세라믹 분리막은 높은 열적, 화학적 안정성을 갖기 때문에 극한의 조건에서 운전되는 다양한 산업 공정에 적용할 수 있다. 그러나 투과도와 기계적 강도의 trade-off 현상에 의한 세라믹 분리막 활용에 제약이 있어, 고투과성-고강도 분리막 의 개발이 필요하다. 본 연구에서는 상전이-압출법으로 알루미나 중공사 분리막을 제조하고, 고분자 바인더의 종류와 그 혼합 비에 따른 분리막의 특성 변화를 관찰하였다. 용매인 DMAc (Dimethylacetamide)와 고분자 바인더의 한센 용해도 인자를 비 교하면, PSf (polysulfone)가 DMAc와 높은 용해도 특성을 갖기 때문에 도프 용액의 점도와 토출압력이 높게 나타나 분리막 내부가 치밀한 구조로 형성되기 때문에 높은 기계적 강도를 갖으나 수투과도가 감소하는 것으로 확인되었다. 그에 반해, PES (polyethersulfone)를 이용하여 분리막을 제조하면 기계적 강도가 다소 감소하고 수투과도가 증가하는 것으로 나타났다. 따라 서 분리막 성능과 물성을 최적화하기 위해 PSf와 PES를 혼합하여 분리막을 제조하였으며, 9:1로 혼합하여 제조된 분리막에 서 최적화된 수투과도와 기계적 강도를 얻을 수 있었다.

Carbon molecular sieve (CMS) membrane surpasses the upper-bound trade-off and plasticization phenomenon of polymer membrane. Recently, supported CMS membranes have been investigated to provide both high performance and mechanical strength. Herein, we have investigated the supported CMS hollow fiber membranes on low-cost alumina hollow fiber. To prepare the thin and uniform layers, the dip-coating parameters for intermediate and polymeric layers were varied in terms of the withdrawal rate and solution viscosity, respectively. Then, in order to confirm its feasibility in real industry, mixture gas was permeated through prepared CMS membranes. Moreover, the property of long-term stability was characterized in harsh conditions and further modified.

To separate olefin from paraffin efficiently, highly selective and permeable carbon molecular sieve (CMS) membrane has been employed. Especially, supported CMS membrane could offer high permeance and mechanical strength. However, it has been limited to flat or tubular type membranes despite a lower packing density due to a difficult manufacturing process of hollow fiber membrane. Thus, we have optimized the process to prepare the CMS membrane on alumina hollow fiber. To coat a defect-free thin alumina intermediate layer, the withdrawal speed during dip-coating process was varied, and the viscosity of polymer solution was controlled to form uniform layer. Then, the pyrolyzed CMS membrane was tested in propylene/propane mixture gas system as well as single component. Moreover, a long-term performance was evaluated in harsh conditions.

Power plants consume a major fraction of water to generate electricity, typically in the range between 30 - 50% of all fresh water sources. Most of the water from plants are lost with heat through stack and cooling towers. It has been reported that if 20% of these water can be recycled, power plants can be self-sustainable, allowing them to be located with higher flexibility. Membrane contactor can be an effective solution to harness this source of water, but most of the work have been focused on dense vapor separation membranes with limited success. In this work, we investigated potential application of membrane condenser technology to harness fresh water from power plants.

Membrane separation processes have been widely used in water purification or gas separation applications because of their process simplicity, low cost operation and small footprint. Nowadays, applications of ceramic membranes with high thermal, chemical and mechanical resistance has rapidly grown in new separation applications where the polymeric membranes cannot be used (e.g., high temperature, strong acidic/basic or solvent-contained corrosive feed solution). In this study, robust ceramic hollow fiber membranes were prepared by extrusion-phase inversion followed by sintering. The effects of preparation conditions on membrane characteristics were studied to improve the separation performance of ceramic membranes. In addition, a variety of modification methods and applications based on ceramic hollow fiber membranes will be discussed.

