본 연구에서는 중공사형 이산화탄소 분리막 모듈을 사용하여 수소개질기 배가스로부터 이산화탄소 포집을 목적 으로 한 분리막 공정 최적화 연구를 진행하였다. 랩스케일의 소형 분리막 모듈을 사용하여 혼합기체를 대상으로 이산화탄소 순도 90% 및 회수율 90%을 달성하는 2단 공정 조건을 도출하였다. 막 면적이 정해진 모듈의 분리막 공정에서는 스테이지-컷, 주입부 및 투과부 압력에 따라서 포집 순도 및 회수율이 모두 다르게 나타나기 때문에 운전 조건에 대한 최적화가 필수적이 다. 본 연구에서는 다양한 운전 조건에서 1단 분리막에서 보이는 공정 포집 효율의 한계를 확인하고, 높은 순도와 회수율을 동시에 달성하기 위한 2단 회수 공정을 최적화하였다.

In this study, we investigate the relationship between the peeling behavior of the backsheet of a photovoltaic(PV) module and its surface temperature in order facilitate removal of the backsheet from the PV module. At low temperatures, the backsheet does not peel off whereas, at high temperatures, part of the backsheet remains on the surface of the PV module after the peeling process. The backsheet material remaining on the surface of the PV module is confirmed by X-ray diffraction(XRD) analysis to be poly-ethylene(PE). Differential scanning calorimetry(DSC) is also performed to investigate the interfacial characteristics of the layers of the PV module. In particular, DSC provides the melting temperature(Tm) of laminated ethylene vinyl acetate(EVA) and of the backsheet on the PV module. It is found that the backsheet does not peel off below the Tm of ethylene of EVA, while the PE layer of the backsheet remains on the surface of the PV module above the Tm of the PE. Thus, the backsheet is best removed at a temperature between the Tm of ethylene and that of PE layer.

In this study, using a wet chemical process, we evaluate the effectiveness of different solution concentrations in removing layers from a solar cell, which is necessary for recovery of high-purity silicon . A 4-step wet etching process is applied to a 6-inch back surface field(BSF) solar cell. The metal electrode is removed in the first and second steps of the process, and the anti-reflection coating(ARC) is removed in the third step. In the fourth step, high purity silicon is recovered by simultaneously removing the emitter and the BSF layer from the solar cell. It is confirmed by inductively coupled plasma mass spectroscopy(ICP-MS) and secondary ion mass spectroscopy(SIMS) analyses that the effectiveness of layer removal increases with increasing chemical concentrations. The purity of silicon recovered through the process, using the optimal concentration for each process, is analyzed using inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy(ICP-AES). In addition, the silicon wafer is recovered through optimum etching conditions for silicon recovery, and the solar cell is remanufactured using this recovered silicon wafer. The efficiency of the remanufactured solar cell is very similar to that of a commercial wafer-based solar cell, and sufficient for use in the PV industry.

(주)파인텍에서 개발한 제올라이트 4A 분리막을 이용하여 물/알코올의 단일및 혼합성분의 투과증발 실험을 수행하였다. 다양한 온도 및 농도 조건 실험을 통해 물/메탄올(분리계수 250 이상) 물/에탄올(3,000 이상), 물/이소프로필알코올(1,500 이상), 물/부탄올 (1,500 이상) 혼합물로 부터 물을 선택적으로 분리할 수 있음을 확인하였다. 활동도계수-퓨개시티 모형, GMS 모형 및 Dusty Gas 모형을 이용하여 단일성분 및 혼합물의 투과증발 거동을 모사하였으며, GA (Genetic Algorithm) 및 SQP (sequential quadratic programming)를 이용한 상수추정을 통하여 제올라이트 활성층의 흡착 및 확산 상수를 구하였다.

본 연구에서는 PAN과 폴리설폰의 두 지지체와 PEBAX 1657, 2533 두 선택층을 형성하였고, 지지체의 투과저항으로 인한 복합 막의 기체 투과도와 선택도의 차이를 확인하였다. 투과선택도를 향상시키기 위하여 PEG를 첨가하여 20에서 50 wt% 범위에서 농도를 달리하여 막을 제조한 후 CO2, N2 기체 투과성능을 측정하였다. 투과 성능이 가장 우수한 복합막의 물성 평가로써, PEBAX 복합평막의 미세구조를 관찰하였고, PEG 함량의 증가로 인한 Polyether 유리전이온도의 변화를 확인하였다. PEG 첨가제에 의한 PEBAX 복합평막은 에틸렌옥사이드 그룹으로 이루어진 PEG가 이산화탄소에 친화성을 가지고 있어서, PEG가 증가함에 따라 이산화탄소의 투과도를 향상시킬 수 있었다.

