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.

정밀여과막 제조에 있어 폴리술폰 고분자 용액에 술폰산기를 가지는 폴리술폰(s-PSF)의 첨가가 분리막의 구조 및 투과 특성에 미치는 영향을 조사하였다. 정밀여과 고분자 분리막은 폴리술폰/아프로틱 용매계/폴리비닐피롤리돈/2-부톡시에탄올을 함유하는 고분자 용액을 이용하여 캐스팅 한 후 물에 침지하여 제조하였다. 캐스팅 공정은 증기유도 상전이와 용매-비용매 상전이 공정 시간을 조정하여 비대칭 구조가 발달된 정밀 여과막을 얻을 수 있었다. DMF 단일용매와 NMP/DMAc 혼합용매계 두 가지 용매 조건에 대한 제막 결과를 비교하여 살펴보았다. 비대칭성이 나타나며 유량 향상을 보인 용매는 DMF 단일용매로 s-PSF 함량 1.53wt%이었으며 14,475(L/m²hr)의 유량과 0.246㎛의 평균기공을 나타내었다.

최근 온실가스로 인해 기후 이상현상이 급증하면서 이산화탄소 분리 및 포집 기술에 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 합성 여부는 H-NMR 및 FT-IR 분석을 통해 확인되었다. 도입된 PEG 분자량에 따른 기체 분리 특성 및 열적, 물리적 특성이 평가되었다. 도입된 PEG의 분자량이 증 가할수록 이산화탄소 투과도와 CO2/N2 선택도가 증가하는 것을 확인 하였다.

현재의 단백질 분리 공정들은 비용과 시간이 많이 들고 오래 걸리는 단점을 가지고 있다. 이러한 단점을 해결하기 위해서 분리막을 이용한 방법들이 계속적으로 연구되고 있다. 먼저, 단백질 분리공정에는 단백질 크기에 따른 분리공정 과 pH에 따른 단백질 표면의 전하 차이를 이용한 분리 공정이 있다. 그 중에서도 본 연구는 유사한 크기의 단백질을 분리하기 위해 폴리술폰을 개질하여 전하를 부여하였으며, 상전환법을 이용하여 분리막을 제조하였고 제조된 분리막 표면의 Zeta potential을 측정하여 pH에 따른 표면의 전위차를 확인하였다. FT-IR 과 1HNMR을 이용하여 화학구조를 분석하였으며, UV Spectrometer를 이용하여 단백질의 농도를 측정하였다.

지구 온난화 현상은 화석연료의 사용으로 발생하고 있으며 그에 따른 심각성은 더욱 커지고 있다. 따라서 온난화 현상을 일으키는 온실가스의 감축에 큰 관심이 모이고 있다. 바이오가스의 형태로 배출되는 메탄과 이산화탄소를 분리 정제하여 온실가스를 감축 하여 신재생 에너지로 사용하기 위한 노력이 진행되고 있다. 본 연구에서는 혐기성 소화조에서 발생되는 바이오가스 내 포함된 메탄의 농도를 95%이상으로 분리 농축하기 위한 연구를 진행하였다. 혐기성 소화조에서 발생되는 바이오 가스를 처리하기 위한 다단 분리막 공정을 설계하였고 막 면적 및 막 면적 비율에 따른 성능을 알아보았다.

The water uptake, ionic conductivity, vanadium (VO2+) permeability and stability of polysulfone (PSF) based AEMs in alkaline media and in strongly oxidizing solutions were assessed. The highest ion conductivity was obtained with PSF-trimethylammonium (TMA)+. PSF-TMA+ also had better alkaline stability in comparison to PSF-AEM with different bases. PSF-TMA+ was demonstrated to show fuel cell performance. PSF-TMA+ demonstrated a 40-fold reduction in vanadium (VO2+) permeability when compared to Nafion® membrane. Comprehensive 2D NMR studies verified that PSF-TMA+ remained chemically stable even after exposure to a 1.5 M vanadium(V) solution for 90 days. Excellent energy efficiencies (85%) were attained and sustained over several charge–discharge cycles for a vanadium redox flow battery prepared using the PSF-TMA+ separator.

