청정 연료인 수소를 생산하기 위해 현재 가장 널리 사용되는 기술인 증기 개질이다. 이 방법으로 생산된 수소는 일산화탄소와 같은 불순물을 함유하고 있어, 이를 연료전지와 같은 응용분야에 사용하기 위해서는 적절한 정제 과정을 반드 시 거쳐야 한다. 최근 효과적인 정제 방법으로 분리막 기술이 각광받고 있다. 본 연구에서는 수소와 일산화탄소 혼합가스에서 수소 분리 및 회수를 위해 바이오가스 고질화용(biogas upgrading) 상용 폴리설폰(polysulfone) 고분자막의 활용 가능성에 대 해서 평가하였다. 먼저, 사용한 상용막의 물리화학적 특성에 대해서 평가하였고, H2/CO를 이용하여 stage-cut, 운전압력과 같 은 다양한 조건에서의 상용막 모듈의 성능 평가를 진행하였다. 마지막으로, 평가 결과를 바탕으로 공정설계를 위한 시뮬레이 션을 진행하였다. 본 연구에서의 상용 분리막 공정의 최대 H2 투과도와 H2/CO 분리계수는 각각 361 GPU와 20.6을 기록하였 다. 또한, CO 제거 효율은 최대 94%를 나타내었으며, 생산 수소 농도는 최대 99.1%를 달성하였다.

본 연구에서는 폴리술폰 분리막을 이용한 바이오가스 정제 공정으로 고선택성 소재를 이용한 2단 공정의 높은 회 수율 및 경제성과 동등한 수준의 회수율을 확보하기 위해 저온 고압의 분리막 공정을 설계하고 평가하였다. 폴리술폰 고분자 를 4성분계 도프를 이용하여 비용매 유도 상전이법으로 중공사 분리막을 제조하였다. 기체 분리용 중공사 분리막은 1.6 m2의 유효 막면적을 갖는 샘플을 제조하여 상온 및 저온에서 기체 투과 특성을 평가하였다. 제조된 기체분리막 모듈의 온도에 따 른 기체 투과 특성을 분석하기 위하여 온도별 단일 기체 투과도를 평가한 결과 이산화탄소와 메탄 투과도는 20°C에서 각각 412, 12.7 GPU이며, -20°C에서는 각각 280, 3.6 GPU로써 이상 선택도는 32.4에서 77.8로 향상되었다. 단일 기체 투과 테스 트 후 혼합 기체에 대한 분리 테스트를 진행하였으며, 모듈 1단 구성 및 2단 구성(막 면적비 1:1, 1:2, 1:3)을 통하여 투과 거 동을 살펴보았다. 1단 구성에서는 stage-cut이 상승함에 따라 메탄의 농도가 상승하지만, 반대로 회수율은 떨어지는 결과를 나 타내었다. 2단 구성 테스트에서는 메탄 농도 97% 기준에서 막 면적비 1:1보다 1:3이 메탄의 회수율이 더 높게 측정되었으며, 공급 기체의 온도가 낮을수록 메탄의 회수율이 높아짐을 확인하였고, 최종적으로 폴리술폰 2단 공정에서 메탄 농도 97%, 회 수율 97%의 결과를 달성하였다.

A two-level full factorial design 22 with three replications was employed to assess the effect of the incorporation of PSF into the epoxy matrix and the surface treatment of carbon fibers on the work of adhesion (WA) and the interfacial shear strength (IFSS) of carbon fiber–epoxy composites. The IFSS was determined using the microbond (or microdrop) micromechanical test, and the work of adhesion was estimated using two different procedures: (1) using the Owens and Wendt method, and (2) from the Dupre–Young expression using the contact angle θ of a cured epoxy resin on a single carbon fiber and the surface energy of the cured epoxy resin. It was found that the treatment of the carbon fiber with the silane-coupling agent appreciably increases its polar component because of the nitric acid oxidation and the chemisorption of the silane-coupling agent onto the carbon fiber surface. Also, the O=S=O group present in the polysulfone chain resin fairly increases the polar component of the epoxy–PSF blend. The results show that the wetting of the silane-treated carbon fiber by the thermoplastic-modified epoxy resin is better, thus increasing the fiber–matrix adhesion. It was also found that there is a similarity between the trends of both, the IFSS and the WA results. Also, from the ANOVA results it was also seen that both the incorporation of the PSF to the epoxy matrix and the surface treatment of the carbon fibers and their interaction were statistically significant to the IFSS and the WA.

