As a key element in the RED process, the membrane influences the overall power output of the RED stack. Especially, the membrane resistance is one of important properties of the membrane. In this study, CEM(cation exchange membrane) and AEM(anion exchange membrane) consisting of cross-linked polymers in a porous polyolefin substrate were developed to simultaneously satisfy high performance and cost-down of the applied RED system. Physico-chemically stable and ultrathin ion exchange pore filling membranes (cation exchange membranes and anion exchange membranes) with high ion transfer coefficients have been developed for reverse electrodialysis as an energy conversion system. The polymer electrolytes in both cases of cation exchangeable and anion exchangeable ones consisting of the whole hydrocarbon materials were introduced into porous hydrocarbon substrates and crosslinked by radical polymerization in this work. The thickness of the prepared pore filling membranes was controlled between 16 and 23 micrometers to extremely lower membrane resistance and to increase ion transfer. All the properties of the prepared membranes were compared with commercial membranes obtained from Tokuyama, Fuji, and Fuma-Tech. Furthermore, RED cell performance and energy efficiency using the prepared pore filling membranes were also evaluated.

이온교환막은 수용액중의 양이온 및 음이온을 선택적으로 분리할 수 있는 이온선택성 막으로서 기본적 개념, 실직적 응용 분야, 기술적 적절성 등에 있어서 다양한 공정들에 폭넓게 사용되어지고 있다. 이온교환막을 응용한 공정은 최근 저가·고효율 이온교환막의 개발로 경제적이며 친환경적인 분리 공정으로 주목받고 있다. 이온교환막을 이용한 분리 공정은 초순수 제조, 이온성 물질의 분리·정제, 산·염기 제조와 같은 다양한 산업 분야에 적용이 가능하다. 본 발표에서는 이온교환막의 상업적 공정 적용 사례를 소개하고 향후 이온교환막의 개선방향에 대한 제안을 통해 보다 실용적인 국내 이온교환막의 개발에 도움이 되고자 한다.

고분자 분리막을 이용한 이산화탄소 포집공정은 최근들어 분리막 소재기술의 발전과 함께 관심이 급격하게 높아지고 있다. 미국의 경우는 MTR사가 DOE의 지원을 받아 1MWe 규모의 발전소 배가스 중의 이산화탄소를 포집하는 실증연구를 진행하고 있다. 또한 유럽에서는 노르웨이의 NTNU가 미국 Airproducts사와 협력하여 시멘트제조공정에서 발생하는 이산화탄소를 포집하는 연구를 수행하는 중이다. 본 연구는 (주)에어레인이 미래부산하 KCRC 센터의 지원을 받아 50 Nm3/hr 규모의 배가스를 처리하는 단위 모듈을 이용하여 150 Nm3/hr 규모연소배가스 포집공정을 설계하는 과정을 언급하고자 한다. 또한 이 플랜트의 시운전 과정에서 얻어진 데이터와 공급기체중의 산소농도의 영향등이 다뤄질 것이다. 최종적인 주요결과는 CO2 회수율 93%, 회수농도 85%이었다.

CO2 분리막 기술은 화학 유해 물질 사용·배출이 없는 친환경 기술로, 규모나 위치, 적용처별 사업 다각화가 가능한 기술이다. 전력연구원에서는 저비용 분리막 대량 생산 기술을 확보하고, 적층 방식의 분리막 모듈 상용화를 추진 중에 있다. Lab-scale의 분리 모듈의 성능 평가 결과를 기반으로 96% 순도, 90% 포집률을 동시달성하는 분리막 공정의 설계를 완료하였다. 현재 ’17년 8월 준공을 목표로 세계 최대 규모인 1MW급 CO2 분리막 테스트 베드를 당진 화력에 건설진행 중이다.

분리막을 이용하여 연소후 이산화탄소 포집 공정을 연구하였다. 5 Nm³/h 용량의 벤치급 막분리 공정 설비에서 보일러를 연소시켜 생성한 배가스를 사용하였고, 가스 용량에 맞춰 압축기 등의 부품은 산업용 제품으로 구성하였고 측정, 제어에 필요한 기기는 가능한 실험용 부품으로 구성하여 정확히 측정하도록 노력하였다. 전체 연구에서는 다양한 분리막 모듈을 대상으로 단일 분리막의 투과성능 뿐만 아니라 다단 분리막 조합에서 이산화탄소 포집 성능을 측정하였으며, 이번 주제에서는 고분자 분리막 모듈을 2단으로 구성하여 측정한 결과를 중심으로 발표하고자 한다. 벤치급 막분리 공정의 주요 변수로서 가스의 공급 유량, 1단과 2단의 압력비 등을 바꿔가며 포집 성능을 측정하였다.

