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미국 조지아공과대학(Georgia Institute of Technology)의 연구진은 사워 가스(sour gas)를 정제할 수 있는 새로운 폴리이미드 멤브레인(polyimide membrane)을 개발했다. 다량의 황화수소(H2S)와 이산화탄소(CO2)를 포함하는 천연 가스를 사워 가스라고 부른다. 이것을 파이프라인으로 주입하기 전에 산성 불순물을 제거하는 것이 필요하다. 천연 가스의 주요 성분은 메탄(CH4)이다. 사워 가스의 황화수소와 이산화탄소는 산성을 띠며 수분과 반응하여 높은 부식성을 가진다. 또한 황화수소는 독성이 강하고 안전성 위험이 존재한다. 현재, 스위트닝(sweetening)은 매우 에너지 집약적인 화학적 세정을 통해서 이루어지는데, 이때 고농도의 황화수소와 이산화탄소 가스가 사용된다. 스위트닝은 원유 정제 공정에서 발생하는 휘발유, 나프타, 가솔린 따위에 함유된, 부식성이 있고 강한 냄새를 유발하는 것들을 산화시키는 과정을 말한다. 이런 프로세스는 크고 복잡한 장치가 필요하기 때문에 경제성이 매우 낮다. 따라서 확장 가능하고 경제적인 멤브레인 분리가 탁월한 대안이 될 수 있다. 유리질 폴리이미드 중합체 멤브레인은 특정 질소 및 산소가 함유된 기능기로 제조되었고, 우수한 분리 효율을 가졌다. 그러나 황화수소 존재 하에서 폴리이미드의 구조 및 가스 수송 특성 간의 관계에 대한 기본적인 이해가 부족함으로써 더 향상된 멤브레인을 만들 수가 없었다. 이번 연구진은 이것이 가능한 새로운 방법을 개발했다. 멤브레인 분리는 더 높은 용해도를 가지는 기체가 멤브레인 물질을 보다 쉽게 통과할 수 있고 더 작은 가스 분자들이 멤브레인을 통해 쉽게 확산될 수 있다는 사실에 기초했다. 스위트닝 시에 이산화탄소의 분리는 주로 크기 차이(이산화탄소가 메탄보다 작음)에 의존하는 반면에 유사한 크기의 황화수소와 메탄의 분리는 용해도의 차이에 의존한다. 또한 유리질 폴리이미드 멤브레인은 더 많은 용해 가스를 흡수함으로써 연화되기 시작한다. 이것은 황화수소의 분리에 유리하지만 이산화탄소의 분리에는 바람직하지 않다. 이번 연구진은 6FDA (4,4'-(hexafluoroisopropylidene) diphthalic anhydride을 기반으로 하는 폴리이미드를 만들었다. 또한 두 개의 서로 다른 6FDA 빌딩 블록을 사용하여 다양한 비율로 중합시켰다. 첫 번째 빌딩 블록(DAM)은 부피가 큰 트리메틸을 도입했다. 벤젠 기는 폴리머 사슬이 조밀하게 패킹되는 것을 방지한다. 이로 인해서 가스 투과성과 연화 특성이 증가했다. 다른 빌딩 블록(DABA)에는 극성 벤조산 기가 포함되어 있었다. 이것은 사슬의 패킹을 강화하여 침투성을 감소시키고 황화수소의 용해도를 증가시켰다. DAM의 비율이 높을수록 이산화탄소와 메탄에 대한 침투성은 증가되고 선택성을 감소된다. 대조적으로, 황화수소에 대한 선택성은 거의 영향을 받지 않았다. DAM이 더 많을수록 중합체가 더 연화되어 이산화탄소에 불리하지만 황화수소에 유리했다. 빌딩 블록의 상대적인 양을 신중하게 조정함으로써 중합체 사슬의 패킹 및 가소화 경향이 균형을 이루게 되어 황화수소와 이산화탄소를 동시에 효율적으로 분리할 수 있을 막을 생성할 수 있었다. 이것은 서로 다른 천연 가스 조성에 따라 맞춤형 멤브레인을 만들 수 있게 한다. |
