기체분리막을 이용한 바이오가스 및 천연가스 등의 CH4 고질화 공정은 타 공정에 비해 경제적이라는 장점이 있지만 필수적으로 CH4 손실이 발생하는 단점이 있다. 이는 CO2에 의한 가소화현상으로 CH4의 투과도가 증가하기 때문이다. 이러한 현상을 개선하고자 CO2 가소화에 대한 영향이 적은 Cellulose계열의 고분자를 이용하여 고선택도 멤브레인을 제막하였으며, 이를 이용하여 CH4 고질화를 위한 연구를 하였다. CO2, CH4, N2, O2 등 단일가스를 이용하여 CA기반의 8종의 고선택도 중공사막에 선택도와 투과도를 측정하였다. CO2/CH4 혼합가스 분리 테스트를 수행하였다.

Nitrogen is a serious contaminant in natural gas because it decreases the energy density. The natural gas specification in South Korea requires a N2 content of less than 1 mol%. Thus, cost-effective N2 removal technology from natural gas is necessary, but until now the only option has been energy-intensive processes, e.g., cryogenic distillation. Using porous materials for the removal process would be beneficial for an efficient separation of CH4/N2 mixtures, but this still remains one of the challenges in modern separation technology due to the very similar size of the components. Among various porous materials, metal-organic frameworks (MOFs) present a promising candidate for the potential CH4/N2 separation material due to their unique structural flexibility. A MIL-53(Al), the most well-known flexible metal-organic framework, creates dynamic changes with closed pore (cp) transitions to open pores (ops), also called the ‘breathing’ phenomenon. We demonstrate the separation performance of CH4/N2 mixtures of MIL-53(Al) and its derivative MIL-53-NH2. The CH4/N2 selectivity of MIL- 53-NH2 is higher than pristine MIL-53(Al), suggesting a stronger CH4 interaction with NH2.

The role played by reservoirs in the biogeochemical cycles of elements is a subject of ongoing debate. Recent research has revealed that reservoirs emit significant levels of greenhouse gases. To assess the importance of reservoirs in monsoon climate areas as a source of methane gas into the atmosphere, we investigated variations in organic carbon (OC) input into the reservoir, oxic state changes, and finally the amount of methane emitted (focusing on the ebullition pathway) in Lake Soyang, which is the largest reservoir in South Korea. Total organic carbon (TOC) concentrations were higher during summer after two years of heavy rainfall. The sedimentation rates of particulate organic carbon (POC) and particulate organic nitrogen (PON) were higher in the epilimnion and hypolimnion than the metalimnioin, indicating that autochthonous and allochthonous carbon made separate contributions to the TOC. During stratification, oxygen depletion occurred in the hypolimnion due to the decomposition of organic matter. Under these conditions, H2S and CH4 can be released from sediment. The methane emissions from the reservoir were much higher than from other natural lakes. However, the temporal and spatial variations of methane ebullition were huge, and were clearly dependent on many factors. Therefore, more research via a well-organized field campaign is needed to investigate methane emissions.

SIFSIX-3, containing a coordinative complex of hexafluorosilicate, transition metal ions, and the organic ligands, is a subclass of metal-organic frameworks (MOFs). SIFSIX-3 is considered a high capacity adsorbent for CO2 capture due to the enriched interaction sites of fluoride groups in SIFSIX. Also, SIFSIX-3-Zn is known to have an appropriate effective aperture size for efficient CO2/CH4 separation. In this work, we successfully incorporated different metal-based SIFSIX-3 crystallites into polyimide (PI) matrix and demonstrated that the associated mixed matrix membranes improved CO2/N2, CO2/CH4 and CO2/CO separation performance compared to pristine polyimide membranes due to the excellent molecular sieving behaviors of SIFSIX crystallites.

철강 산업에서 발생하는 COG 부생가스에는 수소가 메탄, 질소, 황화수소, 분진 등과 함께 100만 톤 정도가 다성분의 혼합가스로 포함되어 있으나 경제적인 수소 분리기술이 부족하여 주로 저부가가치의 발전용으로 사용되고 있다. 본 연구에서는 COG 부생가스내 수소를 회수할 수 있는 비대칭 구조의 폴리이미드 중공사막의 제조를 연구하였다. 이를 위해 지환족 다이안하이드를 사용한 유기용매에 대한 용해성이 높은 폴리이미드 소재를 합성하여 수소, 메탄, 질소, 산소 등의 기체투과특성을 확인하였고 그 중 가장 수소 선택성이 높은 DOCDA-ODA를 이용하여 용해성 폴리이미드를 합성하였다. 확보된 폴리이미드를 이용해 건습식 방사법에 의한 중공사막을 제조하였다.

