Ultrafiltration membranes are capable of acting as barriers to bacteria, viruses, spores, pollens, colloidal suspensions, high molecular weight solutes, pathogens and pesticides. Pore structure characterization of these include through pore throat diameter, bubble point pore diameter, mean flow pore diameter, pore distribution and liquid permeability. Liquid Liquid Porometery is a novel technique for measuring pores in the Ultrafiltration range without any damage or rupture to the membrane. Liquid Liquid Porometer uses two immiscible & saturated wetting liquids. Pores are filled with first liquid and second liquid is pressurized to displace the first liquid and flow through the pores. The amount of liquid flowing out is measured. Second liquid flow rate and differential pressure are measured. Pore distributions are computed like those in Capillary Flow Porometer.

본 연구에서는 MF/UF/RO/MD와 같은 다양한 종류의 막여과 공정에 대하여 에너지 사용량을 분석하기 위한 기법을 개발하기 위하여 수행되었다. 에너지 흐름 분석을 위하여 공정모사 모델을 개발하였으며 이를 이용하여 각 단계별 유효에너지와 에너지 손실을 계산하였다.

전 세계적으로 대두되고 있는 물 부족 현상을 해결하기 위하여 하수재이용과 해수담수화 공정의 관심이 높아지고 있다. 특히, 정삼투-역삼투 융합공정은 해 수를 유도용액으로, 하수처리수를 유입수로 하여 정삼투 공정에서 유도용질의 회수 없이 희석된 해수를 역삼투 공정을 통해 하수재이용과 해수담수화를 동시 에 달성할 수 있는 공정으로 최근 각광받고 있다. 이 융합공정은 정삼투 공정과 역삼투 공정의 단점을 상호 보완하는 저에너지 공정으로 차세대 해수담수화 시장을 이끌어 나갈 것으로 판단된다. 따라서, 본 연구에서는 정삼투, 역삼투 막의 특성과 융합공정의 운영인자를 반영한 공정모사를 통하여 정삼투-역삼투 융합 공정의 소비에너지를 최소화 시킬 수 있는 최적 운영조건을 도출하고자 하였다.

본 연구는 정밀여과막의 막오염 수준을 예측할 수 있는 막오염 평가지표 개발에 관한 것이다. 막오염 지표는 세공크기가 0.1 μm인 Polyvinylidene fluoride (PVDF) 재질의 침지형 중공사 미니모듈을 이용한 실험장치로 측정되었다. 유입 수는 막오염 메커니즘을 대표할 수 있는 막오염 물질인 Kaolin, Silica, Humic Acid, Alginate를 최적의 비율로 조합한 표준 조제수를 이용하였으며, 단시간에 막오염의 변별력을 높이기 위해 한강원수 기준으로 가혹조건의 농도를 적용하였다. 이 막오염 평가지표의 타당성 검증은 미니모듈과 현장 실규모 모듈의 평 가결과를 비교함으로써 수행하였다. 본 막오염 지표는 막오염의 속도를 예측하 기 위한 객관적인 지표로 활용이 가능하다고 판단되며, 미니모듈 측정결과는 정수장내 막면적 50 m2의 실규모 모듈의 결과와 부합되는 것으로 나타났다.

나노섬유는 기존 합성 섬유와 비교하여 섬유의 직경을 획기적으로 줄여줌으로써 표면적을 비약적으로 향상시킬 수 있어 각종 필터 및 분리막, 전자 기기의 벤 트용 소재, 투습방수용 의류 등 산업 전 분야에 적용이 시도되고 있는 소재이다. 전기방사 기술은 섬유의 직경과 세공 등 물성과 성능을 쉽게 설계, 적용할 수 있어 고품질, 고성능의 멤브레인을 제공하고 있으나, 경제성을 갖춘 양산규모의 전기방사 기술이 어려워 긴 역사에 비해 기술적 성취도는 매우 낮은 상태이며, 부직포 타입으로 인해 응용분야의 한계가 있었다. 최근, 나노섬유를 장섬유 섬 유사로 개발하여 다양한 분야에 적용을 시도하려는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 본 고에서는 다양한 나노섬유 양산화 기술 동향과 응용분야, 나노섬유 기반 장섬유 섬유사를 제조하는 최신 기술동향에 대해서 소개하고자 한다.

