제와 함께 21세기 국제사회가 시급히 해결해야할 문제 중 하나이다. 역삼투 분리막에 기반한 해수담수화 기술은 깨끗한 식음수의 지속가능한 공급을 위한 기술로 인정받고 있다. 일반적으로 역삼투막은 다공성의 고분자 지지체 위에 계면중합을 이용한 얇은 폴리아미드 (polyamide) 선택층을 형성한 분리막을 사용한다. 하지만, 계면중합에 의한 폴리아미드 선택층은 물리적으로 ridge-and-valley의 거친 표면구조 때문에 막 표면에 오염원이 달라붙어 수투과도가 현저히 감소하는 fouling 문제가 심각하다. 최근 본 연구팀은 고려대와의 공동 연구를 통해 자연 생물체의 구조와 기능을 모방하여 잘 정의된 물리적, 화학적 표면구조와 기능을 정교하게 설계하여 초저오염 역삼투 분리막을 개발하고 이와 함께 fouling 메커니즘을 규명하는 연구를 진행중이다.  

● 연구실 구성원

 본 연구팀은 2022년 11월 현재 연구 교수 1명, 박사후 연구원 1명, 석·박통합과정을 포함한 박사과정 8명, 석사과정 1명, 학부연구생 3명으로 구성되어 있다.
한국과학기술연구원, 한국화학연구원, 한국원자력연구소, 에너지기술연구원, 에너지기술평가원 등의 국책연구소와
고려대학교, 인천대학교, 건국대학교, National Taiwan University (NTU),  등의 연구그룹와 함께 다양한 공동 연구를 수행 중에 있다.