PTMSP[Poly(1-trimethylsilyl-1-propyne)]에 TEOS (tetraethoxysilane), TMOS (tetramethoxysilane), MTMOS (methyltrimethoxysilane), 그리고 PTMOS (phenyltrimethoxysilane)의 함량을 0, 15, 20, 30 wt%로 달리하여 졸-겔법을 이용하 여 PTMSP-silica 복합막을 제조하였다. PTMSP-silica 복합막의 알콕시실란 함량에 따른 H2, N2의 기체투과도와 N2에 대한 H2의 이상 선택도를 조사하였다. H2와 N2의 투과도는 알콕시실란 함량이 0∼20 wt% 범위에서는 증가하다가 알콕시실란 함 량이 20∼30 wt% 범위에서는 감소하였다. N2에 대한 H2의 이상 선택도는 TEOS와 PTMOS의 함량이 0∼15 wt% 범위에서 는 감소하였으며, 15∼30 wt% 범위에서는 다시 증가하였다. Robeson upper bound와 비교할 때, PTMSP-silica 복합막은 TEOS 함량이 30 wt%, MTMOS 함량이 20 wt% 그리고 PTMOS 함량이 30 wt%에서 투과도와 이상 선택도가 동시에 향상된 것으로 나타났다.

PTMSP[Poly(1-trimethylsilyl-1-propyne)]에 LDH (layered double hydroxide)의 함량을 0, 1, 3, 5 wt%로 달리하여 PTMSP/LDH 복합막을 제조하고, PTMSP/LDH 복합막의 LDH 함량에 따른 H2, N2, CH4, C3H8, n-C4H10의 기체투과도와 선 택도를 조사하였다. PTMSP/LDH 복합막의 LDH 함량이 0∼5 wt%로 증가하면 H2와 N2의 투과도는 점차 감소하였고, n-C4H10의 투과도는 급격히 증가하였다. 그리고 CH4와 C3H8의 투과도는 0∼3 wt% 범위에서는 감소하고 3∼5 wt% 범위에서 는 증가하였다. PTMSP/LDH 복합막의 LDH 함량이 5 wt%로 증가하면 H2와 N2에 대한 H2, N2, CH4, C3H8, n-C4H10의 선택 도는 점차 증가하였고, CH4에 대한 C3H8과 n-C4H10의 선택도는 0∼3 wt% 범위에서는 증가하고, 3∼5 wt% 범위에서는 감 소하였다. PTMSP/LDH 복합막의 CH4과 n-C4H10의 투과도가 증가하면 H2와 N2에 대한 CH4과 n-C4H10의 선택도는 증가하였 고, n-C4H10의 투과도가 증가하면 CH4에 대한 n-C4H10의 선택도는 n-C4H10의 투과도 182,000 barrer까지는 증가하다가 그 이상 에서는 감소하였다. C3H8의 투과도가 증가하면 H2와 N2에 대한 C3H8의 선택도는 C3H8의 투과도 46,000∼50,000 barrer 범위에 서는 감소하고 50,000∼52,300 barrer 범위에서 증가하였고 52,300∼60,000 barrer 범위에서는 감소하였다. 그리고 C3H8의 투과 도가 증가하면 CH4에 대한 C3H8의 선택도는 52,300 barrer까지는 급격히 감소하였고, 그 이상에서는 급격히 증가하였다.

Chitosan에 HNT (halloysite nanotube)의 함량을 0, 3, 5, 10 wt%로 가하여 chitosan-HNT 복합막을 제조하였다. 복합막의 구조는 FT-IR, XRD, TGA, SEM으로 알아보았다. 기체투과 실험은 30˚C, 4kg/cm2 조건에서 수행하였고, chitosan-HNT 복합막의 HNT 함량 변화에 따른 CO2와 CH4의 기체투과도와 선택도를 조사하였다. Chitosan-HNT 복합막의 기체 투과도는 HNT 함량이 3 wt%에서 가장 큰 값을 보였고, 그 이상의 함량에서는 감소하였다. 선택도(CO2/N2)는 0~10 wt% 범위에서 HNT 내의 OH기와 CO2 간의 친화력으로 인하여 증가하였고, 약 1.3~3.8의 값을 보였다.