분자체(molecular sieve)로 알려진 제올라이트 분리막 중에 8-membered ring 구조를 지닌 제올라이트를 연속적인 분리막 형태로 제작하고자 한다. 이를 통해 영구 기체 분자간의 크기 차이를 기반으로 한 분자체 역할을 할 수 있는 분리막으로 사용하고자 한다. 이렇게 얻은 연속적인 분리막을 이용하여 석탄기반의 화력발전소에서 발생하는 배가스 내에 존재하는 이산화탄소를 효과적으로 분리·포집하려고 한다. 도전적인 과제로서 수분이 존재하는 상황에서도 높은 이산화탄소/질소 분리 능력을 지닐 수 있도록 분리막을 제작하고자 한다. 이번 발표에서는 최근에 얻은 제올라이트 분리막 기반의 이산화탄소 포집 능력과 관련된 내용에 대해 발표하고자 한다.

분리막 장치는 액체, 기체의 물질분리를 위해 다양한 산업분야에 적용되어 왔다. 특히 액체 분리에 적용되는 분리막 장치는 수처리분야, 화학산업공정, 바이오산업공정, 의약분야 등으로 확장되면서 분리정제 공정에 보편적인 기술로 자리잡았다. 분리막 공정은 막 특성상 분리되는 물질에 따라 다양한 막힘현상이 발생하는데, 이러한 막힘현상을 방지하기 위해 막과 시스템이 발전하여왔고, 시스템 분야에서는 막힘현상을 방지하기 위해 진동, 회전, 와류 등을 이용하여 막표면에 발생하는 막힘현상을 억제하는 모듈들이 개발되어 상용화되고 있고, 이런 설비들을 Dynamic filtration 설비로 구분하고 있다. Dynamic filtration 설비들 중에서 특히, 와류를 이용하는 Anti-Fouling Membrane System(FMX)은 고농도 고점도 특성을 갖는 용액에서 물질을 분리하는 성능이 우수하여, 최근 급성장하는 바이오산업분야의 생산공정에 다양하게 적용되고 있다.

지난 2011년부터 수처리용 멤브레인 개발을 진행하던 롯데케미칼은 침지식 PVDF 중공사 멤브레인을 기반으로 MBR을 포함하는 수처리 시장에 진출하기 위하여, 2015년 2월 삼성 SDI의 관련 기술 및 연구장비, 파일럿을 인수하여 기술개발과 실적확보를 위한 연구를 지속적으로 수행하였다. 롯데케미칼의 침지식 멤브레인은 평균 기공크기가 30 nm의 한외여과막으로서 고강도 멤브레인과 저에너지형 멤브레인의 두 종류로 구성되어 있다. 특히, 저에너지형 멤브레인은 고강도 대비 30%의 fiber 무게를 감소시킴으로서 적은 세정용 공기 소비량에서도 세정효율을 유지할 수 있도록 하였다. 또한 내경의 단면적을 약 90% 정도 향상시켜 중공사막 내부의 유체저항을 최소화시켰다.

A-B Process는 A 단계에서 에너지 회수능력을 획기적으로 향상시키고, B 단계에서는 에너지 소비를 절감할 수 있는 기술로 구성되는 것을 특징으로 한다. A-B Process는 다양한 단위기술로 구성이 가능하며, 향후 에너지 생산 하수처리 시설을 위해서 필수적이라고 할 수 있다. 대표적으로 A단계는 고속활성슬러지 공법 또는 혐기처리로 구성하여 일반 활성슬러지공법과 대비 높은 COD Capture가 가능하며, A단계에서 제거되지 않은 일부 유기물과 질소는 B단계에서 단축질산화/탈질공정 또는 부분질산화/아나목스 공정으로 에너지를 절감한 형태로 효율적인 제거가 가능하다. 본 연구는 A단계에서 혐기성 세라믹 분리막 생물반응조 공정을 도입하여 하수처리로부터 90% COD Capture가 가능하였다.