배가스의 이산화탄소 농도인 14%를 기준으로 실험실규모에서 벤치스케일로 격상하였고, 랩스케일에서는 모사가스로 진행한 반면 벤치스케일에서는 실제 보일러에서 나오는 배가스로 실험을 진행하였다. 배가스의 높지않은 압력조건을 감안하여 본 연구에서는 1단 분리막 공정실험에서는 주입부 압력 2 bar, 투과부압력 0.2 bar에서 실험을 진행 하였고, 2단 막 공정에서는 1단 분리막은 동일하게, 2단 분리막 주입부 압력 1 bar, 투과부 압력 0.05 bar에서 진행하였다. 결론적으로 랩스케일에서 벤치스케일로 격상했을 경우 같은 경향성을 볼 수 없었으며 이는 실제 발전소 및 보일러에서 연소되는 배가스를 분리막공정으로 포집하는 것은 사전연구가 더욱 필요하다는 것을 확인하였다.

본 연구에서는 제올라이트 4A 분리막((주)파인텍)에서의 물과 알코올(메탄올, 에탄올, IPA, 부탄올)의 1성분, 2성분 그리고 3성분 투과증발 특성을 실험 및 모형을 통해 분석하였다. 다양한 온도 및 농도 조건 실험을 통해 제올라이트 4A 분리막이 알코올로 부터 물을 선택적으로 분리할 수 있음을 확인하였으며, 이때 분리계수는 각각 물/메탄올 150 이상, 물/에탄올 3,000 이상, 물/IPA 1,500 이상, 물/부탄올 1,500 이상이었다. Generalized Maxwell Stefan 모형 및 Dusty Gas 모형을 이용하여 단일성분 및 혼합물의 투과증발 거동을 모사하였으며, Genetic Algorithm을 이용한 상수추정을 통하여 비지지체의 흡착 및 확산 상수를 구하였다.

본 연구에서는 (주)파인텍에서 제조한 제올라이트 4A 분리막을 이용하여 물/메탄올, 물/부탄올 혼합물의 투과증발 실험을 수행하였다. 분리막을 투과한 기체분자들은 액체질소트랩을 이용하여 포집하였으며, 기체크로마토그래피(TCD)를 이 용하여 혼합물의 조성을 분석하였다. 실험을 통해 물과 메탄올(분리계수 최대 250 이상), 물과 부탄올(분리계수 최대 1,500 이상)의 혼합물에서 선택적으로 물을 분리하는 것을 확인하였다. GMS (generalized Maxwell Stefan) 이론을 적용하여 2성분 계의 투과증발 거동을 모사하였으며, 상수추정을 통하여 제올라이트 비지지체의 흡착상수 및 확산상수를 구하였다. 제올라이 트 4A 분리막의 경우 기공의 크기가 물보다는 크고, 메탄올, 부탄올 보다는 작기 때문에, 알코올로부터 물을 분리시키는 공정 에 적용시킬 수 있다. 바이오 에탄올 분리, 부탄올 분리, 막반응기, 하이브리드 반응-탈수 공정 등에 적용할 수 있을 것으로 사료된다.

이산화탄소를 이용한 메탄올 합성반응과정에서 생성되는 물, 메탄올, 부탄올로 이루어진 혼합용액에서 제올라이트 분리막을 이용하여 물을 분리시키기 위해 투과증발실험을 진행하였다. 투과증발실험에서 사용된 분리막은 ㈜파인텍에서 합성된 제올라이트 분리막을 공급받아 사용하였다. 투과증발실험에서는 물을 분리하는 성능을 확인하기 위해 가스크로마토그래피 등의 실험장비와 성능지표 를 나타내는 계산식들을 사용하였다. 실험을 통해 물과 메탄올(분리계수 최대 250 이상), 물과 부탄올(분리계수 최대 1500 이상)의 혼합물에서 선택적으로 물 을 분리하는 것을 확인하였다. GMS (Generalized Maxwell Stefan) 이론을 적용 하여 2성분계의 투과증발 거동을 모사하였으며, 상수추정(parameter estimation) 을 통하여 제올라이트 비지지체의 흡착상수 및 확산상수를 구하였다.

CCS is not a recent issue. Efforts to reduce carbon dioxide since the 1990s have been around the world, and the carbon dioxide emitted from post-combustion flue-gases is still enormous. Membrane technology also has been widely considered as a good candidate to enrichment of CO2, but it has not been verified about the remarkable advantages compare to the other technologies; such as amine scrubbing or physical adsorption. Numerous membranes for CO2 separation with high selectivity and permeance have been developed, but the membrane process for those applications are much less. The industrial technology to concentrate and store the carbon source has not been proved enough for its massive emission and engineering issue. Moreover, membrane technology lacks database for large scale processes. In this talk, the membrane process for CCS industry will be introduced. The considerable factors for industrial application of membrane technology will be also announced.

