부생가스는 주로 제철공장과 석유화학 공장에서 생성된다. 국내 철강산업에서 발생하는 부생가스는 연간 7000만톤(2014년 기준)에 이른다. 특히 철강산업 제련과정에서 일산화탄소와 수소가 수천, 수십만톤씩 발생하고 있다. 탄소중립을 위해 철강산업 분야에서는 반드시 해결해야 할 과제인 셈이다.
 

한국화학연구원 화학공정 연구본부 C1가스･탄소 융합센터(총괄책임자 김정훈 박사)와 연세대학교(김종학 교수)는 철강 부생가스 중 LDG에서 고순도의 CO와 CO₂를 회수하고, COG에서 H₂만을 선택적으로 분리 회수할 수 있는 기술을 개발했다. 

연구단에 의하면 부생가스를 분리, 정제하려면 압력순환흡착법(PSA), 흡수법, 초저온증류법 및 막분리법이 사용돼 왔다. 하지만 불순물이 많고 4가지 성분 이상의 가스로 이뤄진 부생가스에서 CO와  H₂를 고순도 가스로 대량 회수하는 데는 한계가 있다. 무엇보다 높은 에너지와 고비용의 플랜트가 요구되거나 운전과정에서 장기안정성이 부족해 아직 현장에 적용되지 못하는 상황이다.
 

현재 연구단은 분리막 원천소재를 스케일업해 파일럿 분리막 공정을 개발하는데 주력하고 있다. CO 분리막은 CO의 이중결합과 가역적 흡착이 가능한 전이금속 은이온을 고분자 소재인 키토산이나 폴리에틸렌옥사이드 소재에 결합시킨 복합막이다. 이는 세계 최고의 일산화탄소·질소의 선택도(10~20)와 일산화탄소 투과도(10~70 GPU)를 보였다.

H₂ 분리막은 유기용매에 녹는 고분자 폴리이미드 공중합체 소재를 자체 개발했다. 수소투과도가 최고 23.1~36.8 barrer, 수소·메탄의 선택도는 210~180으로 상용 폴리이미드 중공사막 소재인 독일 에보닉사 P84 (9.09barrer)보다 우수한 수소분리 특성을 나타낸다.

연구단에 의하면 철강부생가스 내 분리막 기술은 2030년께 상용화할 예정이다. 현재 개발 중인 고선택성 분리막 소재와 막분리공정의 스케일업으로 상용화되면 철강산업에서 버려지는 다성분 부생가스 내 CO와 H₂ 등을 고순도로 분리 정제할 수 있을 것으로 기대된다. 

또 CO를 활용하면 메탄올이나 플라스틱 제조에 필요한 화학원료 C1가스의 탄소자원화, 저가의 신재생 수소에너지도 공급을 할 수 있다. C1가스 생산과정에서 에너지절감은 물론 온실가스저감도 기대할 수 있다. LDG, COG에서 시간당 10000Nm³ 규모의 CO와 H₂를 화학반응 시킬경우 대기에 방출되는 CO₂ 감축량은 2027년도 29만6000톤, 2035년 88만8000톤으로 예상된다.

CO와  H₂ 분리기술은 국내외 저활용 탄소폐자원 산업에도 적용 가능하다. 시장대체효과는 철강부생가스에서 발생되는 CO는 연간 10조원,  H₂는 연간 1조2000억원 규모로 추산된다. 

연구는 과학기술정보통신부 산하 탄소자원화 연구단(단장 전기원 박사)이 수행했다. 결과는 국내외 특허 5건 출원과 3건을 등록했다. 또 분리막 분야의 최상위 SCI논문인 J. Membrane Science에 3편과 Polymer J. 2편에도 게재됐다.