이러한 이점은 새로운 화학 반응기 덕분이다.

반응기는 자동차 호스 및 씰과 파란색 보호 장갑에서 발견되는 니트릴 고무 성분을 포함하여 다양한 산업 화학 물질 목록을 만드는 데에도 사용되는 주력 화학 물질인 프로필렌을 생성한다. 오늘날 사용되는 대부분의 프로필렌은 원유를 휘발유로 정제하는 과정에서 부산물로 수집되는 정유소에서 생산된다.

석유와 휘발유가 천연가스, 태양열, 풍력 에너지로 인기를 끌면서 유행이 쇠퇴함에 따라, 새로운 제조 방법이 없으면 프로필렌 및 기타 석유 유래 제품의 생산량이 현재 수요보다 낮아질 수 있다.

셰일에서 추출한 천연가스는 원유에서 추출한 프로필렌을 대체할 수 있는 잠재적인 대안 중 하나이다. 프로판은 유망한 전구체 물질이 될 만큼 프로필렌과 유사한 프로판이 풍부하지만, 천연가스로부터 프로필렌을 만드는 현재 방법은 공급과 수요의 격차를 메우기에는 여전히 너무 비효율적이다.

"프로판을 경제적으로 프로필렌으로 전환하는 것은 매우 어렵다."라고 미시간 대학의 화학 공학 교수이자 사이언스 연구의 교신 저자인 술조 리닉(Suljo Linic)은 말한다.

“반응을 일으키려면 반응을 가열해야 하며, 표준 방법에서는 충분한 프로필렌을 생산하기 위해 매우 높은 온도가 필요하다. 이러한 온도에서는 프로필렌뿐만 아니라 고체 탄소 침전물과 촉매를 손상시키는 기타 바람직하지 않은 생성물도 발생한다. 원자로를 재생하려면 고체 탄소 침전물을 자주 태워야 하기 때문에 공정이 비효율적이다.”

연구진의 새로운 반응기 시스템은 프로판을 프로필렌과 수소 가스로 분리하여 셰일가스로부터 프로필렌을 효율적으로 생산한다. 또한 더 많은 프로필렌을 만들 수 있는 방식으로 프로판과 반응 생성물의 농도 사이의 균형을 변경하여 수소에게 탈출구를 제공한다. 일단 분리되면 수소는 프로판에서 안전하게 연소되어 바람직하지 않은 화합물을 만들지 않고 반응 속도를 높일 수 있을 만큼 반응기를 가열할 수 있다.

이러한 분리는 반응기에 중첩된 중공 섬유 멤브레인 튜브를 통해 이루어진다. 가장 안쪽 튜브는 프로판을 프로필렌과 수소 가스로 분리하는 재료로 구성된다. 튜브는 대부분의 프로필렌을 가장 안쪽 챔버 내부에 유지하는 반면, 수소 가스는 재료의 멤브레인 층에 있는 기공을 통해 외부 챔버로 빠져나갈 수 있다. 그 챔버 내부에서 수소 가스는 정확한 양의 산소를 혼합하여 제어 가능하게 연소된다.

수소는 원자로 내부에서 연소될 수 있고 더 높은 프로판 압력에서 작동할 수 있기 때문에 이 기술을 사용하면 추가 히터를 설치하지 않고도 천연가스로부터 프로필렌을 생산할 수 있다. 연구진의 추정에 따르면 연간 500,000톤의 프로필렌을 생산하는 공장은 셰일 가스를 사용하는 다른 방법에 비해 최대 2,350만 달러를 절약할 수 있다. 이러한 절감 효과는 다른 연료가 아닌 반응으로 생성된 수소를 연소하여 운영 비용을 절감하는 것 외에 더해진다.

연구 자금은 미국 에너지부 산하 기초 에너지 과학국, RAPID 제조 연구소, 국립과학재단에서 지원받았다.

원자로 재료는 미시간 재료 특성화 센터에서 연구되었다. 팀은 U-M Innovation Partnerships의 지원을 받아 특허 보호를 추구하고 있으며 해당 기술을 시장에 출시할 파트너를 찾고 있다.

출처: 미시간대학교