21세기 들어서 더욱 나빠지는 기후변화로 가뭄이나 물 부족현상이 전 세계적으로 확대되고 있다. 또한, 화석연료 사용으로 발생하는 이산화탄소는 전체 온실가스의 80%를 차지하기 때문에 지구 온난화의 요인이 되고 있다. 따라서 수처리 멤브레인, 가스분리용 멤브레인, 2차전지용 분리막의 중요성은 증대하고 있으나, 미국, 일본, 독일 등 선진국에서 기술을 독점 하고 있어서 국내 멤브레인 기술의 고도화 및 경쟁력 강화가 시급히 요구되고 있다. 그래서 국가에서도 연구예산을 지원하고 있으나, NTIS 데이터를 이용하여 효율성을 분석하였다. 분석 결과, 단기과제 위주로 지원되고 있고, 타 기술 분야에 비해서도 연구비 규모가 작으며, 기초 소재 분야 지원이 취약한 것으로 분석되었다. 따라서 장기과제를, 많은 예산으로, 대학을 중심으 로 많이 투자할 때 멤브레인 기술의 향상과 경쟁력이 강화되어 선진국과 동등한 기술력을 갖출 것으로 기대된다.

막증발 기술은 최근 해수담수화 분야에서 많은 주목을 받고 있으며, 기존 증발법과 역삼투를 대체하는 대안기술로서 개발이 활발하게 추진되고 있다. 그러나 막증발 기술의 실용화를 위해서는 극복하여야 할 몇 가지 문제점이 있다. 본 연구에서는 막증발 기술을 효율적으로 적용하기 위하여 해결해야 하는 1) 스케일업 2) 막오염 억제 3) 막젖음 예측 및 방지기술 개발하고자 하였으며, 이를 통하여 저탄소 담수화를 실현시키기 위한 방안을 제시하고자 하였다.

CO2 separation technology for carbon capture, which is one of the hot issues to reduce greenhouse gases from industrial flue gas, has been intensively investigated so far. Despite of several benefits, the membrane technology has some obstacles like large-scale module fabrication, membrane durability, need of pre-treatment or high pressure drive for its industrial application. Also, the power plant flue gas with normally 10~20% of CO2 content should be concentrated upto 99% for being compressed and liquefied to transportable CO2 by pipeline, indicating the need of high selective membrane process as well as high recovery. In this work, the possibility of membrane process for post-combustion treatment in terms of recent technology will be announced. The practically applicable process for CO2 capture also be suggested briefly.

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.

Biogas produced in anaerobic digestion process has been considered as a renewable energy source. To recover biogas from the anaerobic effluent and thereby maximize the energy recovery from anaerobic processes, membrane contactor employing hydrophobic porous hollow fiber membrane has been applied. By optimizing the surface hydrophobicity and the porosity of membranes, a desirable CH4 flux could be achieved. Biogas recovered can be upgraded by applying required purification processes for the injection into natural gas grid or for the use as vehicle fuel. My group has synthesized various microporous materials including zeolites, metal-organic frameworks (MOFs) and amine-appended sorbents that are selectively transport CO2 molecule and incorporated them into polymeric films to design high performance gas separation membranes.

수분을 포함한 압축공기는 공압 시스템에서 부식과 관석 등의 여러가지 문 제를 유발하기 때문에 기상 내의 수분을 효율적으로 제거하기 위한 다양한 기술이 개발되어오고 있다. 특히, 분리막을 이용한 제습 방법은 에너지 소비가 작 고, 장치를 소형화할 수 있다는 장점으로 주목받고 있다. 본 연구에서는 제습용 중공사막을 상전이 방적법으로 제조하고, 친수성 또는 소수성으로 표면 개질하였다. 선택도와 투과도 향상을 위하여 기공 구조를 제어하였으며, SEM, 기체 투 과도, 접촉각 측정 등으로 중공사막의 특성을 분석하였다. 또한, 분리막을 모듈 화하여 제습 실험을 수행하였으며, 여러 운전 조건에서의 특성을 확인하였다.

(주)효성은 지난 20여 년 동안 분리막 소재 및 제막 기술에 대한 연구를 진행 해오고 있으며, 독자적인 기술로 PVDF 소재의 평막, 침지형 및 가압형 MF/UF 중공사막 및 모듈을 개발하여 상용화하였고 이를 실제현장에 적용하여 저비용 고성능 고효율의 모듈운전 결과를 확인하였다. 최근에는 차세대 분리막으로써 Acetylated MeCellouse (AMC)와 PolyOlefinKetone (POK) 소재를 사용한 수처리용 분리막을 연구하여 고투수성, 내오염성이 우수한 새로운 분리막을 개발 중에 있다.

