하수슬러지와 같이 수분이 많이 함유된 폐기물 소각에 있어 순산소 연소기술은 공기 중의 질소를 배제하므로 장치의 크기를 줄일 수 있고 NOX의 배출을 줄 일 수 있는 고효율 연소 기술이다. 순산소 연소는 고효율 연소의 장점은 있으나 산소 제조 비용이 고가라는 문제점이 대두되어 왔다. 최근 저가 산소를 제조하기 위한 이온전도성 분리막 및 모듈이 개발되었고, 이를 소각로의 배열을 이용하여 운전한다면 산소제조 비용을 낮출 수 있는 장점이 있지만 장시간 대기 중의 CO2 노출 시 분리막 표면에 탄산염이 형성되어 성능이 저하됨을 확인되었다. 본 연구에서는 소각로에 순산소를 공급하고 고농도의 CO2를 sweep gas로 활 용하여 이온전도성 산소 분리막을 운영할 수 있도록 CO2 내성을 갖는 중공사막을 개발하였다.

2015년 파리기후변화협약에 의한 신기후체제 출범으로 전세계 195개국이 온실가스 감축을 약속하게 되었다. 한국도 2013년 기준 온실가스 배출이 7억톤을 기록하고 있으며 BAU대비 37% (3.1억 톤)를 감축해야 하는 의무를 약속하고 있다. 국내외에서 철강, 화학, 환경산업 등에서 대량으로 배출되는 온실가스를 회수하여 화학제품을 생산하는 탄소자원화(carbon resources utilization) 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 발표에서는 온실가스를 포함한 다양한 조성의 산업부 생가스의 발생현황과 부생가스로부터 고순도의 이산화탄소, 일산화탄소, 메탄, 수소 등을 경제적으로 분리회수하여 화학원료가스로 사용할 수 있는 분리기술 의 연구동향과 한국화학연구원에서 수행하고 있는 바이오가스 막분리기술을 중심으로 소개하고자 한다.

There have been continuous research activities towards the designing of various separation technologies for the sequestration of CO2. Organic polymer membranes pay a great attention for its eco-friendliness, simple operation and energy-saving. Polymer membranes such as polyimides, polyethers, TRs and PIMs are well known for their high permeability and excellent mechanical, chemical, and thermal properties. However, the foremost challenge for these polymeric membrane materials is their enhanced selectivity to CO2 without sacrificing permeability. The selectivity problems would be overcome by ionic liquids (ILs), which lead to a considerable attention on RTILs-based sequestrations for CO2/N2 and CO2/CH4 separations. The current research trends based on RTIL polymer membranes, together with our original concept of applying RTIL to various polymeric structures will be presented.

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.

역삼투(RO) 해수담수화 공정에 필요한 많은 에너지를 절감하기 위해 최근에 다양한 연구개발이 추진 중이다. 그 중에서 농도차에 의해 발생하는 삼투현상을 이용한 정삼투(FO)와 압력지연삼투(PRO) 기술을 접목한 하이브리드 해수담수화 공정들이 대표적이다. 특히, PRO 기술은 해수담수화 플랜트에서 배출되는 농축수와 하수처리수를 PRO 시스템의 유도용액과 원수로 각각 활용하여 두 용액의 염도차에 의해 발생되는 에너지를 회수함으로써, 기존 역삼투 해수담수화 공정 대비 25% 이상의 에너지 절감이 가능하며, 해수담수화 플랜트의 고농도 농축수를 희석 방류함으로써 해양생태계 파괴 방지 및 농축수 처리비용 절감 등의 효과를 기대할 수 있다.

최근 인구 폭발적 증가, 기후변화 등으로 인해 전 세계적으로 이용 가능한 수 자원이 감소할 것으로 예측되고 있어 대체 수자원에 대한 관심이 확대되고 있으며, 이의 대안으로 해수담수화 기술이 주목받고 있다. 해수담수화 방법에는 증류방식과 분리막 기술인 역삼투 공정이 대표적 기술이라 할 수 있으나, 최근 에는 증류법과 분리막법을 접목한 막증류법의 해수담수화 분야 적용 가능성이 점차 확대되고 있다. 막증류 공정은 기본적으로 증류 기반의 공정으로, 별도의 압력이 필요 없으며, 현재 가장 범용화된 분리막 기술인 역삼투 공정에 비해 높은 염 제거율 및 회수율로 인해 차세대 해수담수화 기술로 주목받고 있다. 따라서 본 발표에서는 막증류 공정용 분리막 소재 개발에 대한 내용을 소개하도록 한다.