본 연구에서는 한외여과 polysulfone (PSf) 중공사막에 첨가제를 섞는 방법을 통해 친수성 증가에 따른 분리막 특성 및 성능을 향상하고자 하였다. 15 nm 크기의 fumed silica (FS)를 0.1, 0.3, 0.5 wt%로 방사 용액에 분산시켜 혼합 매트릭스 분리막을 제조하였다. 단면 및 표면상태를 확인하기 위해 SEM 분석을 진행하였으며, FS가 함유될수록 중공사막의 평균 기공 반경이 4 nm 이상 증가하는 것을 확인하였다. 또한, 분리막의 친수성 분석을 위해 접촉각 측정을 진행하였으며, FS 함유로 분리막의 친수성이 높아진 것을 확인하였다. 수투과도의 경우 FS가 섞인 분리막은 91~96 LMH 수준을 보였으며 PSf 분리막보다 5~11%의 증가율을 보였다. 내오염성 평가에서도 친수도가 상승한 FS 혼합 중공사막 표면에 소수성을 띄는 BSA가 흡착되지 못하여 상대 유량 감소율이 PSf 단일막 보다 낮아졌음을 확인하였다.

In this study, we prepared thin composite membranes in which a support layer and a selective layer are covalently bonded in a simple method. The graft polymerization was carried out using UV/Ozone on a commercial Poly(sulfone) ultrafiltration membrane with Poly((ethylene glycol) methyl ether methacrylate) (PEGMA) possessing CO2 affinity. As a result, nano-pores on the surface membrane were covered with PEGMA. The covalent bonding of the composite membranes has the advantage of improving stability and weatherability. In addition, due to the thin selective layer formed by the graft polymerization, highly gas permeation characteristics are exhibited, and efficient process performance can be expected. The final composite membranes were investigated in terms of their chemical structures and elements, and gas permeation properties.

온실가스의 주범인 이산화탄소를 효과적으로 분리하기 위하여 이산화탄소와 친화성이 좋은 에틸렌글리콜 사슬이 도입된 폴리설폰 기반의 고분자와 아민이 기능화된 ZIF8 무기입자 (ZIF8-A) 를 복합화한 유무기 복합 기체분리막 (MMM)을 제조하였다. 제조된 분리막은 XRD, TGA, FT-IR, SEM 및 NMR 분석을 통해 분리막의 구조와 물성특성을 확인하였다. CO2/N2, CO2/CH4에 대한 가스 투과 특성을 조사하였고, 그 결과 ZIF8-A 구조 내 아민 함량 증가에 따라 이산화탄소에 대한 투과도 및 선택도가 증가하는 경향을 나타냈다. 이는 ZIF8-A 구조 아민기능기와 에칠렌글라이콜 사슬과의 입자와의 계면저항성이 낮은 것에 기인한 것으로 판단하였다.

친수성을 띄는 silica 나노입자(7, 11, 15 nm)를 0.1, 0.2, 0.3 wt%의 비율로 고분자(Polysulfone)에 섞은 후, 상전이 공정에 의하여 중공사막을 제조하였다. 용매로는 N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP)을 사용하였다. 또한 중공사막 제조 시내부 응고제는 NMP/증류수(1:1) 혼합용액을 사용하였으며 외부 응고제로는 증류수를 사용하였다. 본 연구는 Silica 나노입자의 크기 및 함량이 분리막 구조에 미치는 영향과 그에 따른 특성을 살펴보았다.

현재 단백질 분리 공정에서의 큰 문제점은 공정의 시간이 길며 고비용이라는 단점을 가지고 있다. 때문에 이러한 단점의 해결방안으로 membrane을 이용한 공정이 지속적으로 연구되고 있다. 특히 최근연구에는 단백질 분리 공정에서도 단백질 크기 및 막 표면의 전하차를 이용한 분리 공정이 관심을 받으며 연구가 진행되고 있다. 본 연구는 Poly Sulfone을 이용하여 용액을 제조하여 유사크기 단백질의 분리를 위한 membrane을 제조하였다. membrane은 용액을 얇게 casting하여 증류수를 이용한 상 분리 법을 통하여 membrane을 제조하였다. 제조된 membrane의 structure을 확인하기 위해 FT-IR, H-NMR을 이용하였다. 또한, pH에 따른 전위차를 측정하여 표면의 Zeta Potential을 확인하였으며 membrane의 특성평가를 진행하였다.

1970년대 중반 석유 파동 이후 대체 에너지 개발에 대한 관심이 커지면서 그 중에서 혐기성 공정에서 발생하는 바이오가스 생산과 활용 기술 개발에 대한 연구가 진행되고 있다. 바이오 가스의 주성분은 50-70%CH4/30-40%CO2으로 이루어져 있고 이 때 메탄을 > 95% 순도로 농축하면 도시가스와 자동차 연료로 사용이 가능하다. 바이오가스의 정제기술로 막 분리법은 낮은 에너지 소모량, 이동성 및 쉬운 작동성 등의 장점을 가지고 있다. 본 연구에서는 바이오가스를 95% 이상의 메탄으로 농축하기 위해 폴리설폰 중공사막과 다단 분리막 공정을 이용하였다. 분리막 공정에서 압력, 온도, 막면적 등 다양한 공정 변수에서 95% 이상의 메탄 순도를 얻기 위한 연구를 진행하였다.

