분리막 소재의 투과도와 선택도 사이의 trade-off 관계로 인해 여전히 많은 연구가 필요하다. 특히 고분자 분리막에 무기물 나노입자가 들어가 있을 때, 기체투과 거동의 학문적 이해는 여전히 부족하다. 따라서 본 연구에서는 분리막 소재로 가장 많이 사용되는 PDMS에 2~5 nm의 기공을 가지고 있으며 직경이 약 5 nm 크기의 aluminosilicate hollow nanoparticles 인 allophane을 이용하여 복합매질 분리막을 제조하여 기체투과특성을 연구하였다. 대표적인 분리막 소재인 PDMS에 친수성 allophane, 그리고 나노입자에 undecylenic acid로 표면을 개질한 allophane을 막 내부에 고르게 분산시켜 함량 별로 복합매질 분리막을 제조하였다. 나노입자가 분산된 혼합매질 분리막 내에서 기체의 투과 특성을 파악하고, 이에 따른 기체투과 거동과 나노입자가 가지고 있는 기공의 역할을 평가하고자 하였다. 표면개질된 allophane을 첨가함에 따라 기체 투과도와 산소/질소 그리고 이산화탄소/메탄의 선택도가 동시에 점진적으로 향상되는 결과를 얻었다.

We investigate the reduction of SnO2 and the generation of syngas(H2, CO) using methane(CH4) and hydrogen(H2) or a mixed gas of methane and hydrogen as a reducing gas. When methane is used as a reducing gas, carbon is formed by the decomposition of methane on the reduced Sn surface, and the amount of generated carbon increases as the amount and time of the supply of methane increases. However, when hydrogen is used as a reducing gas, carbon is not generated. High purity Sn of 99.8 % and a high recovery rate of Sn of 93 % are obtained under all conditions. The effects of reducing gas species and the gas mixing ratio on the purity and recovery of Sn are not significantly different, but hydrogen is somewhat more effective in increasing the purity and recovery rate of Sn than methane. When 1 mole of methane and 1 mole of hydrogen are mixed, a product gas with an H2/CO value of 2, which is known to be most useful as syngas, is obtained.

본 연구에서는 혼합기체 투과 시 높은 CO2 선택도 특성을 가지는 분리막을 제조하기 위한 연구를 하였다. 이를 위해 Polyhedral Oligomeric Silsesquioxane(POSS)와 Polyethylene glycol(PEG)의 추가적인 합성을 진행하여 POSS-PEG를 얻었다. 또한 투과도와 선택도를 향상시키기 위해 POSS-PEG를 용매에 희석시켜 추가적인 코팅을 진행하여 복합막을 제조하였다. 특성평가 진행은 POSS-PEG Film의 기체투과 특성을 측정하기 위해 Time lag를 사용하였으며, N2, O2, CO2를 혼합한 혼합기체에 대한 특성평가는 Bubble flowmeter와 Gas chromatography를 이용하여 진행하였다.

PEBAX®는 폴리에테르가 우수한 CO2용해도를 나타내어 기체분리막의 소재로 주목받고 있지만 폴리아마이드의 crystallinity로 인해 투과성능면에서 제약을 받는다고 알려져 있다. 본 연구에서는 PEBAX® 막의 기체투과특성을 향상시키기 위해 합성된 aluminosilicate hollow nanoparticles를 막 내부에 고르게 분산시켜 함량별로 혼합막을 제조한다. 분산된 나노입자의 함량에 따른 CO2 용해도 증가, 확산 속도의 증가로 인하여 선택도와 투과도의 향상을 예측할 수 있다. 첨가된 나노입자의 morphology와 yield를 확인하고, 첨가량이 증가할수록 선택도의 변동없이 투과도가 증가하는 것을 알 수 있다.

Zeolitic Imidazolate Framework(ZIF)는 기체의 선택적인 분리나 센서, 촉매 반응 등의 목적으로 널리 연구된다. 특히 촉매의 역할이 가능하기 때문에 반응과 동시에 가스를 분리 할 수 있는 막 반응기의 역할을 할 수 있다. 본 연구에서는 ZIF-8 입자를 합성하고, 이를 PVC-g-POEM 고분자 매트릭스에 분산하여 MMM(Mixed matrix membrane)으로 제조하였다. 특히, α-알루미나 지지체 위에 PVC-g-POEM/ZIF-8 혼합 용액을 스핀 코팅하여 균일한 두께의 MMM을 얻을 수 있었다. 합성된 MMM은 XRD, FE-SEM을 통해 결정상과 표면, 코팅 두께 등을 측정하였으며, 이성분계 기체 투과 실험을 통해 다양한 이성분계 기체에 대한 투과 특성을 살펴보았다.