평관형 알루미나 세라믹 멤브레인을 적용한 실험실 규모의 단독 혐기성 유동상 멤브레인 생물반응기 (Anaerobic Fluidized Bed Ceramic Membrane Bioreactor, AFCMBR) 하수처리 적용 가능성을 평가하였다. 단독 AFCMBR은 25℃에서 395일 간 합성폐수의 평균 유입 COD 260 mg/L에서 연속운전 되었다. 운전기간 동안 약 25 mg/L의 NaOCl 용액을 주입하여 주기적인 유지세정으로 멤브레인 투과플럭스 14.5-17 L/m².hr 달성이 되었다. 투과수의 용해성 COD는 1시간 HRT 에서 23 mg/L 이었고 고형물 발생량은 0.014 gVSS/gCODremoved였다. 단독 AFCMBR 운전 요구 전기에너지는 0.038 kWh/m³ 이었고 생산되는 메탄발생 전기에너지의 약 17%에 해당되었다.

해수담수화 플랜트 사업단은 2006년 해수담수화 플랜트 시장의 주력기술로 활용되었던 역삼투방식 해수담수화 플랜트 기술을 세계적인 수준으로 개발하고자 시작되었다. 특징적으로 10 MIGD 기장 플랜트를 통하여 8 MIGD급 트레인, 4.0 kWh/m³ 이하의 에너지 소모량, 파울링 저감 50% 등의 기술적 목표를 실현하였으며, 기술개발 주체인 두산중공업이 2013년 칠레 해수담수화 플랜트를 수주하는데 기여하는 등, 기술적 가치로서 1조 9천억에서 6조 9천억으로 평가받고 있다. 향후 기장내 공업용수 혹은 생활용수 공급용 정수 플랜트로 활용될 예정에 있다.

현재의 역삼투막 담수화는 전체 담수화 시장의 60%정도를 점유하고 있으며, 향후 2020년에는 70%까지 증가할 것으로 예상되고 있다. 역삼투막 공정의 Cost는 전처리 공정, 멤브레인 배치, 원수 및 최종 생산수의 요구수질 조건 등에 따라 다르므로, 설계에서 운영에 소요되는 모든 비용 구성을 이해하는 것이 중요하다. 대부분 전력비와 시설투자 비용에 80% 이상이며, 운영/유지보수에 20% 정도 차지한다. 당사에서는 역삼투막 전력비저감 및 고효율 전처리 개발과 운영/유지비용을 줄이기 위한 기술개발을 하고 있다. 또한 탈황 폐수처리를 위한 증발 무방류(Zero Liquid Discharge) 공정에 역삼투막(RO) 또는 정삼투막(FO) 공정을 결합하여 증발기의 용량을 줄여 열/전기에너지를 저감하는 공정 연구와 저염분 처리를 위한 전기화학 탈염 공정(CDI) 연구 개발을 수행하고 있다.

본 연구는 해수담수화 플랜트의 에너지 사용량을 이론적으로 분석하고 최적화하기 위한 기법을 개발하기 위하여 수행되었다. 먼저 해수담수화 공정모사 모델을 개발하였으며 이를 이용하여 에너지 흐름을 분석하고 각 단계별 유효에너지와 에너지 손실을 계산하였다.

Desalination with low energy consumption has been recognized as a crucial technology for meeting the growing freshwater needs of the UAE. In 2016, KAIA and the Masdar company in the UAE signed Joint Development Agreement to develop energy-efficient desalination technologies. The research aims to build a pilot plant desalination plant in UAE for demonstrating reduction of energy footprint. For this R&D project, Daewoo E&C designs and constructs a customized low energy seawater desalination facility with 1000~2000 m³/d by 2018. The goal of specific energy consumption is 3.3 kWh/m³, finally resulting in O&M cost reduction by more than 10%. The system will be configurated with energy saving RO membrane(LG chemistry), pretreatment for algae control using tube type bio filter(MTBF) and DAF, and ion exchange and capacitive deionization for replacement of 2nd RO. Optimizing this pilot plant by 2020 in the UAE is the next milestone in realizing the energy-efficient desalination technology to a viable product.

