한국 과학자들이 100년 넘게 이어져 온 정유 산업의 패러다임을 바꿀 획기적인 기술을 선보였다. 원유를 고온으로 가열해 증류하던 전통적 방식 대신, 상온에서 특수 분리막으로 걸러내는 혁신적 공정을 구현한 것이다.
25일 과학기술정보통신부는 고동연 KAIST 생명화학공학과 교수팀이 저렴한 고분자 막을 활용해 원유를 상온에서 정밀 분리하는 데 성공했다고 발표했다. 과기정통부의 지원을 받은 이 연구 결과는 세계적 과학저널 '네이처'에 실렸다.
현재 전 세계 정유 산업은 원유를 가열했다 냉각하는 증류 방식으로 운영되고 있다. 이 과정에 투입되는 에너지는 연간 1100TWh로, 대형 원전 130기가 연중무휴로 가동돼야 하는 어마어마한 규모다.
고동연 카이스트 교수 / KAIST
학계에서는 에너지 절감을 위해 증류 대신 분리막 기술을 적용하려는 시도가 계속됐다. 하지만 분자 수준의 정밀 분리를 위해서는 분리막 표면에 머리카락보다 훨씬 얇은 '선택층' 코팅이 필수라는 게 정설이었다. 문제는 이 방식이 제조 비용을 높일 뿐 아니라, 면적이 넓어질수록 코팅 불량이 발생해 대량 생산이 힘들다는 점이었다.
연구팀은 발상을 180도 전환했다. 별도의 코팅 없이 저가의 다공성 고분자(PAN) 막에 원유를 직접 통과시키는 대담한 실험을 진행한 것이다.
실험 결과는 놀라웠다. 원유 내 무거운 성분들이 분리막의 미세 구멍에 자연스럽게 달라붙으면서, 머리카락 직경의 5만분의 1 수준인 2나노미터 이하의 정교한 통로를 스스로 만들어냈다. 원유가 분리막과 반응하며 자체적으로 최적화된 '체'를 구축한 셈이다.
이렇게 형성된 통로를 통해 나프타, 휘발유, 등유 같은 가벼운 성분은 신속히 통과하고, 무거운 잔여물은 거의 완벽하게 차단됐다.
상온에서 가압한 원유를 다공성 PAN 분리막에 흘려보내 휘발유·나프타·등유 등 가벼운 성분만 걸러내는 공정 모식도 / 고동연 카이스트 교수
일반적으로 분리막에 기름이 붙는 현상은 성능 저하를 일으키는 '오염'으로 간주됐다. 그러나 연구팀은 이를 오히려 분리 통로 형성에 활용하는 역발상으로 성공을 거뒀다. 이 기술은 기존 최고 성능 원유 분리막보다 23배 빠른 분리 속도를 보였으며, 28일 연속 운전에도 성능 감소 없이 우수한 안정성을 확인했다.
특히 이 기술은 기존 정유 설비를 전면 교체할 필요 없이, 배관에 필터 모듈만 추가하면 바로 도입할 수 있다는 장점이 있다.
이 분리막으로 나프타와 휘발유 등을 선별한 뒤 나머지만 증류탑에서 처리하면, 전체를 증류하는 방식 대비 에너지 사용량은 31.6%, 이산화탄소 배출은 37.6% 줄어들고, 운영 비용도 36% 감소한다.
국내 정유·석유화학 산업 전체에 적용 시 연간 온실가스 약 1000만 톤을 줄일 수 있는데, 이는 승용차 400만 대의 연간 탄소 배출량에 해당한다. 이 기술은 원유 분리를 넘어 나프타·방향족 분리, 폐플라스틱 재활용, 배터리 소재 및 의약품 제조 등 여러 산업으로 확대 가능하며, 한국형 분자 정유 플랫폼 기술로 발전할 가능성이 크다.
고동연 교수는 "산업이 발전할수록 적은 에너지로 효율적으로 분리하는 기술의 중요성은 더욱 커진다"며 "우리 생활 속 거의 모든 제품의 원료인 원유를 가열 없이 분리하는 방식으로 전환한다면, 다가오는 에너지 대전환 시대의 부담을 상당 부분 덜어낼 수 있을 것"이라고 전망했다.