In this study, novel mixed matrix membranes (MMMs) with hollow zeolite imidazole frameworks (H_ZIF-8) were introduced with regard to CO2/CH4 gas separation. H_ZIF-8 nanoparticles (low density and large BET surface area) and amphiphilic PVC-g-POEM (poly(vinyl chloride)-g-poly(oxyethylene methacrylate)) graft copolymer showed good interfacial properties and uniform distribution, which resulted in improved gas permeation properties interacted with PVC-g-POEM by secondary bonding interactions. Two Tg values expressed the glassy PVC chains and the rubbery POEM chains, suggesting that the copolymer had a well-defined and microphase-separated structure. We observed that H_ZIF-8 interrupted the mobility of polymer chain, contributing to the increased Tg, was dispersed homogeneously in the coopolymer matrix without noticable aggregation.

PEBAX®는 폴리에테르가 우수한 CO2용해도를 나타내어 기체분리막의 소재로 주목받고 있지만 폴리아마이드의 crystallinity로 인해 투과성능면에서 제약을 받는다고 알려져 있다. 본 연구에서는 PEBAX® 막의 기체투과특성을 향상시키기 위해 합성된 aluminosilicate hollow nanoparticles를 막 내부에 고르게 분산시켜 함량별로 혼합막을 제조한다. 분산된 나노입자의 함량에 따른 CO2 용해도 증가, 확산 속도의 증가로 인하여 선택도와 투과도의 향상을 예측할 수 있다. 첨가된 나노입자의 morphology와 yield를 확인하고, 첨가량이 증가할수록 선택도의 변동없이 투과도가 증가하는 것을 알 수 있다.

Solvothermal surface coating was employed to form hetero-nanostructures consisting of a polystyrene (PS) core and ZIF-8 shell. Upon selective removal of the PS core, hollow zeolite imidazole frameworks (H_ZIF-8) with a particle size of 700 nm and surface area of 1528.5 m²/g were generated. Synthesis was confirmed by Field-emission scanning electron microscopy(FE-SEM), transmission electron microscopy(TEM), X-raydiffraction(XRD) and Brunauer-Emmett-Teller (BET) analysis. Free-standing mixed matrix membranes (MMMs) were prepared by dispersing H_ZIF-8 filler in poly(vinyl chloride)-g-poly(oxyethylene methacrylate) (PVC-g-POEM) graft copolymer matrix. PVC-g-POEM worked well as a robust matrix to homogeneously disperse H_ZIF-8 with good interfacial contact due to the microphase-separated, amphiphilic properties of the hydrophobic glassy PVC main chains and the hydrophilic rubbery POEM side chains. Secondary bonding interactions were responsible for the good interfacial properties of the MMMs, as confirmed by Fourier-transform infrared (FT-IR) spectroscopy, differential scanning calorimetry (DSC), FE-SEM, and XRD analysis. MMMs exhibited significantly enhanced CO2permeabilityrelativetopure PVC-g-POEM membranes: an 8.9-fold increase in permeability from 70.0 to 623 Barrer (1 Barrer = 1 × 10–10cm³(STP)·cm/cm²·s·cmHg) with only a small decrease in CO2/CH4 selectivity from 13.7 to 11.2 at 35℃, as measured via the time-lag method.

The newly combined zeolite imidazole frameworks-8 (ZIF-8) and poly(vinyl chloride)-g-poly(oxyethlyene methacrylate) (PVC-g-POEM) graft copolymer mixed matrix membrane (MMM) is developed for gas separation. PVC-g-POEM graft copolymer, synthesized by atom transfer radical polymerization (ATRP) process, plays a pivotal role as a soft matrix to provide good permeation, uniform distribution of ZIF-8, and better interfacial interaction with inorganic filler. Moreover, addition of ZIF-8 in MMM enhances gas diffusion through pore in framework as well as gas solubility in organic linker. These synergetic functionalities dramatically improve gas separation performance, which MMMs loading ZIF-8 exhibited enhanced permeability and selectivity compared to neat graft copolymer membrane as measured via the time-lag method.

본 연구에서는 metal organic frameworks (MOFs)의 한 종류인 MIL-100(Fe)을 이용하여 혼합기질막(mixed matrix membranes, MMMs)을 제조하였다. MIL-100(Fe)의 함량을 고분자 대비 0∼30 wt%까지 변화시키면서 첨가된 MOF의 함량에 따른 기체의 투과 특성을 살펴보았다. H2, CO2, O2, N2, CH4의 기체 투과도는 MIL-100(Fe) 첨가량이 증가함에 따라 투과도가 증가하는 경향을 보여주었으며, 상대적으로 큰 입자크기를 가진 SF6의 투과도는 MIL-100(Fe)의 첨가량이 증가함에 따라 투과도가 감소하였다. 이상 선택도는 N2/SF6의 경우 폴리이미드막 대비 약 40% 증가하였으며, 이를 통해 N2/SF6 분리에 적합한 분리막임을 확인할 수 있었다.

