폴리머 필터를 이용한 CO2 포집(捕輯) 신기술

기후변화에 의해 발생하는 심각한 재난 뉴스가 수시로 나오고 있다. 전쟁이 아니더라도 모든 나라는 자연과 힘든 싸움(기후 변화)을 하고 있다. 자연의 변화가 주는 피해는 나라 간의 전쟁보다 더 파괴적이고 막심(莫甚)하다. 과학자들은 이산화탄소를 감소시키는 새로운 방법을 계속 발표하고 있다.​

미국 펜실베이니아주 리하이(Lehigh) 대학의 환경공학자 센굽타(Arup SenGupta) 박사는 필터로 물속의 찌꺼기를 걸러내듯이, 특수 필터를 이용하여 이산화탄소를 걷어내고, 필터에 걸린 CO2를 해수 속에 집어넣으면, CO2가 해수 속에서 탄산수소나트륨으로 변해버리도록 하는 새로운 방법을 발표했다. 그의 연구는 2023년 3월 8일의 <Science Advances>에 발표되었다.

기온이 상승한 이유는 대기 중의 CO2 농도가 높아진 때문이라고 말하지만, 엄밀히 말하면 바다의 수온이 상승한 결과라고 해야 정확할 것이다. 기상은 바다에 의해 거의 지배되고 있다. 기상이변으로 나타나는 가공할 태풍과 폭우, 폭설, 우박 등은 바다의 수온 상승으로 더 많은 물이 증발하여 발생하게 되는 것이다.​

지금까지 다수의 과학자들은 화력발전소나 화학공장의 굴뚝, 각종 교통기관이 배출하는 연기 속의 이산화탄소를 제거하는 방법으로, 기체 상태의 이산화탄소를 포집하고 압축하여 드라이아이스 상태로 만들어 지하에 저장하는 연구를 주로 해왔다. 그러나 이번 센굽타 박사 팀의 연구는 필터를 이용하여 포집한 이산화탄소를 바닷물 속에 넣기만 하면 사라지는 방법이다.​

센굽타 팀이 발견한 방법은 특수 폴리머로 만든 필터로 CO2를 포집한 후, 그 필터를 해수 속에 넣으면 CO2가 해수에 무진장 녹아있는 소금 성분(NaOH)과 결합하여 자연적으로 NaHCO3(탄산수소나트륨)로 변해버리는 것이다. 그리고 이산화탄소가 떨어져 나간 필터는 회수하여 몇 번이고 재사용할 수 있다는 것이다.​

이 과정에 생겨난 탄산수소나트륨은 고체 상태로 있지 않고 그대로 물에 녹아버린다. 지구가 가진 해수의 양은 무진장이다. 탄산수소나트륨은 기온 20℃일 때 물 1리터 속에 96g이 녹을 수 있다.

탄산수소나트륨은 중탄산소다, 중조(重曹), 베이킹 파우더 등으로 불리며, 빵을 제조할 때 사용하는 인체에 해가 없는 물질이다. 베이킹 파우더를 밀가루 반죽에 혼합하면 이산화탄소 기포가 발생하여 스폰지 같은 빵이 되도록 한다.​

폴리머로 만든 이산화탄소 필터

이산화탄소 농도가 높아지기 시작한 시점은 약 150년 전부터이다. IPCC(기후변화에 관한 정부간 협의체)는 기온상승 문제를 국제적으로 협의하는 국제기구이다. 최근 IPCC에서는 2050년이 오기 전에 이산화탄소의 증가가 더 진행되지 않도록 하려는 국제적 노력을 하고 있다.​

과학자들은 이산화탄소를 걸러내는 방법을 다양하게 연구해왔다. 화석연료 발전소의 굴뚝이나 자동차의 배기가스로 발생한 CO2를 드라이아이스로 만드는 방법을 ‘직접 포집'(DAC, direct air capture)이라고 한다. 현재 세계 몇 나라에서는 20여 가지 직접 포집 방법으로 CO2를 걸러내려 하고 있지만, 지금의 방법은 비용이 많이 들고, 걸러내는 양도 소량이어서 만족한 기술이 되지 못하고 있다.​

센굽타 박사의 이산화탄소 필터는 제거량과 비용면에서 매우 희망적인 기술이라고 한다. 그의 필터는 굴뚝에서만 사용하는 것이 아니라 지구상 어디서라도 포집하여 해수가 있는 곳으로 가져가면 된다.

​센굽타 박사는 과거에 오염된 물을 정화시키는 방법을 주로 연구해왔다. 코로나 팬데믹이 계속되는 동안 그의 연구팀은 오염된 물에서 온실가스의 하나인 암모니아와 독소 물질인 비소(砒素 As)를 제거하는 물질을 찾으려 했다. 이 연구를 하는 동안 그들은 대기 중의 CO2를 흡수하는 물질에 대해서도 연구하기 시작했다.​

논문에 실린 CO2 필터의 개념 설명 그림이다.​

2년 이상의 실험 중에 연구진은 CO2를 흡착하는 필터를 발명했다. 그중의 하나가 폴리머에 구리를 부착시킨 물질(polymer-N-Cu)이었다. 그들은 굴뚝을 통해 나오는 CO2를 이 ‘폴리머 필터’에 흡착시킨 뒤, 바다에서 길어온 해수 탱크 속에 집어넣었다. 그 결과 폴리머 필터에 부착된 CO2는 해수 속의 소금과 결합하여, 필터는 다시 깨끗해졌고, 해수 속에는 NaHCO3가 남은 것을 확인했다.

​이 과정에 일어나는 화학변화는 복잡하다. 센굽타 팀의 이러한 연구는 실험실 내부에서 성공적으로 이루어졌다. 그러나 대규모로 쏟아져 나오는 연기 속의 CO2를 걸러내자면, 필터 생산과 설치 시설을 방대하게 준비해야 할 것이다. 센굽타 팀은 이 문제를 계속 연구할 것이라고 한다. – YS

​<참고 논문>

Journal:​ ​​H. Chen et al. Direct air capture (DAC) and sequestration of CO2: Dramatic effect of coordinated Cu(II) onto a chelating weak base ion exchanger. Science Advances. Vol. 9, March 8, 2023.