제올라이트 분리막은 알루미나 등 다공성 지지체 표면에 3차원적으로 서로 연결된 주기적인 미세기공을 갖는 제올라이트 층을 치밀하게 코팅한 복합 소재 이다. 현재 LTA, FAU, CHA, MOR, DDR 제올라이트 분리막이 투과증발 분야에서 상업화되었고 이는 PVA 판형 막에 비하여 현저한 물 투과도와 물/알코올 선택도를 갖기 때문이다. 국내의 경우도 충남대와 (주)파인텍 연구팀이 성공적으로 LTA, CHA 제올라이트 분리막을 연구하고 그 막모듈과 시스템을 상용화하였다. 본 발표에서는 국내외 제올라이트 분리막 개발 및 응용 동향을 소개하고, 특히 제올라이트 분리막이 투과증발 및 증기투과 분야에서 적용할 수 있는 유망 분야에 대하여 논의하도록 한다.

The general separation processes for liquid mixtures need the energy consumed and causes of primary cost. The pervaporation separation process could be regarded as the energy saving process[1]. In this study, it is introduced that the preferential isopropyl alcohol separation from the aqueous feed was carried out using the composite membranes according to the operating conditions, such as, the operating temperature, feed concentration etc. And the commercial scale module was prepared and tested for the long-term period, and finally the stabilized and consistent results of both permeability and selectivity were obtained.

투과증발 공정은 공비점 부근의 함수 유기화합물로부터 선택적으로 물은 분리하는 기술로 에너지 절약형 분리 기술이다. 본 연구에서는 이와 같은 투과증 발 플랜트의 개발을 위하여 α-Alumina 지지체에 합성한 NaA제올라이트 분리막 을 사용하였으며, 1 ton/day급과 250 L/batch급의 플랜트를 개발하였다. 개발한 투과증발 플랜트는 함수에탄올을 대상으로 탈수 평가를 수행하였으며, 250 L/batch급의 플랜트는 억새의 발효를 통해 생산한 함수 바이오에탄올을 이용하여 탈수 성능을 평가하였다.

바이오부탄올은 우수한 연료 물성과 기존 연료 인프라를 그대로 사용할 수 있는 장점을 가진 차세대 바이오연료이다. 하지만, 전통적인 바이오부탄올 생산 기술은 낮은 발효 수율과 생산성 그리고 낮은 농도와 이에 따른 높은 분리에너지 비용 등의 기술적 한계를 가지고 있어, 상업화를 위해서는 이러한 한계를 극 복할 새로운 기술 개발이 요구되고 있다. 최근 새로운 발효, 분리 공정 기술의 개발, 적용을 통해 기존 기술의 한계를 극복하고자 하는 연구가 많이 진행되고 있으며, 투과증발기술은 유망한 대안 중 하나로 평가받고 있다. 본 발표에서는 바이오부탄올 생산기술 개발에 있어 투과증발 기술의 적용, 연구 사례를 공유하고자 한다.

클라우드 기술과 고성능 컴퓨터의 보급으로 최근 들어 CFD를 기반으로 에너 지 및 환경 분야 제품을 효율적으로 개발하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 분리막 분야에서도 모듈 및 전체 공정에 대한 공학적 접근법으로 CFD를 적용 하는 사례가 증가하고 있다. 본 연구에서는 평막형 분리막, 중공사형 가압식 모듈, 하수 공정을 대상으로 CFD를 적용한 사례 위주로 논하고자 한다.