새로운 구조를 가진 폴리이미드를 이용하여 고투과, 고선택성 불활성기체충진장치용 기체 분리막을 제조하였다. 높은 기체투과도와 용해도를 나타내는 무수물인 2,2-bis(3,4-carboxylphenyl) hexafluoropropane와 두 종류의 아민을 사용하여신규 폴리이미드를 합성하였다. 투과도를 증가시키기 위해 2,3,5,6-Tetramethyl-1,4-phenylenediamine를 사용하였고, 선택도를 높이기 위해 여러 종류의 아민을 사용하였다. 화학적 이미드화 방법으로 공중합체를 준비되었으며 100,000 g/mol 이상의 평균 분자량을 나타내었다. 합성된 고분자의 열적 특성을 분석을 하기 위해 유리전이 온도(Tg)와 열적 특성은 시차주사열량계(DSC)와 열중량분석기(TGA)로 측정을 하였으며, 유리전이온도(Tg)는 300°C, 열분해 온도는 500°C가 넘어 뛰어난 열적 특성을 보였다. 기체투과도 특성은 time-lag 장비를 사용하였으며 그 결과, 일반 폴리이미드의 경우 대부분 기체투과도가 1 barrer이하의 수치를 보이지만, 합성된 고분자의 경우 산소투과도 36.21 barrer과 산소/질소 선택도의 경우 4.1로 고투과 고선택도를 나타내어 불활성기체 충진장치용 장치로의 적용 가능성을 확인할 수 있었다.

본 연구에서는 소수성 PVDF막 표면에 중성 친수성 고분자인 Poly(vinyl alcohol) (PVA)를 코팅한 후 순수 투과도를 측정하고 대표적인 단백질 오염물질인 bovin serum albumin (BSA)에 대하여 파울링 실험을 수행하였다. BSA 용액 20ppm 조건에서 파울링 실험을 수행한 결과, 코팅 전 막에 비하여 순수 투과도는 감소하였지만 내오염성은 현저히 증가됨을 알 수 있었다. 코팅된 PVA의 분자량이 커질수록 순수 투과도는 감소하였으나, 내오염성이 증가하는 경향을 보였다. 또한, 코팅된 PVA의 농도가 높아질수록 순수 투과도는 감소하였고, 내오염성이 증가하였다. 이는 접촉각과 AFM 측정 결과와 관련하여 코팅 후 막 표면에 친수성의 증가와 거칠기가 감소했기 때문으로 여겨진다.

PEBAX[poly(ether-block-amide)에 ZIF-8(zeolitic imidazolate framework)의 함량을 0, 1, 3, 7, 10, 20 wt%으로 하여 PEBAX-ZIF 복합막을 제조하였다. 기체투과 실험은 압력 6 kgf/cm2 하에서 25, 35, 40°C로 온도를 달리하여 진행되었고,PEBAX-ZIF 복합막의 ZIF-8 함량 변화에 따른 C3H6과 C3H8의 기체투과도와 선택도(C3H6/C3H8)를 조사하였다. C3H6과 C3H8의 투과기체에 대해 ZIF-8 함량 0∼7 wt% 범위에서는 함량이 증가할수록 기체 투과도가 증가하다가 7∼20 wt% 범위에서 함량이 증가하면 감소하는 경향을 보였다. 선택도(C3H6/C3H8)는 PEBAX-ZIF 7 wt% 복합막에서 3.6∼3.8의 값을 가지며, 가장 낮은 활성화에너지 값을 나타냈다.

본 연구에서 고투과도를 갖는 실리카 분리막은 콜로이달 실리카 졸과 고분자형 실리카 졸 두 가지를 DRFF법과SRFF법으로 다공성 금속 지지체 위에 코팅하여 제조되었다. 실리카 졸은 졸-겔법으로 테트라에톡시실란(TEOS)에 의하여 제조되었고, 각각의 졸은 동적광산란법(DLS), 전계방사 주사전자현미경(FE-SEM), 질소 흡착법 등을 이용하여 그 특성을 평가하였다. 다공성 금속 지지체위에 콜로이달 실리카 졸로 중간층을 형성하여 치밀한 구조의 실리카 층을 형성한 후 그 위에 분리층으로 고분자형 실리카 졸을 코팅하여 핀홀을 줄이는 방법으로 기체분리용 분리막을 제조하였다. FE-SEM으로 분리막의코팅 층을 분석한 결과 분리층은 중간층보다 침밀한 구조를 가지고 있음을 확인하였고 기체투과 결과 수소 투과도 (6.63-9.21) × 10-5 mol⋅m-2⋅s-1⋅Pa-1 분포를 보였다.