본 연구에서는 폴리술폰층 표면에 계면 중합 반응을 시켜 정삼투 복합 박막을 얻는 방법에 있어서, 지지층인 폴 리술폰층과 활성층인 폴리아미드층 사이에 테트라에톡시실란 단량체의 졸-젤 반응을 통하여 고분자를 합성함으로써 친수성 경계층을 형성시키는 방법에 관한 제조법을 제시하였다. 폴리술폰층은 막 저항을 최소화하기 위하여 아주 얇은 부직포를 사 용하였다. 테트라에톡시실란의 졸-젤 반응으로 형성된 고분자 경계층이 폴리술폰층과 폴리아미드층 사이에 형성된 정삼투 분 리막은 친수화도, 유량 향상 등 정삼투 분리막 투과 특성에 있어 향상된 결과를 보여 주었다. 폴리아미드 계면 중합과 테트라 에톡시실란 졸-젤 중합의 순서를 변화시킴으로써 표면 구조 특성 및 정삼투 투과 특성이 크게 달라짐을 볼 수 있었다. 정삼투 막의 투과 특성은 실험실 용량의 정삼투 평가 장치를 통하여, 정삼투 분리막 내 폴리실록산의 분포와 구조는 FE-SEM과 EDAX를 이용하여 조사하였다. PS_PA_TEOS막의 경우 유량에 있어 79.2 LMH로 현격한 증가가 있었으나 염의 역확산 속도 역시 7.10 GMH로 증가하였다. 반면 PS_TEOS_PA막의 경우 PS_PA막에 비해 염의 역확산 속도는 1.60 GMH로 유지되면서 유량이 54.1 LMH로 증가하는 현상을 확인할 수 있었다.

정삼투 분리막 용도에 적합한 폴리아미드 복합막의 제조에 있어 지지층의 극성 및 공극률이 폴리아미드 구조 및 정삼투 분리막 투과 성능에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 클레쏘킬레이트 금속착물(0.1-0.5중량%)이 함유된 폴리술폰(18중 량%) 용액을 상전이 공정을 통하여 지지층을 제조하였다. 제조된 지지층 상에 방향족 폴리아미드 활성층을 제막하였다. 다공 성 PSF 지지층 제조를 위하여 상대적으로 낮은 폴리술폰(12중량%) 용액을 이용한 지지층을 폴리에스터 필름상에서 제조한 후 필름을 제거하고 제조된 지지층 상에 방향족 폴리아미드 활성층을 제막하였다. 제막된 시편 중 폴리술폰(18중량%)/금속착 물(0.5중량%)로 만들어진 FO막은 유량 9.99 LMH, reverse salt flux 0.77 GMH로 HTI의 상용막(10.97 LMH, 2.2 GMH)과 비교해도 거의 비슷한 유량값과 향상된 RSF 값을 얻을 수 있었다. 캐스팅 용액의 금속착물의 첨가로 활성층 두께가 줄어들 었으나 제거효율은 향상되는 결과를 얻을 수 있었다.

20 μm의 얇은 폴리에스터(polyester) 부직포 상에 폴리술폰(polysulfone) 고분자 지지체를 제조하였다. 폴리아미드 계면 중합이 일어날 폴리술폰 표면에 폴리 실록산 층이 형성될 수 있도록 실란 화합물을 중합하여 폴리실록산 지지체를 제조하였다. 얻어진 복합막 지지층에서 MPD 수용액과 TMC 유기용액을 계면 중합을 실시한 결과 정삼투 분리용 복합박막을 얻을 수 있었다. FE-SEM을 이용하여 지지층의 구조가 sponge-like 구조임을, EDX를 통하여 폴리실록산이 표면에 한하여 분포됨을 확인하였으며 1 M NaCl 유도용액하에서의 FO-mode 유량 이 79.2 - 117 LMH로 향상되었으며 RSF값은 2.12 - 7.97 GMH로 유지함을 확인할 수 있었다.

