Reuse of spent molecular sieves as adsorbents: a waste valorization strategy for low-temperature thermal energy storage

에너지 시스템이 변화하고 있습니다. 전 세계가 화석 연료에서 벗어나고자 함에 따라, 과제는 단순히 깨끗한 전력을 생성하는 것뿐만 아니라 태양 빛이 비치지 않거나 바람이 불지 않을 때를 대비해 에너지를 효율적으로 저장하는 것입니다. 열을 저장하는 유망한 방법 중 하나는 흡착이라고 불리는 과정을 통하는 것입니다. 공기 중의 수증기를 빨아들일 수 있는 스펀지를 상상해 보십시오. 이 스펀지를 가열하면 물을 방출하게 되는데, 이 과정에서 상당한 양의 열에너지를 흡수합니다. 만약 이 순환을 반복할 수 있다면, 이 재료는 열을 위한 배터리 역할을 하여 에너지가 필요할 때까지 열을 보유하게 됩니다. 이것이 잘 작동하게 만드는 핵심은 저렴하고 안정적이며, 물을 잡고 놓아주는 능력이 뛰어난 재료를 찾는 것입니다. 수십 년 동안 과학자들은 이 작업을 위해 분자체(molecular sieves)라고 알려진 합성 결정체를 주목해 왔으나, 이 재료들은 제조 비용이 많이 들 뿐만 아니라 산업용 가스 정화 과정에서 본래의 목적을 다한 후에는 종종 유해 폐기물로 버려지곤 합니다.

아르헨티나의 한 연구팀은 이 문제를 기회로 바꾸었습니다. 그들은 이미 사용된 분자체, 즉 천연가스 정제 공장에서 이미 사용되어 현재 버려지고 있는 것들이 열 저장 재료로서 제2의 삶을 살 수 있을지 조사했습니다. 연구진은 이 버려진 결정체들을 단순한 쓰레기로 취급하는 대신, 산업 현장에서 수년간 사용된 후에도 내부 구조와 수분을 보유하는 능력이 온전하게 유지되는지 질문을 던졌습니다. 이 사용된 재료들을 신선한 천연 결정 및 다른 유형의 합성 화합물과 비교 테스트한 결과, 연구진은 폐기된 재료가 열 배터리로 기능하는 데 필요한 필수적인 특성을 여전히 유지하고 있다는 것을 발견했습니다. 이러한 발견은 유해한 산업 부산물을 가치 있는 자원으로 전환하는 방법을 제시하며, 폐기물이 지속 가능한 에너지 도구로 변모하는 순환 경제를 지원합니다.

연구는 특정 유형의 폐기물로부터 시작되었습니다. 바로 석유 및 가스 산업의 가스 처리 시설에서 수집된 사용된 분자체입니다. 이러한 시설들은 수분과 기타 불순물을 제거하여 천연가스를 건조하고 정제하기 위해 이 분자체들을 사용합니다. 시간이 흐름에 따라 분자체는 포화 상태가 되어 교체되며, 단 하나의 공장에서만 연간 약 50톤의 이 재료가 발생합니다. 현재 이 폐기물은 탄화수소가 갇혀 있어 유해 물질로 분류되며, 이로 인해 처리 비용과 환경적 우려가 발생합니다. 연구진은 실리콘, 알루미늄, 산소로 만들어진 합성 결정인 이 사용된 재료의 샘양을 채취하여 일련의 엄격한 테스트를 거쳤습니다. 공정한 비교를 위해, 연구진은 지표면에서 발견되는 천연 광물 결정과 실험실에서 제작된 복합 재료를 함께 테스트하여 각 재료가 열에 어떻게 반응하고 물과 어떻게 상호작용하는지 조사했습니다.

첫 번째 단계는 재료의 물리적 구조를 살펴보는 것이었습니다. 강력한 현미경을 사용하여 연구진은 사용된 분자체의 표면과 내부 기공을 조사했습니다. 연구진은 이 결정체들이 산업 현장에서 오랜 기간 사용되었음에도 불구하고 구조가 붕괴되거나 다공성 성질을 잃지 않았음을 발견했습니다. 물 분자가 들어가고 나갈 수 있게 해주는 미세한 통로와 구멍들이 여전히 명확하게 보였으며 서로 잘 연결되어 있었습니다. 이는 매우 중요한 발견인데, 왜냐로 이 시스템에서 열을 저장하는 능력은 전적으로 물을 들여보내고 내보내는 재료의 용량에 달려 있기 때문입니다. 사용된 결정체들은 신선한 결정체와 놀라 만큼 유사해 보였으며, 이는 가스 정화의 가혹한 조건이 에너지 저장에 유용하게 만드는 바로 그 특징들을 파괴하지 않았음을 시사합니다.