고무상 고분자인 PDMS (polydimethylsiloxane)에 HNT (halloysite nanotube)의 함량을 5, 10, 20, 30 wt%로 달리하여 PDMS-HNT 복합막을 제조하고, FT-IR, XRD, TGA, SEM에 의해서 막의 특성을 조사하였다. 기체투과 실험은 25°C, 3 kg/cm2 조건에서 수행하였고, PDMS-HNT 복합막의 HNT 함량 변화에 따른 H2, N2, CH4, CO2들의 기체투과도와 선택도를 조사하였다. H2, N2, CH4, CO2의 투과기체에 대해 HNT 함량이 0~30 wt% 범위에서 HNT 함량이 증가할수록 기체들의 투과도는 전체적으로 감소하는 경향을 보였다. 선택도(CO2/N2)는 14~44의 값을 보였고, 선택도(CO2/CH4)는 3.0~7.7의 값을 보였다.

We prepared ethylene vinyl alcohol (EVOH)/graphene oxide (GO) membranes by solution casting method. X-ray diffraction analysis showed that GOs were fully exfoliated in the EVOH/GO membrane. The glass transition temperatures of EVOH were increased by adding GOs into EVOH. The melting temperatures of EVOH/GO composites were decreased by adding GOs into EVOH, indicating that GOs may inhibit the crystallization of EVOH during non-isothermal crystallization. However, the equilibrium melting temperatures of EVOH were not changed by adding GOs into EVOH. The oxygen permeability of the EVOH/GO (0.3 wt%) film was reduced to 63% of that of pure EVOH film, with 84% light transmittance at 550 nm. The EVOH/GO membranes exhibited 100 times better (water vapor)/(oxygen) selectivity performance than pure EVOH membrane.

이산화탄소의 효과적인 분리 및 포집을 위해서 등방성 다공성 구조의 폴리프로필렌(pp) 격자의 내부에 제올라이트 입자들이 표면 덮임 없이 균일하게 분포되어 있는 흡착투과중공사막(APM: adsorptive permeation hollow fiber membrane)을 개발하였다. 본 연구에서는 이산화탄소/질소 혼합물을 모사 기체혼합물로 사용하였는데, 공급되는 기체혼합물 모두가 APM을 투과하면서 이산화탄소는 APM 내 분포되어 있는 흡착제에 흡착되고 질소는 투과하여 배출된다. APM이 장착된 모듈을 제조하여 이에 대한 흡착투과실험을 수행하여 흡착투과 성능을 분석하였고 또한 포화 흡착된 APM을 진공압에서 탈착재생하여 그 결과를 재생효율과 에너지소모 관점에서 고찰하였다.

본 논문에서는 Pebax-2533 판형 분리막을 1-프로판올과 n-부탄올 혼합용매를 이용하여 용해, 건조하여 제조하였고 time-lag 장치를 이용하여 CO2, N2 투과특성을 평가하였다. 제조된 분리막은 평가조건에 따라서 130-288 barrer의 CO2 투 과율을 가졌으며, CO2/N2 투과선택도는 5-8이었다. Time-lag 장치의 주입부 압력이 증가함에 따라서, 투과온도가 낮아짐에 따라서, 그리고 혼합용매의 n-부탄올 양이 증가함에 따라서 CO2 투과도는 감소하였다. 이러한 실험 자료는 Pebax-2533 분리 막의 CO2 투과율이 CO2 용해에 매우 의존할 것이라 예측과 달리, CO2 용해뿐만 아니라 CO2 확산도 매우 중요한 단계임을 의미하였다.