Polysulfone 수지를 사용한 그래핀 복합조성물을 제조하고, 이것들의 멤브레인에 대한 잔류응력과 열전도 특성을 분석하였다. 그래핀을 포함하는 polysulfone 멤브레인의 잔류응력분석은 Si (100) 기판에 스핀코팅으로 10 μm 두께의 막을 도포하여 준비한 시료를 대상으로 하였으며, 잔류응력의 측정은 온도를 승온하고 냉각하는 완전한 1주기 동안 수행하였다. 그래핀을 포함하는 polysulfone 평막을 증류수를 사용한 상전이법으로 제조하여 두께방향과 면방향으로 열전도도를 구분하여 각각 측정하였으며 평막시료의 열전도 이방성을 분석하였다. 그래핀의 구조적 특징에 의해 이를 포함하는 polysulfone 막의 잔류응력은 그래핀 함량이 증가함에 따라 점차로 완화되는 경향을 나타내었고, 열전도특성은 평막형성의 구조적 특성과 그래핀의 고유특성에 의해 두께방향과 면방향의 차이를 확인할 수 있었다.

20 μm의 얇은 폴리에스터(polyester) 부직포 상에 폴리술(polysulfone) 고분자 지지체를 제조하였다. 폴리술폰 표면에 3-aminopropyldimethyl silane을 sol-gel 중합함으로써 폴리실록산 지지체를 제조한 후 MPD 수용액과 TMC 유 기용액의 계면 중합을 실시를 통하여 정삼투 복합박막을 얻었다. FE-SEM/EDX 분석을 통하여 폴리실록산이 표면에 한하여 분포됨을 확인하였다. 1 M NaCl 유도용액/순수 인입용액 하에서의 FO-mode 유량이 146 - 209 LMH로 향상되 었으며 RSF값은 0.42 - 16.3 GMH로 유지함을 확인할 수 있었다.

본 연구에서는 복합막의 물성향상을 위해 clay를 도입한 polysulfone 나노섬유 복합막을 제조하였다. Polysulfone/clay 복합막은 clay가 들어간 N,N-dimethyl acetamide와 acetone 혼합용매에 polysulfone을 첨가한 후 전기방사법 을 이용하여 제조하였으며, 제조된 나노섬유 복합막은 적층수를 변화해 기공크기를 조절한 후 사용하였다. 전반적인 분리막 의 특성은 SEM, contact angle, 기공특성, tensile strength, water flux 분석을 사용하여 고찰하였다. 특히 SEM image로 clay의 도입을 확인하였으며 contact angle 측정을 통해 표면이 개질된 결과를 확인할 수 있었다. 그리고 clay의 도입량에 따른 복합 막의 기계적 물성을 확인하였다. 따라서 본 연구에서 제조된 분리막은 수처리용 분리막으로 충분히 활용 가능할 것으로 판단 된다.

폴리술폰 고분자는 비대칭 정밀여과 멤브레인 제조에 가장 널리 사용되는 고분자 소재이다. 폴리술폰 멤브레인은 소수성 특성으로 인하여 공정상에서 빠른 막오염이 일어난다. 고분자 블렌딩은 폴리술폰 멤브레인의 수명을 향상시키는데 있어 가장 간단하고 효과적인 방법이다. sPES는 폴리술폰 블렌딩 방법을 통하여 소수성을 해결할 수 있는 유용한 친수성 고분자이다. 본 연구에서는 PSF/sPES/DMF/PVP/BE 고분자 용액을 물에 침지시켜 정밀여과 멤브레인을 제조하였다. 캐스팅 용액에 소량의 sPES 첨가함으로써 정밀여과 멤브레인 구조 변화를 볼 수 있었다. sPES의 첨가는 높은 비대칭성과 활성층의 성장, 그리고 평균 기공 크기의 감소를 가져왔다. 하지만 수투과량은 PSF/sPES/DMF/PVP/BE로 만든 멤브레인이 PSF/DMF/PVP/BE로 만든 멤브레인에 비해 더 큰 값을 보였다.

최근 온실가스로 인해 기후 이상현상이 급증하면서 이산화탄소 분리 및 포집기술에 관한 관심이집중 되고 있다. 본 연구에서는 이산화탄소 분리를 위한 고분자 분리막 재료로 극성 기체인 CO2에 대한 높은 용해선택도를 보이는 polyethylene glycol(PEG)와 폴리설폰 공중합체를 제조하였다. 공중합체의 합성여부는 H-NMR 및 FT-IR 분석을 통해 확인되었다. 도입된 PEG 분자량에 따른 기체 분리 특성 및 열적, 물리적 특성이 평가되었다. 도입된 PEG의 분자량이 증가할수록 이산화탄소 투과도와 CO2/N2 선택도가 증가하는 것을 확인 하였다.