다음으로, 팀은 물과 어떻게 상호작용할지 이해하기 위해 재료의 화학적 구성을 분석했습니다. 연구진은 결정 내의 실리콘 대 알루미늄 비율을 측정했는데, 이는 재료가 물 분자를 얼마나 강하게 끌어당기는지를 결정하는 요소입니다. 사용된 분자체는 알루미늄 함량이 높았는데, 이는 물에 대한 강한 전기적 인력을 만들어 재료가 습기를 흡수하는 데 매우 유리하게 만듭니다. 반면, 테스트에 사용된 천연 광물은 알루미늄이 적어 물을 덜 단단하게 붙잡을 가능성이 높았습니다. 세 번째 재료인 인산칼슘 복합체는 다시 한번 다르게 행동했는데, 이는 내부 결정 구조가 아닌 표면 화학에 의존하여 물을 보유한다는 점이 달랐습니다. 화학적 분석은 사용된 분자체가 물을 잡아두는 데 필요한 적절한 종류의 '끈적임'을 갖추고 있음을 확인해주었으며, 이는 열에너지를 포집하고 방출하는 데 필수적인 특성입니다.

그 후 연구진은 온도 변화에 따라 재료가 어떻게 행동하는지 확인하기 위해 열 테스트를 진행했습니다. 그들은 온도가 높아짐에 따라 샘플의 질량이 얼마나 감소하는지를 측정하는 열중량 분석법을 사용했습니다. 온도가 상승함에 따라 세 가지 재 liệu 모두 무게가 감소했지만, 그 방식은 서로 달랐습니다. 천연 광물은 매우 안정적이어서 질량 감소가 거의 없었는데, 이는 물을 매우 단단하게 붙잡고 있지만 빠른 에너지 저장을 위해 물을 쉽게 방출하지 못할 수도 있음을 의미했습니다. 복합 재료는 높은 온도에서 상당한 무게 감소를 보였으나, 이는 유기 성분의 분해 때문이었으며, 이는 반복적인 사용을 위한 안정성이 부족할 수 있음을 나타내는 신호였습니다. 그러나 사용된 분자체는 균형 잡힌 행동을 보여주었습니다. 이들은 가열될 때 물을 꾸준히 방출하며 통제된 방식으로 질량을 감소시켰고, 구조가 무너지지 않았습니다. 이는 이 재료가 저장된 에너지를 방출하기 위해 가열될 수 있고, 다시 흡수하기 위해 냉각될 수 있다는 것을 나타내며, 이는 재사용 가능한 열 배터리에 필수적인 순환 과정입니다.

이 과정에 수반되는 에너지를 이해하기 위해, 팀은 재료로 유입되거나 유출되는 열의 흐로를 측정하는 시차 주사 열량 측정법을 사용했습니다. 사용된 분자체를 가열했을 때, 연구진은 넓은 범위의 열 흡수를 관찰했습니다. 이 열은 단순히 고체 재료를 데우는 데 쓰이는 것이 아니라, 물 분자를 결정의 표면으로부터 떼어내어 미세한 기공 밖으로 끌어내는 데 사용되었습니다. 이 열 흡수가 넓은 온도 범위에서 일어났다는 사실은 물이 결정 내의 다양한 방식으로, 어떤 것은 약하게, 어떤 것은 더 강하게 결합되어 있음을 시사합니다. 이는 에너지 저장 측에 있어서 매우 긍정적인데, 재료가 에너지를 한꺼번에 흡수하는 대신 점진적으로 흡수할 수 있게 해주기 때문입니다. 측정 결과, 사용된 분자체는 신선한 천연 광물과 비슷하거나 심지어 더 나은 수준의 상당한 열에너지를 흡수할 수 있음이 밝혀졌으며, 이는 가스 공장에서의 첫 번째 생애 이후에도 열 저장 능력이 상실되지 않았음을 입증합니다.

연구는 이 버려진 산업용 결정체들이 단순한 폐기물이 아니라 저온 열에너지 저장을 위한 실행 가능한 자원이라는 결론을 내렸습니다. 사용된 분자체는 가혹한 산업 조건에서도 사용된 후에도 구조적 무결성, 물을 끌어당기는 화학적 능력, 그리고 열적 안정성을 유지했습니다. 이들은 물과 에너지를 방출하기 위해 가열될 수 있고, 다시 물을 흡수하고 에너지를 저장하기 위해 냉각될 수 있으며, 그 과정에서 분해되지 않습니다. 이 발견은 순환 경제를 향한 실질적인 경로를 제공합니다. 가스 처리 시설이 매년 50톤의 유해 폐기물을 매립지로 보내는 대신, 동일한 재료를 재생 에너지를 저장하는 데 활용할 수 있습니다. 연구진은 이 재료들이 수년간 반복적인 가열과 냉cooling을 수행할 때 어떻게 작동하는지에 대해 더 많은 연구가 필요하다고 언급했지만, 초기 결과는 명확합니다. 즉, 한 산업의 폐기물이 다른 산업의 에너지 저장 솔션이 될 수 있으며, 이를 통해 처분 문제를 지속 가능한 자산으로 바꿀 수 있다는 것입니다.