증류 에너지 31.6% 절감 추산…원유 분리막 28일 시험

카이스트(KAIST)와 조지아공대(Georgia Institute of Technology) 연구진이 원유 분리막을 기존 대기압 증류 앞단에 적용한 공정 모델에서 에너지 사용량이 31.6% 줄어드는 결과를 얻었다. 정유공장에서 측정한 절감률이 아니라 시뮬레이션 비교값이다.

연구진은 6월 24일 국제학술지 네이처(Nature)에 다공성 폴리아크릴로니트릴(PAN) 막을 이용한 원유 분별 연구를 발표했다. 원유에서 가벼운 성분 일부를 먼저 나눈 뒤 나머지를 기존 설비로 보내는 방식이다.

논문은 전 세계 대기압·감압 증류에 연간 1100TWh가 넘는 에너지가 쓰이고, 이 과정에서 이산화탄소 환산 배출량이 1억6000만t을 넘는다고 설명했다. 원유를 가열해 끓는점 차이로 성분을 나누는 증류의 에너지 부담을 줄이는 것이 막 분리 연구의 배경이다.

기존 원유 분리막 연구에서는 선택성을 높이기 위해 막 표면에 얇은 층을 입히는 방식이 쓰였다. 이번 연구진은 산업용 분리막의 지지체로도 쓰이는 PAN 막을 별도 코팅 없이 적용했다.

원유가 막을 통과할 때 무거운 탄화수소가 기공 안쪽에 쌓였고, 처음 약 15나노미터였던 표면 기공은 2나노미터 미만의 통로로 좁아졌다. 이 통로를 통해 나프타와 등유 등 가벼운 성분이 상대적으로 잘 통과했다. 보통 막 성능을 떨어뜨리는 물질 축적이 이번에는 분리 기능을 만든 구조다.

접선 흐름 조건에서 PAN 막의 원유 투과도는 기존 원유 분리막의 기준보다 23배 이상 높았다. 이는 기존 정유 공정보다 23배 빠르다는 뜻이 아니라, 논문이 비교한 이전 분리막의 투과도와 견준 수치다.

연구진은 HD현대오일뱅크가 제공한 실제 원유로 막을 시험했다. 카이스트는 6월 25일 발표자료에서 28일 연속 운전 동안 분리 성능이 안정적으로 유지됐다고 밝혔다. 시험에는 상온에서 10~40bar 압력을 가하는 조건도 포함됐다.

공정 모델은 막 전처리 뒤 기존 대기압 증류를 이어가는 구성과 대기압 증류만 하는 구성을 비교했다. 분리막은 증류를 완전히 대체하는 장치가 아니라 원유를 먼저 분별하는 전처리 단계로 제시됐다.

같은 모델에서 이산화탄소 배출량은 37.6%, 냉각수 사용량은 20.7% 줄어드는 것으로 계산됐다. 이 수치 역시 정유공장 실측값이 아니다.

연간 총비용도 36.0% 낮아지는 것으로 산출됐다. 계산에는 막의 단위 면적당 비용에 대한 가정이 들어갔다.

따라서 에너지·배출량·냉각수·비용 감소율은 공정 모델 결과로 봐야 한다. 실제 원유를 사용한 28일 시험은 막의 분리 성능을 확인한 실험으로, 정유공장 전체의 에너지나 비용 절감률을 측정한 것은 아니다.

막을 이용한 원유 분리는 이번이 처음은 아니다. MIT 연구진은 2025년 5월 별도의 고분자 막 연구를 공개하며 에너지 사용량을 약 90% 줄일 수 있다는 추정치를 제시했다. 당시 수치는 산업 현장 실측값이 아니며, 이번 연구와 막의 구성·공정 적용 방식도 다르다.

라이언 라이블리(Ryan P. Lively) 조지아공대 교수는 카이스트 발표자료에서 “막의 생산성이 높아져 업계가 도입을 진지하게 검토할 수준이 됐다”고 말했다. 이는 기존 막 기술의 낮은 처리량을 개선했다는 연구진의 평가다.

카이스트는 이 기술을 국내 정유·석유화학 산업 전반에 적용할 경우 연간 온실가스 약 1000만t을 줄일 수 있다고 추산했다. 업계 전체 적용을 가정한 수치로, 이번 실험에서 확인한 감축량은 아니다.

링크드인 게시물에서 사이드 아즈파르 후세인(Syed Azfar Hussain)은 4주간의 실험이 수년 단위 정유공장 운전을 입증하지는 않는다며 원유 조성 변화와 오염물, 대규모 처리량에서 추가 검증이 필요하다는 의견을 밝혔다. 개인 게시물의 견해다. 카이스트는 대면적 모듈화와 장기 운전 신뢰성 향상을 후속 과제로 제시했다.