본 연구에서는 친수성 NaY 제올라이트 분리막의 단일기체, 이성분계 및 삼성분계 혼합기체에서의 CO2 투과거동에 대하여 고찰하였다. 분리막을 통한 CO2 투과는 표면확산에 의해 지배되며 CO2 분리는 흡착된 CO2 분자에 의한 blocking 효과에 의해 나타남을 재확인하였다. 진공모드에서 얻어진 CO2 투과도는 He sweeping 모드에서 얻어진 값보다 작았지만 가압모드에서 얻어진 CO2 투과도 값과 유사하였다. 특히, NaY 제올라이트 분리막은 실제 연소배가스 조건과 유사 한 14%CO2-80%N2-6%O2 모델기체에 대하여 진공모드에서 CO2 투과도 약 1 × 10 -7 mol/m 2 secPa, CO2 선택도 10 이상의 우수한 분리성능을 보였다. 따라서, NaY 제올라이트 분리막은 연소후 이산화탄소 회수용 분리막으로 응용 가능성 있는 소재임을 확인하였다.

본 연구에서는 Matrimid-5218로부터 메틸이미드 중공사 전구체를 비용매 유도 상분리법으로 제조한 후에 탄화시 켜 탄소 분자체 중공사 분리막을 제조하였으며 전처리, 열분해, 후처리 공정이 탄소 분자체 중공사 분리막의 기체 투과 특성 에 미치는 영향을 살펴보았다. 250°C에서 2시간 공기 중에서 전처리하고, 550°C에서 2시간 질소 분위기에서 열분해한 후, 250°C에서 2시간 공기 중에서 후처리할 때에 가장 높은 기체 투과특성을 갖는 분리막이 제조되었다. 제조된 탄소 분리막은 H2, He, CO2 투과도가 69.72, 35.61, 31.01 GPU이었으며 O2, N2 가스는 거의 투과하지 않았다. 따라서 제조된 탄소분자체 중 공사 분리막은 H2, He 등 작은 분자 기체와 CO2 회수용 분리막으로서 우수한 소재임을 확인할 수 있었다.

본 연구는 정밀여과용 관형 분리막 모듈 내에 자체 설계한 기체분사형 노즐을 장착하여 막오염 감소 효과에 따른 투과유속을 측정하였다. 원료 용액으로는 0.1 wt% yeast 입자를 사용하였으며 공기 주입에 따른 막오염 감소 효과를 확인하기 위하여 공기를 주입하지 않은 경우와 주입한 경우의 투과유속을 비교⋅분석하였다. 공기를 주입하지 않았을 경우 투과유속은 지속적으로 감소하였지만 공기를 주입할 경우 투과유속은 공기를 주입하지 않은 경우와 비교하여 30% 이상 향상됨을 확인 하였다.

다성분계 휘발성 유기화합물(VOCs; Volatile Organic Compounds)의 분리를 위하여 상전이법을 이용하여 방사 한 poly (ether imide) (PEI) 중공사 지지체에 poly (dimethylsiloxane) (PDMS)를 코팅하여 중공사 복합막을 제조하였다. VOCs 회수용 중공사막으로서 적합성을 알아보기 위해서 중공사막의 모폴로지, 질소 및 산소 기체 투과도를 측정하고, 벤젠, 톨루엔 그리고 자일렌에 대한 내구성을 조사하였다. 다성분계 휘발성 유기화합물의 효과적인 분리성능을 조사하기 위하여 Stage-cut과 feed 농도에 따른 다성분계 VOCs 투과 성능 변화를 관찰하였다. PEI 지지체 중공사막에 PDMS를 코팅시킴 에 따라 산소와 질소 투과도는 각각 45,000 GPU와 49,450 GPU에서 63 GPU와 30 GPU로 감소하는 것을 확인하였다. VOCs 투과농도는 Stage-cut이 감소함에 따라 증가하나, 회수율은 감소하였다. 반면에 공급농도 증가에 따라 투과농도는 비례적으로 증가하였지만, 농축비나 회수율은 큰 변화가 없었다.