현재 수준의 단백질 분리는 공정비용이 많이 들고 시간이 오래 걸린다는 단점이 있다. 이러한 단점들을 해결하기 위해서 공정이 비교적 간단하고 친환경적인 분리막을 이용한 방법들이 연구되고 있다. 먼저, 단백질 분리공정을 두 가지 정도로 나눌 수 있고, 이는 단백질 크기에 따른 분리공정과 pH에 따른 단백질 표면의 전하 차이를 이용한 분리 공정을 들 수 있다. 본 연구는 폴리술폰의 표 면전하를 개질하여서 유사한 크기의 단백질을 분리하고자 하였으며, 용매를 이 용한 고분자용액을 만들고 비용매에 침전하여 분리막을 제조하는 상변환법을 이용하여 제조하였고, 제조된 분리막 표면의 Zeta potential을 측정하여 pH에 따른 표면의 전위차를 확인하였다. 폴리술폰의 표면개질을 확인하고자 FT-IR 과 1HNMR을 이용하여 화학구조를 분석하였으며, UV Spectrometer를 이용하여 단 백질의 농도를 측정하였다.

본 실험에서는 고분자의 농도, 첨가제의 종류 및 함량에 따라 도프 용액을 이용하여 분리막제조하였다. 분리막의 모폴로지는 전자주사현미경(SEM)을 통해 관찰 하였으며, 막의 모폴로지와 순수투과도의 관계를 확인할 수 있었다. 필터화 모듈을 제조하여 수투과도 및 바이러스, 박테리아 등과 같은 미생물 제거성능을 측정하였다. 제조된 중공사막의 단면은 sponge 형태로 표명으로 갈수록 치밀한 형태를 띄는 것을 확인하였으며, 수투과도는 50-70 ml/min으로 높은 값을 나타 내었으며, 필터화모듈의 경우 수투과도는 1.6 LPM의 높은 투수량을 나타내며, 박테리아와 바이러스의 제거성능은 log 6의 값의 높은 수치를 보였다.

일반적으로 폴리설폰계 막은 불소계 수지 막보다 높은 수투과도를 지녔지만 기계적 강도가 낮다. 따라서 수명이 짧고 운전이 어려워 그 이용 분야에 제한이 크며, 특히 주기적인 역세가 요구되는 산업용으로는 적용이 힘들다. 따라서 본 연구에서는 폴리설폰계 중공사막의 강도를 증가시키기 위하여 비용매 유도 상전이(NIPS)법을 적용하되 그 내부 응고액의 조성을 변화시켜 스폰지 구조 형태의 중공사막을 제조하였고, 그 강도와 수투과도의 변화를 관찰하였다.

본 연구에서는 이산화탄소를 선택적으로 분리하기 위한 기체분리용 고분자 분리막을 제조하기 위해 폴리에틸렌글리콜(PEG)계 공중합체를 제조하였다. 우수한 기계적, 열적, 화학적 특성을 가지는 폴리술폰계, 폴리이미드계 고분자에 폴리에틸렌글리콜을 도입하여 보다 우수한 이산화탄소 선택성을 가지는 분리막을 제조하고자 하였다. 또한 보다 높은 투과성능을 가지는 분리막을 제조하기 위하여 높은 자유체적을 가지는 카도비스페닐플루오렌 및 Durene을 도입하였다. NMR, FT-IR로 화학적 구조를 확인하였고 TGA 및 DSC로 열적 특성, WAXD로 결정화도를 평가하였다. 또한 CO2, O2, N2, CH4의 기체 투과도 역시 측정하였다. 측정에 사용 된 기체는 모두 순수 기체를 사용하였다.

고분자 분리막 시스템은 우수한 가공성, 재료의 다양성 등의 장점으로 인해 연구가 활발히 진행되고 있다. 고분자 분리막 시스템이 타 공정과의 경쟁력을 가지기 위해서는 높은 투과성과 선택성, 화학적 내구성 등의 특징이 요구된다. 그러나 일반적으로 고분자 분리막은 특정기체에 대한 선택성이 향상되면 투과 성이 저하되는 trade-off관계를 가지고 있다. 투과도는 분리막 제조 시 다양한 공정조건과 제조 기술의 발전으로 한계를 나타내고 있다. 최근 들어 고분자 소 재에 관능기를 도입하여 기체의 용해성을 증가 시키거나 free volume을 증가시 켜 확산도를 증가시키는 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 브롬, N3가 치환 된 폴리술폰을 제조하였으며, 이를 이용하여 고분자 분리막을 제조하였다 제조 된 분리막은 DSC, TGA 등을 이용하여 열적 특성을 파악할 수 있었다. Time-lag 장비를 이용하여 기체분리 특성을 확인 하였다.

