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화석연료가운데 원유로부터 수송용 연료를 생산하는 것을 대체할 수 있는 기술이 필요하다. 이 대체 원료는 석탄, 바이오매스가 될 수 있는데 이들 원료로부터 합성가스를 제조하고 이를 통해 액체연료를 합성하는 방법이 오랫동안 추구해왔던 연구 주제였다. 일본 토야마 대학의 Noritatsu Tsubaki 교수와 중국 샤먼대학의 왕야 (王野,Wang Ye)교수 공동 연구팀이 Fischer-Tropsch (F-T) 합성 촉매 연구 방면에서 새로운 연구 성과를 얻어 저널에 발표하였다. 이것은 액체 연료를 합성하는데 있어서 간단하고 효율이 높은 방법으로 평가되고 있다. 사회 경제가 발전하면서 사람들의 가솔린, 항공유, 디젤유에 대한 수요가 날마다 증가하고 있는데, 원유의 자원은 한정되어 있어서 중국의 경우도 해외 의존도가 60%를 넘는다. “합성가스 (일산화탄소와 수소)는 석탄과 같은 비원유 자원으로부터 얻을 수 있습니다.”라고 왕야 교수는 말하면서 이 연구의 목적은 석탄으로부터 얻은 합성 가스를 직접 촉매에 의해 가솔린, 디젤유, 항공유등을 생산하는 새로운 기술을 개발하는 것이라고 설명한다. F-T합성은 합성 가스를 이용하여 촉매와 적당한 조건에서 액체 연료를 제조하는 기술로서, 세계 대전 때 원유가 없던 독일에서 석탄을 이용하여 액체 연료를 얻고자 시도되었다. 지금은 남아프리카 공화국에서 한 때 석유 수입 금지가 내려지면서 F-T기술에 의한 액체 연료 생산 공정을 Sasol사가 상업화하였다. 그러나 전통적인 액체 연료 합성을 위한 F-T기술에서는 얻어지는 산물의 조성을 제어하기가 어려운 단점이 있었다. 특정한 성분을 얻기 위한 촉매의 선택성이 낮아서, 합성 후에 분리 기술이 뒤따르며 이는 비용 상승으로 이어지는 단점이 있다. “이 연구는 두 가지 기능을 갖는 촉매를 설계하는 것인데, 하나는 생성물의 조성을 조절하기 어려운 문제점을 해결하는 것입니다.”라고 왕야 교수는 설명한다. 두 국제 공동 연구팀은 F-T합성의 생성물의 조성을 조절하는데 기초 연구를 수행하였다. 왕야 교수팀은 Zeolite molecular sieve가 액체 연료의 특정 성분을 생산하는데 선택성이 높다는 성질을 갖고 있음을 발견하였다. Noritatsu Tsubaki 교수 연구팀은 zeolite의 microcapsule형태가 가솔린에 대한 선택성이 높다는 것을 발견하였다. 이러한 기초 위에서 Y형 molecular sieve 담체에 코발트 나노 입자를 담지한 촉매를 성공적으로 개발하였다. 이 촉매를 토해 F-T합성 생성물의 선택성을, mesoporous Y형 molecular sieve의 산성과 기공 구조를 변화하여 조절할 수 있음을 발견하였다. 가솔린, 항공유, 디젤에 대한 선택성이 각각 74%、72%和58%에 도달하는 결과를 얻었다. 전통적인 기술이 대규모의 투자가 이루어져야만 하는데 반해, 이번 연구를 통는 분리 비용을 줄이면서 직접 액체 연료로 사용할 수 있어서 대폭적으로 비용을 줄이고, 에너지 소모도 줄임으로써 여러 곳에 흩어진 석탄이나 가스 유전에 투자가 비교적 적은 중소 규모의 액체 연료의 생산이 가능하게 되었다. “이 방법은 유망하고 발전성이 있는 석탄으로 액체 연료를 제조하는 새로운 촉매기술입니다.”라고 왕야 교수는 밝히면서 이 기초 연구의 각도에서 볼 때 미래에는 좀 더 개선된 촉매가 필요하며, 선택성을 좀 더 높이고, 산물의 분포를 집중하고, 메탄을 포함한 저탄소 탄화수소를 줄이는 쪽의 연구가 필요하다고 지적한다. 그 외에도 촉매의 장기적인 안정성도 개선해야 한다고 지적한다. “다공능 촉매의 실험기술은 이미 기본 기술은 성숙단계이며, 산업화 과정에서 해당하는 공정기술의 문제를 해결해야 한다고 지적한다. |