As ZIF materials have their unique properties such as high surface area, tunable pore structure, thermal and chemical stability, they can be used in various applications including gas separation and catalysis. For synthesis of ZIF membranes, fixing sub-micron ZIF seed particles on the support is challenging and important. In this work, ZIF-8 seed layer was synthesized by conversion synthesis of ZnO layer on support in H-mIm solution, followed by the secondary growth synthesis of ZIF-8 membranes. The parameters of conversion seeding had been investigated to control the reaction rate combining the dissolution rate of ZnO and the crystallization rate of ZIF-8. This ZIF-8 membranes showed the better coverage of seeding layer and gas separation properties compared with the membranes prepared by traditional dip-coating seeding.

Membrane-based CO2 capture is an energy-saving way to separate CO2 from N2 in post-combustion. Chabazite (Si-CHA) zeolites with a pore size of 0.37 nm × 0.42 nm are expected to separate CO2 from larger N2 (0.364 nm) by recognizing minute size differences. The pore mouth size on the Si-CHA zeolites outer surface was reduced via the chemical vapor deposition (CVD) to increase the molecular sieving effect by disfavoring the penetration of N2. The CVD process was conducted on CHA membranes to improve their CO2/N2 separation performance. Compared to the intact CHA membranes, the CO2/N2 max separation factor for CVD-treated CHA membranes increased by ~2.5 fold under dry conditions and by ~6.4 fold under wet conditions. It is noteworthy that the membrane kept its separation performance without degradation in the presence of H2O.

A ZIF-8 membrane was prepared via counter diffusion method. To control the diffusion rate, two supports with different pore structure were employed, conventional and modified α-Al2O3 disc; disc A and disc B. The ZIF-8 membranes are derived their name from the supports; ZIF-8-A and ZIF-8-B. While ZIF-8-A was grown at the surface of the disc A, ZIF-8-B was grown inside the disc B. At 200 °C, ZIF-8-A and -B exhibited H2/CO2 separation factor (SF) of 6.69 and 8.21. In long-term thermal stability tests, both ZIF-8-A and -B were withstood their properties at 200 and 250 °C for 72 h. At 300 °C, SF of ZIF-8-A fell after ~2 h, however, that of ZIF-8-B dropped after ~10 h. To sum up these features, ZIF-8-B showed higher H2 selectivity and thermal stability than ZIF-8-A, since ZIF-8 membrane was synthesized inside of the support.

A porous polyolefin (e.g. polypropylene and polyethylene) membrane has been commercialized as a lithium ion battery separator. The highly performing thin film composite (TFC) forward osmosis (FO) membrane was fabricated using the porous polyolefin membrane as a support via typical interfacial polymerization process. A very thin thickness (~8 μm) and highly interconnected pore structure of the polyolefin support can greatly reduce the internal concentration polarization, leading to high water flux, as evidenced by its low structural parameter (~168 μm). The prepared polyolefin-supported TFC membrane showed ~3.7 times higher water flux and ~33% lower specific salt flux compared to HTI-CTA commercial FO membrane with 1.0 M NaCl draw solution and DI water feed solution in FO mode. In addition, its excellent mechanical strength enables stable membrane operation.

Sulfur copolymer (poly(S-r-CEA)) was synthesized via facile inverse vulcanization of elemental sulfur with 2-carboxyethyl acrylate (CEA). Polysulfide (PS) oligomer was soluble to common solvents including DMF, producing homogenous dope solution with PAN as filler. PS-PAN was electrospun resulting to nanofiber membrane effective for Hg2+ sequestration with recorded maximum capacity of 612 mg g-1 based on Langmuir model isotherm. Kinetics, selectivity and reusability were also evaluated. This work presents new and cheap yet effective material for heavy metal sequestration from contaminated water. This work was supported by Basic Science Research Program through the National Research Foundation of Korea (NRF) funded by the Ministry of Science, ICT and Future Planning (2015R1A2A1A15055407) and by the Ministry of Education (No. 2009-0093816).

Hemodialysis membrane was prepared with polyamide6 via electrospinning technology for portable or wearable hemodialysis machine. Polyamide6 polymer solution was formed nanofiber membrane with fiber diameter of 72 ㎚, pore size 140 ㎚. Polyamide6 nanofiber membrane was chemically modified to enhance hemodialysis performance. Modified polyamide6 membrane showed an excellent hemodialysis performance and antifouling resistance against protein supplements by the esterification and crosslinking reaction.