새로운 세라믹 멤브레인으로 최초로 CO2 배출 없이 천연가스를 액체로 직접 전환 가능

2016년 8월 5일

CoorsTek 멤브레인 사이언스

CoorsTek Membrane Sciences, 오슬로 대학(노르웨이) 및 Instituto de Tecnología Química(스페인)의 과학자 팀은 천연 가스를 방향족 화학 물질의 원료로 사용하는 새로운 공정을 개발했습니다. 이 공정에서는 새로운 세라믹 막을 사용하여 처음으로 가스를 액체로 직접 비산화적으로 변환함으로써 비용을 절감하고, 여러 공정 단계를 없애고, 이산화탄소(CO2) 배출을 방지합니다. 생성된 방향족 전구체는 단열재, 플라스틱, 직물, 제트 연료 등 기타 귀중한 제품을 위한 원료 화학물질입니다.

바이오가스와 천연가스의 주성분인 메탄의 직접 활성화는 수십 년 동안 탄화수소 연구 커뮤니티의 핵심 목표였습니다. 이 새로운 공정은 사이언스(Science) 2016년 8월 5일자 "촉매 공용 이온 막 반응기에서 메탄을 방향족 화합물로 직접 전환"이라는 제목의 연구 논문에 자세히 설명되어 있습니다.

"오늘날 석유, 가스 및 석유화학 산업의 규모를 생각해 보십시오."라고 스페인 발렌시아 소재 ITQ(Instituto de Tecnología Química) 교수이자 탄화수소 촉매 작용에 대한 선도적인 연구실이자 공동 저자인 Jose Serra 박사는 말합니다. 사이언스에 보고하세요. "원유 대신 천연가스에서 연료와 화학물질을 만드는 새로운 세라믹 막 반응기를 사용하면 전체 탄화수소 가치 사슬이 훨씬 저렴하고 깨끗하며 가벼워질 수 있습니다."

"수소를 제거하는 동시에 산소를 주입하는 세라믹 멤브레인을 사용함으로써 원스텝 공정으로 메탄에서 직접 액체 탄화수소를 만들 수 있게 되었습니다. 보너스로 이 공정에서는 부산물로 고순도 수소 스트림도 생성됩니다. "라고 세라 교수는 설명합니다. "거시적 수준에서는 매우 간단합니다. 깨끗하고 저렴한 공정을 통해 저렴하고 풍부한 가스가 유입되고 귀중한 액체가 유출됩니다. 그러나 나노화학 수준에서는 분자가 약 700°C 온도에서 촉매 및 멤브레인과 상호 작용합니다. 새로운 프로세스를 작동시키는 데 필요한 특정한 가치 있는 분자를 제공하기 위해 엔지니어링하고 제어해야 할 많은 요소가 있었습니다."

메탄은 세계 탄화수소 자원의 큰 부분을 차지하지만, 이 자원의 대부분은 경제적으로 실행 가능한 시장 진출 경로 없이 좌초되어 있습니다. 산업적 전환이 가능한 경우에도 메탄 분자의 높은 안정성으로 인해 합성 가스 처리라고 알려진 메탄을 활성화하기 위해 산소나 증기를 사용하는 대규모 화학 공장의 다단계 처리와 관련된 에너지 손실이 발생합니다.

온도와 압력은 역사적으로 화학자와 엔지니어가 반응을 제어하기 위해 사용할 수 있는 주요 매개변수였습니다. 촉매는 화학적 평형 한계를 넘어 반응을 촉진하지 않고도 속도와 선택성을 향상시킬 수 있습니다. 세라믹 이온 전도성 막을 반응기에 통합하면 강한 열역학적 제약으로 인해 비실용적이었던 산업적으로 매력적인 공정의 생산성을 높일 수 있습니다.

세라믹 멤브레인은 대규모 모래 퇴적물에서 발견되는 바륨 및 지르코늄과 같은 풍부한 재료로 만들어졌으며 니켈 및 구리와 같은 풍부한 금속의 얇은 전기 촉매 층이 추가되었습니다.

CoorsTek Membrane Sciences의 전무 이사인 Per Vestre는 "대량 제조를 통해 가스 처리용 기존 촉매 반응기와 비용 경쟁력이 있는 활성 세라믹으로 막 반응기를 만들 수 있습니다."라고 말했습니다. "원자로 비용은 비슷하지만 이 새로운 공정으로 가능해진 결과는 화학 생산의 재정적 및 환경적 비용을 크게 향상시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. CoorsTek은 이 개발이 세상을 눈에 띄게 더 좋게 만들 것이라고 믿고 있습니다."

추가 정보: SH Morejudo 외, 촉매 공용 이온 막 반응기에서 메탄을 방향족 화합물로 직접 전환, Science (2016). DOI: 10.1126/science.aag0274