특허 개요
본 특허는 암모니아를 포집한 뒤 다시 사용할 수 있도록 설계한 다공성 유기 고분자(POP) 기반 암모니아 흡착제입니다. POP 골격에 술폰산기를 도입해 저압 암모니아 흡착을 높이고, 알데하이드 반응을 통한 후합성 변형으로 알킬기를 추가해 표면을 소수성화합니다. 알킬화된 소재는 헬륨 퍼지에서 암모니아 탈착이 빠르게 일어나도록 설계되어, 흡착과 재생 특성을 함께 조절합니다.
- 핵심 기능
술폰산기 기능화 POP가 암모니아를 흡착하고, 알킬기가 도입된 POP는 수분 친화성을 낮춰 탈착과 재생 특성을 조절합니다. 제조 시 술폰산기 함유 POP를 HCl 수용액에서 알데하이드와 반응시켜 알킬기를 후도입하며, 알킬 사슬 조건에 따라 소재 특성을 설계할 수 있습니다.
- 차별 강점
활성탄·제올라이트 기반 흡착제는 흡착능 제약으로 사용시간이 짧을 수 있고, 일반 흡착제는 고온 진공펌프 재생이 필요한 한계가 있습니다. 본 특허는 술폰산기의 저압 흡착 특성과 알킬기의 소수성·재생 특성을 결합해, 암모니아 포집 성능과 상온 헬륨 퍼지 기반 재생 가능성을 함께 제시합니다.
- 활용 범위
기술·연구 측면에서는 암모니아 기체 흡착·분리, 저농도 기체 파과 평가, 습윤 조건의 선택 흡착 및 흡착제 재생 분야에 활용 가능하며, 축산폐수·바이오가스화 소화 탈리액과 하수처리 공정의 암모니아 저감에 적용할 수 있습니다. 사업 측면에서는 암모니아 회수 설비, 대기 중 암모니아 포집, 질소산화물 제거 공정 연계, 흡탈착 기반 고순도 암모니아 가스 회수 분야로 확장할 수 있습니다.
연구 개발 단계
술폰화·알킬화 POP와 비기능화·술폰화 POP를 대상으로 암모니아 흡착, 기체 파과 및 5회 재사용 평가를 수행했습니다. 건조 및 상대습도 80% 조건에서 선택 흡착과 헬륨 퍼지 기반 탈착을 확인했으나, 실제 폐가스·폐수 조성에서의 장기 운전과 흡착탑 규모 검증은 제시되지 않았습니다.
- 평가 시료: 술폰화·알킬화 POP 1, 1S, 1E, 1ES, 1SCx, 1ESCx
- 비교 시료: 비기능화 POP 1·1E 및 술폰화 POP 1S·1ES
- 흡착 조건: 암모니아 흡착 298 K, 질소 흡착 77 K
- 파과·재사용 조건: 암모니아 500 ppm, 상대습도 0% 또는 80%, 재사용 5회
현재 성과
술폰산기 기능화 소재 1S는 약 0.5 mbar에서 해당 암모니아 흡착량을 보였습니다. 술폰산기가 저압 영역의 암모니아 흡착에 기여하도록 설계된 결과이며, 저농도 암모니아 포집 용도에서 확인이 필요한 성능 지표입니다.
암모니아 500 ppm 파과시험을 상대습도 0% 및 80% 조건에서 수행하고, 기능화 POP의 흡착·탈착 거동을 비교했습니다. 상대습도 80%에서도 모든 시료의 암모니아 선택 흡착이 관찰됐으며, 1ESC9은 5회 재사용 후에도 재생 용이성이 확인됐습니다.
기존 활성탄·제올라이트 흡착제의 흡착능 및 재생 부담에 대응하기 위해, POP 골격에 술폰산기와 알킬기를 단계적으로 도입했습니다. 술폰산기는 저압 흡착을, 알킬기는 소수성화와 헬륨 퍼지 기반 탈착을 담당하도록 기능을 분리한 점이 핵심 차별점입니다.
상용화까지 남은 부분
실제 폐가스·폐수 조성에서 수분과 공존 성분 영향을 포함한 장기 흡착 내구성 검증
반복 재생 수명과 재생 조건별 흡착 성능 유지율 검증
대량 합성, 흡착탑 적용을 위한 성형 공정, 스케일업 및 제조 재현성 확보
실제 공정 조건에서의 흡착탑 운전과 암모니아 회수 성능 실증
기술 이전 형태·도입 과정
도입은 이렇게 진행됩니다.
검토 미팅
귀사 상황·데이터 구조 기준으로 적합성을 논의합니다. 자료 검토만으로 끝나도 됩니다.
PoC 공동 검증
연구팀 동행 하에 귀사 데이터 기준 재학습·성능을 확인합니다.
라이센싱 계약
PoC 결과를 기반으로 희망 형태(실시권·공동연구 등)를 협의합니다.
기술지도·후속
도입 초기 기술지도, 필요 시 후속 공동연구·정부과제 연계까지 진행합니다.
특허 정보
다공성 유기 고분자 기반 암모니아 흡착제 및 이의 제조방법
10-2020-0181732 (2020.12.23)
1020210083197 (2021.07.06)
1024892360000 (2023.01.12)
홍창섭, 강동원
고려대학교 산학협력단
고려대학교 산학협력단