기체분리막의 기체의 투과거동은 대부분 실험적으로 계획되고 실험이나 이론 만으로 검증을 하는 수준에 머무르고 있다가, 최근에 들어서 분자동력학적인 모 사방법(Molecular Dyanmic Simulation)을 이용하여 고분자의 거동, 기체분자의 거동을 컴퓨터를 이용하여 분자수준에서 모사하고 이해하고자 하는 노기체의 확산계수와 비교를 통하여 확산거동에 대한 이해를 높이고자 시도하 였으며, 기체확산계수가 관능기 력들을 기울이고 있으며, 실험적인 결과들과 모사결과를 비교하여 고분자의 설계나 기체분자의 거동의 이해를 하는데 기여를 하고 있다. 본 연구에서는 기체분리막 으로서 사용이 되는 폴리이미드나 폴리벤즈옥사졸같은 탄화수소계 고분자분리 막의 기체 분자의 투과거동을 모사하고자 하였다. PEG를 포함하는 폴리이미드 공중합체에서 폴리에틸렌 부분과 같은 관능기그룹의 밀도로 확산계수를 계산하여 그룹이 많은 부분에서 증가하는 것을 확인하였고, 이는 기체투과 테스트의 실험데이터와 거의 일치하였다.

다단 분리막 공정은 압력변환, 열교환, 수분제거등을 위한 공정 설비들과 연계 운영된다. 또한 sweeping 가스를 도입하기도 하고, 분리막 연결 형태를 변경 하기도 하며, 압력비등을 조절하기도 한다. 따라서, 분리막 공정설계는 막 면적 및 운전 압력을 결정을 포함하여 다단 분리막의 configuration 선정, 분리막 소 재의 선택, 공정의 시스템적 구성, 부가 설비와의 통합 설계 등 여러 설계 요소 들을 통합적으로 분석하며 최적 공정을 구성하게 된다. 본 발표에서는 컴퓨터를 활용한 모델링, 전산 모사 및 최적화를 통해 최적의 분리막 공정 및 운전 조건 을 도출하는 기법들을 설명하며, 이러한 전산적 설계 기법들을 분리막 공정 스케일업과 신공정 개발에 활용하는 방안에 대하여 소개하고자 한다.

분자 전산모사는 다양한 화학물질들을 원자 및 분자 수준에서 모델화하여 전산모사를 수행하는 방법으로서, 실험적으로 분석하기 어려운 화학 구조상의 특 징들이 그 물질의 특성에 미치는 영향을 파악하는데 도움을 줄 수 있다. 특히, 고분자 분리막의 경우 화학구조가 복잡하고, 이런 복잡한 요소들이 전체 특성에 영향을 미치기 때문에 원자나 분자들의 개별적인 영향을 파악하기 매우 어렵기 때문에, 분자 전산모사 기술이 유용하게 활용되어질 수 있다. 본 발표에서는 다양한 분자 전산모사 기술의 장단점 및 가능성/한계 등을 소개하여 분리막 연구 자 들이 분자 전산모사 기술을 활용하는 데에 있어서 도움을 주고자 한다.

사이드 스트림 방식의 막 모듈을 대상으로 유입 유량을 수직으로 균등하게 분포시킬 수 있는 방안을 CFD로 설계한 결과, 내부 유입 수리구조에 유공 격벽 을 설치함으로써 모듈내로의 유입유량은 표준편차 기준으로 약 40% 정도 감소 됨을 확인하였다. 또한 CFD 결과를 검증하고 사이드 스트림 막 모듈의 편중된 오염의 원인을 조사하기 위해 수행된 입자영상유속 측정 결과로부터 유입구 반대편 유공에서 막 모듈 내부로 들어오는 수체의 유속이 상대적으로 커 수체의 모멘텀이 유입구 측벽에 강한 전단력을 발생하지만 유입구 반대 측벽에서는 사류가 형성됨을 확인하였다.

범세계적인 온실가스저감 노력이 활발하게 움직이고 있다. 이러한 현상은 수송분야에서 친환경자동차 보급이라는 전략으로 이루어지고 있다. 친환경자동차 중 수소연료전지차는 수소라는 신에너지를 활용하는 자동차로 친환경차 중 유일하게 전기를 생산히야 모터를 구동하는 자동차이다. 수소연료전지차는 수소와 공기를 사용하기 때문에 청정하다는 이로운 점도 있지만 아직은 해결해야할 다양한 문제점을 가지고 있다. 수소연료전지차에서 전기를 생산하는 스택 내 부품 중 전해질 막은 수소이온을 전달하고 생성된 물을 활용하는데 매우 중요한 역할을 하고 있으나 불순물, 온도변화, 부하운전, 가습조건 등 다양한 자동차 환경에서 열화가 발생한다. 전해질 막 연구에 있어 자동차 운전환경에서 나타나는 열화 현상과 발생 가능성 및 해결방안에 대한 고찰을 하였다.

