에너지자원공학과 이정환 교수팀

탄소중립 실현의 핵심 기술로 주목받는 CO2 지중 저장 분야에서, 심부 대염수층의 가혹한 고온·고염 환경에서도 안정성을 유지하는 새로운 나노유체 합성 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

전남대학교 에너지자원공학과 이정환 교수 연구팀(제1저자 김혜연·강인구)은 실리카 나노입자 표면을 아미노 실란 커플링제인 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES)으로 개질하여 고온·고염(최대 100℃, 200,000 ppm) 조건에서도 입자 응집 없이 안정적으로 분산되는 나노유체를 합성하는 데 성공했으며, 그 결과를 CO2 활용 분야 국제학술지인 'Journal of CO2 Utilization'(JCR 상위 9.9%, IF 8.4)에 게재했다. 또한 해당 기술은 관련 국내 특허 등록(등록번호 : 10-2978508)을 완료하여, 연구 성과의 독창성을 인정받는 동시에 향후, 상용화를 위한 기술적 기반을 확보했다.

CO2 지중 저장은 다양한 산업에서 배출되는 CO2를 심부 지층에 영구적으로 저장하는 기술을 말하며, 온실가스 감축의 필수 기술로 평가된다. 특히, 대용량 저장이 가능하고 전 세계적으로 분포가 넓은 대염수층이 유망한 CO2 저장소로 주목받고 있다. 하지만 기존 나노유체는 대염수층의 높은 온도와 염도 조건에서 입자 간 인력이 강해지면서 응집이 발생하여 암석 공극을 막고 투과도를 떨어뜨리는 한계가 있었다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 콜로이드 실리카 나노입자를 해수에 분산시키고, 등전점을 피하는 방법을 적용한 후, 실란 커플링제인 APTES로 나노입자의 표면을 개질하는 방식을 도입했다. 이때 표면에 결합된 APTES의 아미노기(-NH2)가 CO2와 반응해 양전하(-NH3+)를 형성하고, 이 전하가 입자 간 정전기적 반발력을 높여 응집을 효과적으로 억제하게 된다. 이와 더불어 분말 입자를 사용하던 기존 방식의 복잡한 다단계 공정을 줄여 보다 간단하고 경제적인 합성 기술을 구현했다.

합성된 나노유체는 0.05 wt%의 낮은 농도에서도 고온·고염 조건에서 입자 크기를 100 nm 이하로 유지하며 우수한 분산 안정성을 입증했다. 또한, 이 나노유체는 일반 해수와 대비하여 계면장력과 접촉각을 각각 최대 36.12%, 57.10%까지 감소시켜 CO2 저장 효율을 획기적으로 높일 수 있음을 확인했다. 특히, 이번 연구는 기존 에폭시 실란 나노유체에 비해 20배 낮은 농도에서 안정성 목표를 달성했으며, 비용 또한 약 25배 이상 낮아 경제적 실용성 측면에서도 의미가 크다.

연구팀 책임자인 이정환 교수는 "이번에 개발한 APTES-실리카 나노유체는 대염수층의 가혹한 조건에서도 뛰어난 안정성 및 암석 표면의 습윤도 제어 성능을 보여, CO2 지중 저장 효율을 높이는 주입 유체로 활용될 수 있다"며 "기존 합성법보다 공정이 간단하고 나노유체의 기반수로 바닷물을 직접 이용케 함으로써 현장 적용 시, 경제적 이점이 클 것으로 기대되며 유관 기업체를 통해 기술이전을 추진할 계획이다"라고 밝혔다.