반도체용 초순수를 생산하는 공정에서 다양한 종류의 멤브레인을 적용하고 있다. 정밀여과막, 한외여과막, 역삼투막, 탈기막, 이온교환막, 최종생산수용 한외 여과막 등이 있다. 멤브레인기술은 종래기술과 비교하여 동등이상의 성능과 운전의 용이함과 설치면적의 최소화 등 부수적인 장점이 있기 때문이다. 반도체산업에서 적용되고 있는 멤브레인은 주로 외산기술이 점유하고 있다. 본 연구에서는 국산화를 위해 설계공정과 일부 멤브레인 기자재 개발을 진행하 였다. 기자재 개발품의 실증을 위해 실증파일럿플랜트에 적용하여 국/외산 성능 비교와 운전방법에 따른 성능 등을 평가하는 연구를 진행하였다.

CCS is not a recent issue. Efforts to reduce carbon dioxide since the 1990s have been around the world, and the carbon dioxide emitted from post-combustion flue-gases is still enormous. Membrane technology also has been widely considered as a good candidate to enrichment of CO2, but it has not been verified about the remarkable advantages compare to the other technologies; such as amine scrubbing or physical adsorption. Numerous membranes for CO2 separation with high selectivity and permeance have been developed, but the membrane process for those applications are much less. The industrial technology to concentrate and store the carbon source has not been proved enough for its massive emission and engineering issue. Moreover, membrane technology lacks database for large scale processes. In this talk, the membrane process for CCS industry will be introduced. The considerable factors for industrial application of membrane technology will be also announced.

하⋅폐수 처리 기술은 종래 단순 오염물질 처리에서 에너지 및 자원 절약형의 고도처리 기술로 발전되고 있으며, 공공 수역으로의 오염 물질과 유독 물질 배출을 최소화하고 설치⋅운영의 효율성을 높이기 위해 IT 및 BT와 같은 다양한 기 술을 접목한 융합형 기술로 진화하고 있다. 국내 하⋅폐수 처리기술의 발전 추이를 살펴보기 위해 등록된 특허기술을 수집⋅ 조사하여 연도별⋅부문별로 분류하여 분석하였다. 본고에서 2010년~2017년 5월 간의 관련된 특허 등록 내용을 생물학적⋅ 물리화학적 처리공정, 장치 및 기기, 소재⋅제재, 슬러지처리, 분리막, 공정제어기술 등 10개 분야의 42개 세부 영역으로 나누 어 추세를 분석했다. 총 3,356건의 특허가 등록되었으며 2013년에 638건으로 최고치를 기록한 이후 다소 감소하여 연간 3~400여 건을 유지하고 있다. 등록된 특허 총 건수는 아직 다른 국가에 비해 적지는 않으나 공정 제어 및 기기 분야, 신개념 처리 기술과 같이 세계 시장을 선도할 수 있는 첨단 기술의 특허는 타 분야에 비해 미흡한 것으로 나타났다.

연구에서는, 전기방사법을 이용하여 산화철-산화그래핀(Fe3O4/GO, metallic graphene oxide; MGO)이 도입된 PVdF/MGO 복합나노섬유(PMG)를 제조하였으며, 이를 활용하여 비소제거에 대한 특성 평가를 진행하였다. MGO의 경우 In-situ-wet chemical 방법으로 제조하였으며, FT-IR, XRD분석을 진행하여, 형태와 구조를 확인하였다. 나노섬유 분리막의 기 계적 강도 개선을 위하여 열처리과정을 진행하였으며, 제조된 분리막의 우수한 기계적 강도 개선 효과를 확인할 수 있었다. 그러나, PMG 막의 경우, 도입된 MGO의 함량이 증가할수록 기계적 강도가 감소되는 경향성을 보여주었으며, 기공크기 분석 결과로부터, 0.3~0.45 μm의 기공크기를 가진 다공성 분리막이 제조되었음을 확인할 수 있었다. 수처리용 분리막으로의 활용 가능성 조사를 위해, 수투과도 분석을 실시하였다. 특히, PMG2.0 샘플의 경우 0.3 bar 조건에서, PVdF 나노섬유막(91 kg/m2h)에 비해 약 70% 향상된 결과값(153 kg/m2h)을 나타내었다. 또한, 비소 흡착실험 결과로부터, PMG 막의 경우, 비소3 가와 5가에 최대 81%, 68%의 높은 제거율을 보여주었으며, 흡착등온선 분석으로부터, 제조된 PMG 막의 경우 비소3가, 5가 모두 Freundlich 흡착거동을 따른다는 것을 확인하였다. 위 모든 결과로부터, PVdF/MGO 복합 나노섬유 분리막은 비소제거 및 수처리용 분리막으로 충분히 활용할 수 있을 것으로 판단된다.