분리막은 해수담수화를 포함한 수처리 분야에 폭 넓게 사용되고 있으며, 현장 적용을 위해서는 분리막의 모듈 적용은 필수적이다. 본 발표는 막 모듈 최적화 연구를 통해 해수담수화용 분리막 모듈의 성능저하 요인 분석을 분석하고 모듈 최적화 방향을 제시하고자 한다. 분리막 모듈 최적화 연구 진행을 위해 전산유 체역학과 이동현상 모델을 도입하였다. 이를 바탕으로 유한요소법을 이용하여 해수담수화 막 모듈 모델을 개발하였다. 개발된 모델을 기반으로 해수담수화용 막 모듈 형태에 따른 모듈 내 유체 거동 및 위치에 따른 성능 분포를 계산하였다. 본 연구를 통해 해수담수화 막 모듈 모델을 개발하였으며, 이를 기반으로 다양한 형태의 모듈 내 성능 분포를 도출하였다. 본 연구는 막 모듈 성능 분석 및 개선에 활용될 수 있다.

Biofouling is about of how marine organisms attach to marine substrata at different length and time scales. Anti-fouling is the process of removing the accumulation, or preventing their accumulation. Recently, many research groups in the world try to invent an anti-fouling agent via biomimicking processes. Naturally occurred antifouling materials and processes (i.e. calcareous algae that cause barren ground phenomenon, and periostracum of bivalves ) give us some insights to design novel anti-fouling agent via biomimicking. Here, I will present bio-inspired and environmentally friendly anti-fouling agents based on understanding marine fouling mechanisms.

급격한 산업화 및 인구증가로 물부족 문제가 가속화됨에 따라 최근 수처리 공정은 방류수 수질기준을 준수하여 방류하는 단순한 수준을 넘어서 보다 엄격한 수질을 만족시켜야하는 방향으로 발전하고 있는 추세이다. 이러한 노력의 일환으로 많은 하⋅폐수 처리장에서 생물학적 처리와 멤브레 인이 결합된 MBR 공정을 적용하고 있으나, 적용 현장별 특징을 충분히 반영하지 못한 설계로 MBR 공정의 우수한 처리성능을 제대로 활용하지 못하고 있는 실정이다. 이에, 본 연구에서는 산업단지 내에 설치되는 폐수처리시설의 입지여건과 특성을 반영하여 저유량 및 수질의 불균질화 문제를 해결하기 위한 설계사례 등 을 제시하고자 하였다.

Single-staged anaerobic fluidized ceramic membrane bioreactor (AFCMBR) was operated at 25oC for the treatment of low-strength synthetic wastewater with chemical oxygen demand averaging 260 mg/L. Tubular ceramic membrane consisting of aluminun dioxide (Al2O3) with 0.5 μm pore size was used. Overall COD removal was achieved as 87-95% with effluent COD concentration of 15-30 mg/L at hydraulic retention time (HRT) ranging from 1 to 3 hr depending upon permeate flux. Maintenance cleaning with NaOCl solution improved GAC scouring to reduce biofouling effectively, which allowed TMP less than 0.15 bar at 20 L/m2.hr. Energy required to operate the AFCMBR was reduced to 0.038 Kwh/m3 at 17 L/m2.hr, which was about 17% of the electrical energy converted by methane produced by AFCMBR.

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.

최근 물 부족 문제가 대두되면서 막기반 해수담수화 기술이 해결책으로 주목 받고 있다. 공정 기술에서 에너지 소모 저감이 핵심으로 고려되고 있는 가운데, 고분자 막기반 해수담수화 공정의 에너지 소모량이 더 이상 줄어들지 않는 정체 현상을 보이면서, 성능 향상 및 에너지 소모량을 줄이기 위한 막개발이 핵심 으로 고려되고 있다. 최근 신소재를 이용한 막개발이 활발한 가운데, 원자수준 의 두께 및 물리/화학적 안정성, 높은 강도 등을 장점으로 하는 그래핀 (Graphene) 막 개발 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 물질이동 기작을 밝히기 위해 물 및 유기 용매가 그래핀 막에서 가지는 투과 성능을 온도 및 습도 조건을 달리하는 조건에서 측정하고, 이를 바탕으로 그래핀 막의 투과 성능 및 기작에 대해 평가하고자 하였다.

제올라이트 분리막은 미세기공이 결정구조에서 비롯되기 때문에 매우 좁고 균일한 미세기공 구조를 갖는 것으로 알려져 있다. 따라서 다공성 지지체 표면에 결함이 없는 균일한 제올라이트 분리층을 안정적으로 형성하기 위한 연구는 매우 중요한 부분이다. 본 연구에서는 다공성 알루미나 지지체 표면에 물/알코올 분리성능이 우수한 투과증발용 NaA, CHA 제올라이트 분리막을 형성시키기 위하여 50-100 nm 크기의 종결정을 도입한 후 수열합성법으로 이차성장시켜 분리막을 제조하였다. 그리고 분리층에 존재하는 비 제올라이트 기공구조(non-zeolitic pore structure)를 상세하게 분석하기 위하여 H2,N2,SF6 등의 단일 가스 투과 거동을 분석함으로써 비제올라이트 기공의 크기를 예측하고자 하였다.