EVA의 기체 분리 성질에 미치는 LDH의 영향을 알아보았다. Mg-Al LDH/EVA 나노복합막은 유기적으로 수정된 DS-LDH를 이용하여 용액 삽입법으로 제조되었다. DS-LDH는 LDH 층간에 DS 음이온을 삽입하여 제조하였다. 나노복합막 의 구조는 XRD, FT-IR, SEM으로 알아보았다. DS-LDH가 EVA 내에 무질서하게 분산되었음을 XRD로부터 확인하였다. LDH가 3 wt% 첨가된 나노복합막에서 인장강도와 파단신율 모두 최댓값을 나타내었다. 열적 안정도 역시 EVA에 LDH가 첨가되면서 향상되었다. 1, 3, 5 wt%의 LDH를 함유한 LDH/EVA 나노복합막의 기체투과도는 O2와 CO2에 대하여 측정하 였다. 3 wt% LDH를 함유한 경우 나노복합막의 O2에 대한 투과도가 EVA막에서보다 53% 감소하였다. 하지만 CO2 투과도는 나노복합막의 기체 차단 특성에도 불구하고 LDH 내의 OH기와 CO2 간의 높은 친화력으로 인하여 기체투과도는 증가하였다.

본 연구에서는 용매열합성법(solvothermal method)을 이용해 나노기공 HKUST-1 분리막을 제조하였다. In-situ 용매열합성법을 이용하는 경우, 매크로 기공의 알루미나 지지체 위에 균일하고 균열이 없는 HKUST-1 층을 형성하기 어렵다. 본 연구에서는 용매열합성 전에 알루미나 지지체의 표면을 가열한 상태에서 용매열합성의 전구체 용액을 분무하므로 연속적이고 균열이 없는 HKUST-1 분리막을 제조할 수 있었다. 합성된 HKUST-1 분리막은 XRD, FE-SEM 및 단일 기체투과 실험 등을 통해 분석하였다.

본 연구에서는 CVD법으로 세라믹 막을 제조하였다. 튜브의 α-Al2O3 지지체 위에 Ga 염이 첨가된 γ-Al2O3를 코팅하였고, 실란화합물인 tetramethylorthosilane (TMOS) 를 650℃에서 화학적 기상 증착법으로 막에 증착하였다. 제조된 세라믹 막을 사용하여 수소, 질소, 이산화탄소, 메탄의 단일조성 기체투과 실험을 600℃에서 시행하였다. Ga 염 비첨가 시, 600℃ 수분 처리 실험의 H2/N2 선택도가 926에서 829로 감소한 반면, Ga 염 첨가 시에는 910에서 904로 안정하였다. 이 결과를 통해, 막에 금속염을 첨가하여 제조한 막이 수분 안정성을 향상시킴을 확인하였다.

본 연구는 pressure retarded osmosis (PRO) 분리막의 구조적 특성이 미치는 영향에 대하여 수행되었다. 이를 위해, 유사 분자구조를 가지며 자유부피는 차이가 나는 BPS-XX, BisA-XX가 선택되었다. BPS-XX와 BisA-XX는 축중합 반응을 통해 합성되었으며, 또한 더 세분화된 결과를 위해서 20~60 mol.%로 술폰화되었다. 자유부피의 변화에 따른 분리막의 특성을 입증하기 위해서 몇 가지 특성평가가 진행되었다. 연구 결과에서 동일 분자구조에서 자유부피가 증가하면 막의 투과도가 증가하였고, 선택도는 감소하였다. 본 연구의 투과도-선택도 결과에서, 분자의 기본 구조와 자유부피 조절에 따라서, 고 투과도와 선택도를 가진 막을 제조 가능함을 알 수 있었다.

본 연구에서는 높은 투과도를 갖는 PTMSP에 1, 3, 5 wt% LDH 함량으로 용액 삽입법에 의하여 PTMSP/LDH 복합막을 제조하였다. 복합막의 물리화학적 특성은 FT-IR, TGA, XRD, UTM, SEM을 사용하여 조사하였고, H_2, N2, CO2 기체에 대한 투과도와 선택도 성질을 고찰하였다. PTMSP/LDH 복합막의 기체 투과도는 LDH 함량이 증가함에 따라 감소하였고, H2와 CO2의 선택도는 LDH의 함량이 5 wt%일 때 최대값을 보였다. 그리고 PTMSP와 PTMSP/LDH 복합막은 기체투과 압력이 증가함에 따라 기체의 투과도가 증가하였다. PTMSP/LDH 복합막의 기체투과도는 PTMSP 막에 비해 압력 증가에 대한 차이가 다소 작게 나타났다.