본 연구에서는 sol-gel법을 이용하여 균일하고 결함을 최소화한 세라믹 한외여과막을 제조하였다. 알루미나 중공 사 정밀여과막 지지체의 기공 크기를 줄이기 위해, 합성된 boehmite sol과 sol-ethanol 혼합 용액을 사용하여 dip coating법으 로 지지체 표면 위에 γ-알루미나 활성층을 형성시켰다. pristine sol을 이용하여 4회 이상 코팅했을 경우 박막층의 두께가 상당히 증가하여 균열 및 박리현상을 야기시키고, 3회 코팅을 진행하였을 경우 표면 결함이 최소화된 최적의 시료를 얻을 수 있었다. 또한, 소결 온도가 γ-알루미나 활성층의 기공 크기에 미치는 영향을 분석하였다. 소결 온도가 1000°C일 때 가장 높 은 순수 투과도 값을 보였으며, 10 nm 크기의 dextran 분획분자량(molecular weight cut-off (MWCO) : 51 kDa)이 관찰되었다. 600, 800°C에서 소결한 막의 경우, 12 kDa MWCO (dextran 5 nm)를 갖는 것으로 확인되었다. 결과적으로, 코팅 용액의 조성은 박막층의 두께에 큰 영향을 주었고, 소결 온도에 따라 분획분자량이 크게 영향을 받는 것을 알 수 있었다.

분리막의 기공 크기 및 분포도를 분석하기 위한 다양한 측정법이 있지만 10-50 nm 범위의 한외여과막 기공크기 를 정확하게 측정하기가 까다롭다. 따라서 gas-liquid displacement porometer (GLDP)와 liquid-liquid displacement porometer (LLDP) 기공 특성 측정법 두 가지를 이용하여, 10-100 nm의 기공크기를 갖는 세 종류의 세라믹 분리막(K-100, A-100, A-20) 의 기공 크기 및 분포도를 비교 분석하였다. GLDP는 한외여과막의 최대 기공크기를 측정하는데 적합한 분석법으로 확인되 었고, LLDP로 측정된 평균 기공크기가 분리막의 분리 성능 결과와 더 연계되어 있었다. 또한 LLDP는 10-50 nm 범위의 기 공크기를 측정하는데 적합한 기공 분석법으로 확인되었으나, GLDP 보다 낮은 정밀도와 높은 민감도를 나타내었다. 다양한 기공 특성 분석법 가운데, 최근 상용화된 LLDP 기술은 종래의 측정법으로 알지 못했던 유용한 결과들을 제공할 수 있을 것 으로 기대된다.

증류에 의한 올레핀/파라핀 분리는 끓는점이 유사하여 에너지 소모가 높기 때문에, 분리막을 이용한 연구가 많이 진행 중이다. 특히 CMS 분리막은 sieving separation에 의한 투과/분리 성능이 우수하다. 따라서 본 연구에서는 중공사형 α-alumina 지지체에 γ-alumina 중간층을 형성한 후 Matrimid로 코팅하여 열분해함으로써 높은 기계적 강도와 충진 밀도를 갖는 중공사형 CMS 복합막을 제조하였다. 제조된 CMS 분리막은 20 - 35 GPU 프로필렌 투과도와 10 이상의 프로필렌/프로판 분리도를 보였다. 이 연구는 2014년 정부(미래창조과학부)의 재원으로 국가과학 기술연구회 융합연구단 사업(No. CRC-14-01-KRICT)의 지원을 받아 수행된 연구입니다.

바이오 메탄을 생산하기 위해 물리흡수제 특성평가 및 CO2/CH4 흡수 연구를 진행하였다. 상용 물리흡수제 중 프로필렌카보네이트(PC)는 PP 중공사막과 가장 높은 58.3° 접촉각을 보였고, 5 wt% PC를 물과 혼합할 경우 90° 이상의 접촉각 이 관찰되었다. PC/물 혼합 흡수제는 약 0.150 mmol/g의 흡수량으로 물 흡수제에 비해 높은 CO2 흡수능을 같는 것으로 보이며, 막접촉기에 가장 적합한 물 리흡수제로 선정되었다. PC/물 혼합 흡수제를 막접촉기을 통해 측정된 CO2 제 거율 약 98.0%, CH4 순도는 약 98.4%으로 바이오 메탄 정제를 위한 흡수제로 높은 가능성을 보여주었다. 그러나 물보다 우수한 PC의 CO2 흡수능에 맞추어 막접촉기 탈기 막 모듈 및 시스템 개선이 필요하다.