ZIF-8은 제올라이트형 이미다졸레이트 골격체(Zeolitic Imidazolate Framework, ZIF) 중 하나로 마이크로 기공이 잘 발달된 구조체이며, 기공의 크기는 3.4 Å 으로 기체 흡착 및 분리 소재로 연구되어지고 있다. 본 연구에서는 입자 형성에 용매가 미치는 영향에 대하여 알아보기 위하여 다양한 종류의 용매 조건에서 ZIF-8 입자를 제조하였으며 다공성의 α-알루미나 지지체 위에 나노 크기의 ZIF-8 입자를 코팅한 후 용매열합성법으로 분리막을 제조하였다. SEM, XRD, TGA, DLS 등의 분석을 통해 각 용매에서 합성된 ZIF-8 입자의 특성을 평가 및 기체 흡착 성능을 측정하였으며, 용매의 종류에 따른 분리막 형성에 대하여 SEM, XRD, 기체투과특성 등을 관찰하였다.

CO2 capture technologies have been highlighted over the past decades because of global warming. Among the various technologies for CO2 capture, facilitated CO2 transport membranes show high CO2 selective performance by introducing carrier which interacts with CO2. In this presentation, we prepared and investigated facilitated CO2 transport membrane comprising potassium bis[(trifluoromethyl)sulfonylimide] (TF2N) dissolved in a polymer matrix of Pebax1657. Adding potassium salt to the membrane shows further improvement in gas permeabilities while maintaining or even improving the gas selectivity, compared to the corresponding neat polymer membrane. Therefore, we have demonstrated that KTF2N can act as dual carrier for CO2 and its facilitated transport membrane could be very effective in enhancing the CO2 separation performance.

Silicoaluminophosphate (SAPO-34) zeolite membranes (pore diameter of 0.38nm) have shown high tendency in separation of light gas mixtures. In this work, SAPO-34 membranes were synthesized under various conditions such as different seed, the composition of coating gel and temperature. Membranes prepared by secondary growth method were analyzed using SEM and XRD for the morphology; and gas properties which were tested using a homemade single gas testing apparatus. The crystallinity was improved by the addition of dipropyl amine as an additional structure directing agent (SDA) and also the membrane show nitrogen selectivity in response. Nitrogen selective membranes show a high gas permeance (above 2000 GPU) and low selectivity (max 2.25).

정삼투막 성능 예측에는 Solution-diffusion model이 지배적으로 활용되어 왔으나, 기존 연구에서 수압과 삼투압이 동시에 작용하는 가압형 정삼투 공정에 대한 예측정확도가 감소하며, 이를 위해 수압이 투과성능에 미치는 영향을 convection과 diffusion을 동시에 고려해야한다는 연구결과가 보고되었다. 본 연구에서는 CTA-ES 및 PA-TFC 정삼투막을 이용하였으며, 활성층 측에는 NaCl 용액을, 지지층 측에는 증류수를 주입하고, 활성층 측에 삼투압과 동일한 수압을 가하여 농도변화에 따른 수투과도 및 염투과도의 변화양상을 평가하였다.

Novel sulfonated poly(arylene ether) membranes with triazole introduced monomer (SPAE-TM) were synthesized via conventional aromatic condensation reaction. The TM was prepared through “click reaction” with high yield and used as proton transfer moiety to increase proton conductivity of polymer electrolyte membranes (PEMs). To compare chemical, mechanical and thermal stabilities of non crosslinked polymer electrolyte membranes (SPAE-TM10, SPAE-TM20), crosslinked membranes were prepared by thermal crosslinking method (cSPAE-TM10, cSPAE-TM20). The SPAE-TM membranes exhibited excellent thermal stability (Tg = ca. 250°C). The proton conductivities of all membranes were sufficiently high in a wide range of temperatures. The water uptake and swelling ratio of SPAE-TM membranes were successfully suppressed in comparison with SPAE-TM0 membrane.

SAFCs are recently being highlighted to overcome the disadvantages of AFCs. According to the recent works, alkaline doped PBI membranes exhibited good ionic conductivity, acceptable mechanical strength and high thermal stability. Suitable ionomer binder solutions for SAFCs were necessary. In this study, QPBIs having quaternized intermediate MGMC in the side group were synthesized for use as anion conducting ionomer binder. In addition, crosslinker was added in the catalyst slurry to improve the mechanical strength and chemical stability. The QPBIs were investigated in terms of FT-IR, NMR, ionic conductivity, KOH uptake etc. Moreover, MEAs prepared with different amounts of ionomer binder in electrodes were evaluated by CV and IV curve.

Alkaline direct liquid fuel cells (ADLFCs) employing anion-exchange membranes as a fuel barrier have attracted significant attention as promising alternative energy sources. ADLFCs are allowed to use more abundant anode catalysts which are cheaper than the catalyst used in that using hydrogen fuel. In this work, novel pore-filled anion-exchange membranes (PFAEMs) were successfully fabricated by combining a highly porous poly(tetrafluoroethylene) film and cationic polyelectrolytes with structurally stable anion-exchange sites. The results of the membrane characterizations revealed that the optimization in the crosslinking degree and hydrophilicity of membranes should be considered for the successful application of the PFAEMs to ADLFCs. (KETEP)(20153030031720) and (MOTIE) (No. 10047796).