본 발표에서는 고분자막의 열화(Degradation)원인과 열화 조건, 열화방지 방법, 고분자막 내구성 평가 방법 등에 대해서 논의하고자 한다. PEMFC 고분자 막의 열화원인은 전기화학적인 열화를 포함한 화학적인 열화와 물리적인 열화, 열에 의한 열화로 분류할 수 있다. 고분자 막이 전기화학적열화가 잘되는 조건은 OCV와 같은 높은 전압, 저 가습, 고온, 높은 수소/산소 압력 조건이다. 고분 자막의 내구성을 평가하기 위해서 열화 가속화 기법을 사용하는데, 전기화학적 내구성은 OCV holding 기법을, 물리적 내구성은 Wet/Dry 기법을 일반적으로 사용한다. 이들 내구성 평가 방법에 관한 미국의 DOE 프로토콜과 일본의 NEDO 프로토콜을 비교 검토한다.

Development of high temperature polymer electrolyte membranes (HT-PEM) in the fuel cell vehicles is investigated in this study. At first, the issues in HT-PEM mainly are dealt with the limitation of fluorinated and sulfonated membranes. Perovskite oxide-type structures functionalized with ligands via coordination chemistry are also emphasized in this study. Potential features of these membranes, including high proton conductivity, hydration of the membranes, and relatively low cost are discussed. The drawbacks of membranes modified with various organic and inorganic materials are also emphasized. The possibility of achieving significant increases in the proton transfer, and hydration of perovskite oxide–organic polymer membranes for use above 100℃ is deeply discussed. Modification of HT-PEM may confer remarkable properties for vehicles with environment friendly.

A key element of environmentally friendly electric vehicles (EVs) based on polymer electrolyte fuel cells (PEFCs) and lithium ion batteries (LIBs) is an ion-selective membrane, which can transport specific ions such as proton and lithium ions, and provide mechanical and chemical resistances. The state-of-the art membranes for PEFCs and LIBs are perfluorinated sulfonic acid ionomer reinforced membranes and ceramic-coated polyolefin separators, respectively. In spite of the improvement of membranes characteristics, additional membrane modifications are still needed to improve electrochemical cell performances and to extend their lifetime. In this presentation, several plausible approaches to improve membrane characteristics are introduced.

고분자전해질 연료전지용 막-전극접합체 내 전극에는 삼상계면을 구성하기 위하여 이온 전도가 가능한 이오노머가 함유되어야한다. 따라서 촉매슬러리 제조를 위해 이오노머가 용매 시스템에 분산되어 있는 분산 용액 형태이어야 한다. 하지만 상용 이오노머 분산 용액의 종류가 제한되어 있으며 개발 물질로 제 조된 전해질막과의 호환성을 위해 동일 물질 기반의 분산 용액으로의 전환이 요구된다. 본 연구에서는 동결 건조 방식을 활용한 고분자 분쇄방법을 도입하여 이오노머를 분쇄하고 이를 활용한 이오노머 분쇄 용액을 제조하여 다양한 물성 및 성능을 조사하였다.

Cu nanoparticles generated by redox reduction with Fe2+ ions and porous KIT-6 were utilized for high selectivity and permeance. When positively polarized Cu nanoparticles were generated and porous KIT-6 materials were incorporated into ionic liquid 1-butyl-3-methyl imidazolium tetrafluoroborate (BMIM BF4), these membranes showed the selectivity for CO2/N2 and CO2/CH4 was largely enhanced to 16.4 and 23.4, respectively while neat BMIMBF4 was 5.0 and 4.8, respectively. Furthermore, the CO2 permeance was also enhanced to 50.7 GPU. It was thought that these enhancements of separation performance was attributed to both the facilitated transport by polarized CuNPs and the increase of diffusivity by porous materials. Therefore, highly selective and permeable membrane for CO2 separation was successfully prepared.