[기계신문] 지난해 정부는 2030년까지 온실가스 배출량을 7억 910만 톤에서 5억 3,600만 톤으로 감축한다는 내용의 ‘제2차 기후변화대응 기본계획’을 확정했다.
온실가스의 주범은 이산화탄소, 메탄가스 등인데, 메탄가스는 이산화탄소보다 배출량은 적지만 지구온난화에 20배 이상 영향을 줄 정도로 강력하다.
따라서 최근 폐기물 매립지에 가스 포집시설을 확충하고, 회수시설 운용 효율을 높여 메탄가스 회수율을 높이는 것이 주요 온실가스 감축방안으로 떠오르고 있다.
최근 한국생산기술연구원(이하 생기원)이 중소기업 ㈜이케이와 함께 유기성 폐기물에서 발생하는 바이오가스로부터 메탄가스를 97.7%의 고순도로 회수하는 기술개발에 성공했다.
이산화탄소, 메탄가스 등을 포함한 바이오가스가 대기 중에 노출되면 지구 온난화를 일으키지만, 이를 정제시켜 97% 이상의 고순도 메탄가스로 추출하면 택시나 버스와 같은 수송용 연료는 물론 도시가스로도 사용 가능하다.
현재 ㈜이케이의 이천현장에서 30Nm³/hr 규모로 실증 테스트 중인 이 기술은 메탄가스 회수율이 99.896%에 달한다. 메탄가스가 주성분인 CNG(Compressed natural Gas, 압축천연가스) 택시를 하루 20대까지 충전 가능한 규모다.
생기원 친환경공정연구그룹 송호준 박사 연구팀은 흡수, 흡착, 심냉법, 막분리 4가지로 분류되는 가스 분리기술 중 흡수와 막분리가 결합된 ‘막접촉기‘ 방식을 채택해 ‘막접촉기 기반 가스 분리기’를 구현해냈다.
막접촉기에는 중공사막(원통 안에 직경 1mm 미만의 빨대형태의 필터가 다발로 묶여있는 형태) 필터가 내장되는데, 해당 필터의 안쪽으로 흡수제를 흘려보내면 이산화탄소는 해당 용액과 함께 막접촉기 밖으로 빠져나가고 용액에 녹지 않는 메탄가스는 추출되는 원리를 이용했다.
막접촉기 기반 가스 분리기는 기존 산업현장에서 많이 쓰이고 있는 흡수탑에 비해 반응설비 부피가 최대 1/10 수준이며, 설비 확장 시에도 막접촉기 수량만 증설하면 된다는 장점이 있다.
다만 막접촉기 내부 필터막인 멤브레인(Membrane)이 용액을 흘려보내는 설계 특성상 필연적인 막젖음 현상이 문제로 지적됐다. 이를 위해 필터 소재를 저렴한 폴리프로필렌(PP)으로 대체하고, 흡수제의 표면 장력을 높이는 방안으로 대안을 찾았다.
10개의 물질 조합을 100번 이상 테스트해 화학물질 분자구조의 최적 설계 및 합성을 통해 표면 장력을 높이면서도 이산화탄소 포집율을 높이는 방안을 찾아 고효율·저에너지 흡수제를 적용할 수 있었다.
이와 함께 ㈜이케이의 공정설계 및 운영 노하우가 더해져 기존 메탄가스 제조단가보다 약 25% 가량 저렴한 생산이 가능해져 상용화도 앞당겨질 전망이다.
생기원 송호준 박사는 “메탄가스 순도 97.7% 이상 달성으로 수송용 연료로서 안정적 활용이 가능할 것”이라며 “현재 실증단계까지 도달해 상용화가 눈앞에 와있다”고 밝혔다.
㈜이케이 문원호 대표는 “생기원은 어떠한 난제를 가져다줘도 답을 찾아줬기 때문에 이번 기술이 완성될 수 있었다”며 “향후 생기원과 함께 도시가스는 물론 수소차 충전에도 활용될 수 있는 연구로 이어갈 계획”이라고 전했다.
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