음식물 및 축산 폐기물 처리장 등 혐기성 공정에서 발생하는 바이오가스의 주성분은 50~70% 메탄과 20~40% 이산화탄소로 구성되어 있다. 바이오 가스 내 메탄을 95% 이상의 고순도로 농축할 경우 도시가스와 이송수단의 연료로 사용이 가능하며 온실가스 감축에도 큰 효과가 있어 신재생 에너지로써 큰 주 목을 받고 있다. 본 연구에서는 혐기성소화조에서 발생하는 바이오가스를 95% 이상의 메탄으로 농축하기 위해 폴리설폰 중공사막과 다단 분리막 공정을 이용하였다. 순수기체 투과도와 혼합기체 투과성능을 알아보았고 폴리설폰 분리막을 이용하여 3, 4 단의 분리막 공정을 설계하여 분리 농축 실험을 실시하였다.

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:

본 연구에서는 bulky하면서 큰 자유체적을 가지는 플루오렌기를 도입하여 새로운 폴리술폰(PSf)고분자를 합성하고 해당 고분자에 PEG를 공중합시켜 분리막을 제조하였다. PEG 특성 피크 (2950 cm−1,1110cm−1)의 확인을 통해 PEG가 도입을 확인하였으며. PSf-PEG 분리막이 단일 유리전이온도를 가지는 것을 확인 하였다. 분자량 6000 PEG가 10 mol%가 포함된 PSf-PEG분리막에서만 60 °C 부근에서 용융점이 나타났다. PSf-PEG 분리막의 CO2기체투과도는 PEG함량에 따라 감소하는 거동을 보였지만 CO2/N2선택도는 증가하는 경향을 보였다. 비슷한 함량에서 PEG의 분자량이 증가함에 따라 CO2투과도는 증가하는 경향을 보였다.

현재 사용되는 단백질 분리공정은 비용이 많이 들고 시간이 오래 걸리는 단점을 가지고 있다. 이러한 문제점을 보완하기 위해서 분리막을 이용한 분리 공정들이 계속적으로 연구되고 있으며, 단백질의 크기에 따른 분리공정과 pH에 따른 단백질 표면의 전하 차이를 이용한 분리공정이 있다. 본 연구에서는 유사한 크기의 단백질을 분리하기 위해 폴리술폰을 개질하여 전하를 부여하였으며, 상전환법을 이용하여 분리막을 제조하였다. 분리막 표면의 Zeta potential을 측정하여 pH에 따른 표면의 전위차를 확인하였다. FT-IR과 1HNMR을 이용하여 화학구조를 분석하였으며, UV Spectrometer를 이용하여 단백질의 농도를 측정하였다.

Polysulfone 고분자를 각각 설폰화 및 아민화하여 양이온교환막과 음이온교환막 용액을 합성하였으며 전극에 코팅하여 축전식 탈염공정 실험을 수행하였고, 막을 코팅하지 않은 축전식 탈염공정과 배출수의 농도와 염제거율을 비교하였다. 흡/탈착 전위는 1V/-0.3V로 고정하였으며 공급액의 유속을 15/25/30 ml/min, 공급액의 농도를 100/200/300/500 ppm, 흡착시간을 2/3/5/7min으로 하고 탈착시간을 1min으로 하여 실험을 수행한 결과 MCDI가 CDI 결과보다 2～3배 가량 우수한 값을 나타냈다. 100ppm의 농도에서 15ml/min 유속으로 흡착시간을 3분으로 하여 MCDI 공정을 수행한 경우 염제거율은 100%였고 500ppm의 경우 염제거율이 91%로 측정되었다.

최근 온실가스로 인해 기후 이상현상이 급증하면서 이산화탄소 분리 및 포집기술에 관한 관심이 집중 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 합성 여부는 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.