분리막을 이용하여 연소후 이산화탄소 포집 공정을 연구하였다. 5 Nm³/h 용량의 벤치급 막분리 공정 설비에서 보일러를 연소시켜 생성한 배가스를 사용하였고, 가스 용량에 맞춰 압축기 등의 부품은 산업용 제품으로 구성하였고 측정, 제어에 필요한 기기는 가능한 실험용 부품으로 구성하여 정확히 측정하도록 노력하였다. 전체 연구에서는 다양한 분리막 모듈을 대상으로 단일 분리막의 투과성능 뿐만 아니라 다단 분리막 조합에서 이산화탄소 포집 성능을 측정하였으며, 이번 주제에서는 고분자 분리막 모듈을 2단으로 구성하여 측정한 결과를 중심으로 발표하고자 한다. 벤치급 막분리 공정의 주요 변수로서 가스의 공급 유량, 1단과 2단의 압력비 등을 바꿔가며 포집 성능을 측정하였다.

PEBAX는 높은 CO2 선택도로 인하여 CO2 포집을 위한 분리막 연구에 널리 사용하고 있다. 본 연구에서는 Poly(ether block amides) (PEBAX) 2533을 에탄올에 용해, support를 PAN(Polyacrylonitrile), PSf(Polysulfone)로 사용하여 복합평 막을 제조하였다. 투과선택도를 향상시키기 위하여 Poly (ethylene glycol) (PEG) 를 첨가하여 막을 제조한 후 CO2, 와 N2 기체에 대한 투과도와 선택도를 평가 하였다. PEG도입에 의한 PEBAX 복합막 제조는 PEBAX가 가지고 있는 투과도 한계를 향상 시킬 수 있다.

The carbon capture and storage (CCS) technology from industrial flue-gas has been an important environmental issue in these days. However, membrane process has a number of breakthrough-point to commercialization in scale-up. In this work, process optimization for high purity and high CO2 recovery with lower the capture cost has been investigated. Lab-made membrane pilot process using real flue gas has been also set up to derive industrial factor.

Membrane is a relatively new industrial gas separation technology and has been studied as an alternative CO2 capture technologies to amine absorption. Membrane processes have a merit such as low energy use, small footprint, no by-products formation, and simple operating condition. When applied to flue gas CO2 capture, low CO2 concentration and normal pressure of flue gas stream places a practical limits on the membrane operation. The up-to-date membranes should allow module performance to rise to levels practical for fossil-fuel power station use. In this talk, membrane module is being evaluated for flue gas treatment. Membrane processes using several membranes, which are now being studied under the R&D projects granted by KCRC, are investigated to capture CO2 from the simulated gas.

연소 후 생성되는 연소가스 중 CO2는 온실가스 기체중 하나로, CO2를 처리하기 하기 위해 CCS 기술 개발이 세계적으로 주목 받고 있다. 하지만 단일막을 이용한 CO2 포집 공정에서는 약 14%의 CO2를 포함한 연소 배기가스로부터 고 순도, 고회수율을 달성하기란 매우 어렵다. 본 연구에서는 다단막 공정 디자인 및 다양한 운전 변수를 통하여 14%의 CO2를 가지고 있는 혼합모사가스로부터 순도 73% 회수율 74%의 포집 효율을 얻을 수 있었다.

Membrane technology for CO2 capture from flue-gas has been intensively considered due to their energy efficiency, small footprint and process accessibility for large-scale up without any by-products. There are many world-score membrane materials has been developed so far, and large-scale modulation and process design are key issues for industrial application in carbon capture technology. To reach the goal of high purity as well as high recovery, configuration and operation parameter should be optimized in aspect of process design. In this study, single membrane module performance for process design and the multi-stage membrane configuration has been suggested to optimize operating parameter for high purity and recovery. Operation parameters such as stage-cut and pressure ratio will also be discussed for high purity and recovery.

Mathematical models are developed for single and multi-stage membrane processes to simulate gas separation in MATLAB®. The single-stage membrane process simulations are validated through comparison with mixed-gas experimental results at different operating condition. Based on this validated single-stage process model, multi-stage membrane processes including 2 or 3 stages membranes with recycle streams are simulated. The resulting simulation outputs are shown to reproduce experiment results with reasonable accuracy. Hence, this process modeling framework can be utilized in future design and optimization studies.

The carbon capture and storage (CCS) technology from industrial flue-gas is an important environmental issue these days. Membrane process can be competitive technology for its relatively small footprint and eco-friendly system. Many membrane modules with high selectivity and excellent flux have been developed so far. However, the high purity and recovery for CO2 capture can be achieved by optimization of operating conditions such as membrane area, feed/permeate pressure ratio and humidity of flue gas as well as membrane permeance or selectivity. In this study, we discuss the effect of operating parameters for high CO2 purity and recovery at permeate side. Using polymeric hollow fiber membrane, the single membrane process was tested to figure out the effect of feed flow rate, pressure ratio, membrane area and moisture content.