바이오 가스로부터 바이오 메탄을 생산하기 위해 물리흡수제 특성평가 및 CO2/CH4흡수 연구를 진행하였고, polypropylene (PP) 중공사막 막접촉기에 적용해보았다. 물리흡수제 중 propylene carbonate (PC)는 PP 중공사막과 가장 높은 58.3° 접촉각을 보였고, 5 wt% PC를 물과 혼합할 경우 90° 이상의 접촉각이 관찰되었다. 또한 CO2 흡수실험에서 PC/물 혼합 흡수제는 물 흡수량(0.121 mmol/g) 보다 높은 0.148-0.157 mmol/g의 흡수량을 보이며, 막접촉기에 가장 적합한 물리흡수제로 선정되었다. PC/물 혼합 흡수제를 막접촉기에 적용 후 얻어진 CO2 제거율(98.0-97.8%)과 CH4 순도(98.5-98.3%)는 바이오 메 탄으로서 매우 높은 가능성을 보여주었다. 하지만 PC/물 혼합 흡수제의 경우에는 물 흡수제와 비교하여 성능 변화가 매우 미 비하였다. 이는 물보다 우수한 PC 흡수능과 함께 그에 따른 막접촉기 탈기 막 모듈 및 시스템 개선과 공급 유량 조절을 통해 CH4 손실 최소화 등 공정 최적화가 필요한 것으로 분석된다.

반도체 및 디스플레이 공정에서 배출되는 N2/NF3 혼합 가스 분리를 위한 폴리썰폰 중공사막 제조 연구를 수행하였다. 먼저 non-solvent induced phase separation (NIPS)와 vapor induced phase separation (VIPS) 혼합 공정을 이용하여 기체 투과성이 높은 고분자 중공사막을 제조하였다. 제조된 중공사막 표면에 PDMS(polydimethylsiloxiane)와 Teflon AF1600® 고 분자 소재를 이용하여 얇은 박막을 추가적으로 코팅하는 방법으로 기체 분리막을 완성하였다. 제조된 분리막은 코팅된 고분 자 소재의 기체 분리 특성에 따라 상이한 N2/NF3 분리 성능을 보여주었다. 특히 Teflon AF1600® 이 코팅된 중공사막의 경우 N2/NF3 분리 성능(> 14)을 보여주었고, N2 투과도는 4.5 GPU를 나타내었다. 상용 폴리썰폰 막과 비교해 볼 때, 투과도는 약간 감소하였지만 기체 선택도는 크게 증가하였다. 이런 특징은 N2/NF3를 분리하는 분리막 구조로써 큰 가능성을 지니는 것으로 판단된다. Abstract:

We analyze the observations of temperature and ozone measured by the Microwave Limb Sounder (MLS) during the period of 2005–2016, to investigate the vertical structures of temperature and ozone in the stratosphere and mesosphere during stratospheric sudden warming (SSW). We compute the height profiles of the correlation coefficients between 55 height levels of MLS temperature anomalies and compare them with the results of Whole Atmosphere Community Climate Model simulations for three major SSWs. We also construct the temperature and ozone anomalies for the events to investigate the changes in the temperature and ozone distributions with height. There seems to always be a relatively weak but broad negative correlation between the temperature anomaly at 10 hPa and temperature anomalies over the entire mesosphere during the period before SSW events. However, this pattern gets stronger in the lower mesosphere but becomes a positive correlation in the upper mesosphere and lower thermosphere after the onset of SSW. We also found that the temperatures from the simulations show a similar trend to the observational results but with smaller variations and the transition height from negative to positive correlation in the mesosphere is much lower in the simulation than in the actual observations.