이산화탄소(CO2)는 천연 가스, 바이오 가스, 매립 가스의 성분으로 존재할 뿐만 아니라 화석연료의 주요 연소 생성물로써 온실 가스의 주범이다. 특히 내연기관의 연료 고효율을 얻고, 가스 수송시스템의 부식을 방지하며, 기후변화에 선제적으로 대응하기 위해서는 이산화탄소(CO2)의 저감 또는 제거 기술이 필수적이다. 지난 수십 년간, 멤브레인 기반 기술의 구성 및 설계 단순성에 의하여 관련 연구가 많이 이루어져 왔으며 많은 발전을 이루었다. 최근 들어, 기존 멤브레인 기반 분리 뿐만 아니라, 새로운 흡착제 기반 분리 기술 등에 대한 관심도 높아지고 있다. 특히, 최근 각광받고 있는 유기-금속 골격체 (Metal Organic Frameworks, MOFs)의 경우, 일반 다공질 흡착제와는 다른 독특한 성질(Flexibility, Gating effect 또는 Open Metal Sites 등)로 인하여, 이를 활용한 다양한 기체 분리 연구가 늘어나고 있는 추세이다. 따라서 본 연구에서는 대표적 플렉 서블한 물질인 MIL-53(Al)과 강한 결합에너지 site를 다수 보유한 대표적 MOF 물질인 MOF-74(Ni)를 활용하여 온도 및 압력에 따른 이산화탄소 메탄 분리 성능 비교 분석하였으며, 각 물질의 특성별 압력 및 온도에 따라 변화하는 적정 분리 구간을 제시하였다.

Soybean straw (SS)-based activated carbon was employed as a precursor to prepare carbon molecular sieves (CMSs) via chemical vapor deposition (CVD) technique using methane as carbon source. Prior to the CVD process, SS was activated by 0.5 wt% ZnCl2, followed by a carbonization at 500°C for 1 h in N2 atmosphere. N2 (77 K) adsorption-desorption and CO2 (273 K) adsorption tests were carried out to analyze the pore structure of the prepared CMSs. The results show that increasing the deposition temperature, time or methane flow rate leads the decrease in N2 adsorption capacity, micropore volume and average pore diameter of CMSs. The adsorption selectivity coefficient of CO2/CH4 achieves as high as 20.8 over CMSs obtained under the methane flow rate of 30 mL min–1 at 800°C for 70 min. The study demonstrates the prepared CMSs are a candidate adsorbent for CO2/CH4 separation.

수소는 고부가가치의 신재생 수송원료이자 탄소자원화 화학제품 제조의 기초 원료로 사용할 수 있으며 이를 위해 경제성 있는 분리소재 및 분리공정기술이 중요하다. 본 연구에서는 철강부생가스 COG내 수소를 회수할 수 있는 건습식 방사법에 의한 비대칭 구조의 폴리이미드 중공사막의 제조를 연구하였다. 이를 위해 지환족 다이안하이드를 사용한 유기용매에 대한 용해성이 높은 폴리이미드 소재를 합성하여 수소, 메탄, 질소, 산소 등의 기체투과특성을 확인하였고 그 중 가장 수소 선택성이 높은 DOCDA-ODA를 이용하여 용해성 폴리이미드를 합 성하였다. 합성된 폴리이미드는 H-NMR, FT-IR을 통하여 합성이 성공적으로 이루어진 것을 확인하였으며 확보된 폴리이미드를 이용해 건습식 방사법에 의한 중공사막을 제조하였다.

바이오가스를 98% 이상의 고순도 메탄가스로 정제하여 자동차연료나 도시가스로 활용한다면 경제적으로 매우 큰 효과를 기대할 수 있다. 본 연구에서는 음 식물쓰레기 처리시설에서 발생하는 바이오가스를 정제하여 98% 이상의 고순도 메탄가스를 95% 이상 분리 회수하는 분리막 정제 시스템 개발을 하고자 하였다. 분리막 공정 설계에 필요한 데이터를 확보하기 위하여 분리막 모듈의 이산화탄소/메탄 혼합기체 분리시험을 수행하였으며, 다양한 운전조건에서 얻어진 실험결과를 바탕으로 공정설계를 수행하였다. 최종 생산되는 메탄 순도 98%, 이산화탄소 순도 95% 이상을 만족하는 운전 조건에서 메탄, 이산화탄소 회수율과 이에 필요한 각 단의 막면적과 비율을 확인하였다.