본 연구에서는 균질기에 의해 혼합된 물과 벙커-A를 보일러로 연소하였을 때의 배기 배출물 특성에 대해 연구를 수행하였다. 그 결과로 균질기로 균질화 된 벙커-A의 경우, 순수 벙커-A에 비해 NOx 농도는 19 %, CO 농도는 54 % 감소를 나타냈다. 물-벙커A의 경우 물 혼합 비율이 증가할수록 NOx 농도분포가 낮아지는 것을 확인할 수 있었다. 특히, 20 %물-80 %벙커-A의 경우 순수한 벙커-A 보다 배기가스 내 NOx 농도가 45 %까지 감소하였다. 그러나 20 %물-80 %벙커-A의 경우, CO농도 분포는 불규칙한 변화를 나타냈다. 이것은 일정량 이상의 물 혼합은 보일러의 연소 성능 저하 원인이 될 수 있다는 것을 의미한다. 이 결과로부터 본 연구에서 보일러의 정상 연소를 위한벙커A유 내 물의 한계 혼합율은 15 % 인 것을 알 수 있었다. 연돌 부근에서 채취한 매연 부착양은 물의 혼합율이 증가할수록 감소하였다.

혼합가스에서 CO2를 선택적으로 분리할 수 있는 poly (etherimide) (PEI)-poly (dimethylsioxane) (PDMS) 재질의 복합막 및 모듈을 제조하여 CO2/H2 분리특성을 확인하였다. 제조된 중공사 복합막 모듈은 모듈의 단수에 따라 25℃, 일정 압력에서 stage-cut별로 분리된 가스의 유량, 농도, H2 회수율, CO2 제거율 등의 성능을 측정하였으며, H2 회수율을 높이기 위해 1단 시험에서 2단 직렬시험과 3단 직렬 + 병렬 시험으로 단수를 증가시켜 시험하였다. 각각의 운전조건에 대한 결과들을 확인한 결과 3단 운전조건에서 stage-cut을 0.32로 하였을 때 Product가스의 H2 농도는 97%이었으며 그때의 H2 회수율은 85%이었다. 또한, CO2 제거율은 약 90%의 결과를 얻을 수 있었으며 재순환 가스의 농도는 공급 가스와 유사하게 얻을 수 있었다.

본 연구에서는 혼합기체 중의 SO2 제거를 위하여 폴리이서이미드 복합 중공사막을 이용하였으며, 지지체로 사용한 중공사막은 건-습식 상전이 법으로 제조하였다. PEBAX1657(R)과 PEG를 혼합하여 제조한 용액을 지지체 표면에 코팅하여 복합막을 제조하였다. 중공사 복합막의 기체투과 특성을 확인하기 위하여 모듈을 제작하였고, 온도와 압력변화에 따른 SO2, CO2, N2 단일 기체투과를 실시하였다. 그 결과, 운전조건에 따라서 SO2 투과도는 220~1220 GPU를 나타내었으며, SO2/N2 선택도는 100~506을 나타내었다. 그리고 혼합기체 분리거동을 관찰하기 위하여 SO2, CO2, N2로 구성된 혼합가스를 이용하여 온도, 압력, 잔류부 유량을 변화시키면서 투과기체의 유량과 각 성분의 농도변화를 측정하였다. 그 결과, 압력과 온도가 증가할수록 SO2 제거효율이 높아지는 경향을 나타내었다.

고분자는 우수한 투과선택도 및 가공성으로 인하여 여러 기체 혼합물의 분리를 위한 막의 소재로 널리 이용되고 있다. 본 연구에서는 polyamide 복합막을 이용하여 CH4 및 CO2 혼합기체의 분리특성에 관한 연구를 수행하였다. 본 연구를 위한 모사 기체로는 순수 메탄과 이산화탄소를 혼합하여 사용하였으며, 서로 다른 운전조건에서의 투과실험을 수행하였다. 주입 기체의 유량은 800~1000 cm3/min으로 변화시켰으며, stage cuts의 변화는 50~60 %로 하였다. 또한 분리막의 운전 온도는 30~70℃에서 변화시켰으며 기체의 초기 주입압력은 6 bar로 설정하였다. 각 실험조건에서 메탄과 이산화탄소의 투과도를 평가하였고 이때 permeate에서의 이산화탄소에 대한 선택도를 함께 평가하였다. 또한 본 연구에서는 Arrhenius plots를 이용하여 메탄과 이산화탄소의 분리막에 대한 투과 활성화 에너지를 얻었다.