제올라이트 분리막은 알루미나 등 다공성 지지체 표면에 3차원적으로 서로 연결된 주기적인 미세기공을 갖는 제올라이트 층을 치밀하게 코팅한 복합 소재이다. 현재 LTA, FAU, CHA 제올라이트 분리막이 투과증발 분야에서 상업화되었고 이는 PVA 판형 막에 비하여 현저한 물 투과도와 물/알코올 선택도를 갖기 때문이다. 국내의 경우도 ㈜파인텍에서 LTA 제올라이트 분리막과 시스템이 사업화되었다. 최근 제올라이트 분리막을 이산화탄소 포집, 수소 회수 등 기체분 리에 이용하려는 연구가 시도되고 있다. 제올라이트 분리막은 고분자 분리막에 비하여 가격이 비싸다고 알려져 있으나 원자재 측면에서 보면 오히려 저렴할 수 있다. 대량 생산, 생산 공정 개선 등이 이루어진다면 폴리머 분리막과 대등 한 가격경쟁력을 가질 것이 예상된다.

접촉막은 기존 흡수 공정과 분리막의 장점을 결합한 하이브리드 공정으로써, 고효율-저에너지 공정으로 주목받고 있다. 접촉막에 사용되는 분리막은 물질전달 저항을 최소화하기 위하여 높은 소수성과 기공도가 확보되어야하며, 화학 흡수제에 대한 내성이 필요하다. 따라서, 본 연구에서는 화학적, 열적 안정성이 뛰어난 세라믹 소재의 중공사막 제조하고, 소수성으로 개질하여 모듈화하였다. 또한, 세라믹 중공사막 모듈을 이용하여 CO2 흡수 성능을 평가하고 분석하였다.

분리막 수처리 공정에서는 완결성 테스트를 통해 막 손상을 감지하고, 수작업으로 손상부분을 찾아내어 해당 부분을 보수하는 방식이 사용된다. 이러한 방법으로 보수하는데 많은 시간과 전문 인력이 필요하므로 이에 대한 개선이 필요 한 시점이다. 당사에서는 산업통상자원부/한국산업기술진흥원의 지원을 받아 예일대학교와 국제공동연구를 통해 차세대 분리막 복원기술을 개발하였다. 본 기술은 분리막의 손상된 부위에 Healing agent를 침적시키고, Cross-linker를 주입하여 손상된 부분에 큰 고분자를 형성시켜 보수하는 기술이다. 현재 Lab 테스트를 통해 효과 를 확인하였고, 실규모 막모듈을 이용하여 검증평가를 진행한 후 상용화를 준비 할 예정이다.

역삼투 기반 해수담수화 기술은 전 세계 물 부족 문제 해결의 대안으로 주목 받아왔다. 최근에는 에너지 효율의 한계를 극복하기 위한 차세대 저에너지 기술들이 연구되고 있다. 정삼투 공정의 해수 희석을 통해 역삼투 공정에 필요한 에너지를 낮추는 FO-RO 공정, 그리고 압력지연삼투를 통한 에너지 회수와 막증발 기술을 통한 고수량 확보의 MD-PRO 공정이 미래의 해수담수화 기술들이다. 하지만 수처리 분야에서는 현재 시행 가능하며 역삼투 기술 본연의 효율을 극대화시키는 기술을 필요로 하고 있다. 이에 KORAE 연구단은 세계 최고 수준의 저에너지 3.3 kWh/m3 해수담수화 플랜트 구축을 목표로 하여 적조 및 고염 대응 전처리, 역삼투막 및 모듈 시스템 개발을 진행하며 해수담수화 기술의 최적화를 연구 중이다.