음식물 및 축산 폐기물 처리장 등 혐기성 공정에서 발생하는 바이오가스의 주성분은 메탄과 이산화탄소이다. 바이오 가스 내 메탄을 95%이상의 고순도로 농축할 경우 도시가스와 이송수단의 연료로 사용이 가능하며 온실가스 감축에도 큰 효과가 있어 신재생 에너지로써 큰 주목을 받고 있다. 바이오가스의 정제기술로는 흡착법, 흡수법, 막분리법 등이 있으며 이 중 막분리법은 낮은 에너지 소모량, 이동성 및 쉬운 작동성 등의 장점을 가지고 있다. 본 연구에서는 50-70% CH4/30-40% CO2의 바이오가스를 95%이상의 메탄으로 농축하기 위해 폴리설폰 중공사막과 다단 공정을 이용하였다. 순수기체 투과도와 혼합기체 투과성능을 알아보았고 특히 폴리설폰 분리막을 이용하여 다단 분리막 공정을 설계하여 분리 농축 실험을 실시하여 온도와 압력 등 다양한 운전 변수에 대한 연구를 진행하였다.

폴리이미드는 높은 기계적 강도, 내열성, 내화학성을 가지고 있으며 여러 기체에 대하여 우수한 투과선택성을 가지고 있다. 그러나 많은 강점에도 불구하고 유기용제에 대한 낮은 용해성으로 인해 막을 제조할 때 많은 제약을 받고 있다. 따라서 본 연구에서는 이러한 단점을 극복하기 위해 cardo-type의 diamine을 이용하여 가용성 폴리이미드를 합성하였다. 또한, 합성된 폴리이미드의 성능을 향상시키기 위해 다양한 dianhydride와 diamine 단량체를 첨가하여 폴리이미드 공중합체를 합성하였다. FT-IR을 통해 합성이 성공적으로 이루어졌음을 확인하였고, time-lag를 이용하여 CO2와 CH4의 기체투과특성을 알아보았다.

매립지에서 발생되는 바이오 가스를 정제하여 고순도 메탄을 얻음으로써 높은 열량을 갖는 가스로 전환 시킬 수 있다. 이를 자동차 연료나 도시가스로 활용할 경우 경제적 효과가 매우 클 것으로 예상된다. 본 연구에서는 다양한 조건 의 공급기체 변화와 그에 따른 공정조건의 변화를 통해 최종 메탄농도 95%와 회수율 95%를 만족하는 3단 중공사막 모듈 재순환 공정에 대하여 메탄과 이산 화탄소 혼합기체 투과실험으로 얻은 메탄 분압의 함수로 나타낸 투과도를 이용하여 메탄농도 75%∼80%, 공급유량 30 L/min∼100 L/min, 공급압력 5 atm∼15 atm, 막면적 0.85 m2∼3.42 m2 으로 변화시켜 전산모사를 수행하였으며, 이러한 조건 변화들에 따른 메탄순도와 회수율의 변화를 전산모사 하고자 하였다.

메탄을 순도 95% 이상으로 분리, 회수하기 위하여 메탄에 대한 분리특성이 우수한 폴리설폰 중공사 분리막 모듈 을 2단으로 연결하고 재순환 흐름을 이용하여 회수율을 90% 이상으로 유지할 수 있도록 공정을 설계하였다. 이렇게 설계된 2단 공정을 통한 메탄 분리 거동 특성을 이론적으로 예측하기 위하여 Compaq Visual Fortran 6.6 소프트웨어를 이용하여 수 치 해석하였다. 개발한 프로그램을 사용하여 수치 해석을 수행한 결과 공정 변수에 따라 최종 메탄의 농도 변화에 미치는 영향을 고찰할 수 있었다. 공급 기체 압력과 분리막 길이와 공급측 메탄 농도 증가, 유량이 감소함에 따라 최종 생산물 내 메탄 농도 증가를 관찰할 수 있었으며, 메탄의 회수율은 감소함을 알 수 있었다.

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.