본 연구에서는 세라믹 중공사 접촉막 모듈을 이용하여 CH4/CO2 혼합가스에서 CO2 분리 실험을 수행하였다. 높은 성능의 접촉막 모듈을 제작하기 위해 고투과성 중공사막의 제조 실험을 진행하였으며, 제조한 중공사막은 N2 기체투과실험을 통해 투과 성능을 평가하였다. 최종적으로 고투과도 중공사막을 이용하여 CH4/CO2 혼합 기체 분리를 위한 Hollow fiber membrane contactor (HFMC)를 제작하였다. 실험에는 CH4/CO2 혼합 기체(34.5% CO2, CH4 balance)와 monoethanolamine (MEA) 를 사용하였으며, CO2 제거 효율이 흡수제의 유량에 따라 어떠한 영향을 받는지 평가하였다. CO2 제거 효율은 액체유량이 증가함에 따라 같이 상승하였으며, CO2 흡수 flux 또한 액체유량과 함께 증가하는 결과를 보였다.

Cobalt tetraphenylporphyrin-benzylimidazole (CoTpp-BIm)을 산소 운반체로 이용하여 polyethersulfone (PES)와의 혼합물을 기반으로 하는 혼합 구조의 평판형 분리막의 기체 분리 성능을 조사하였다. CoTpp-BIm이 혼합된 PES막은 손가락 구조와 스폰지형 구조가 혼합된 비대칭 구조를 가졌고, 상부표면은 치밀한 형태를 보였다. 기체분리 성능 실험은 94%의 N2 기체에 6%의 O2가 혼합된 기체를 사용하여 평가하였다. 산소 및 질소 투과율은 △P가 15~228 cmHg 범위에서 실험하였고, PES막의 투과면은 진공수준으로 유지되었다. CoTpp-BIm이 혼합된 PES막의 산소 투과율은 공급 압력이 감소함에 따라 증가 하였다. 공급 압력이 15 cmHg일 때 산소 투과율(Po2)는 6676 Barrer이었고, O2/N2 선택도(α)는 6.1, 촉진인자(F)는 2.39까지 증가하였다. 이를 바탕으로 PES막에 CoTpp-BIm을 첨가하면 산소분리 특성이 향상되는 것을 확인하였다.

수소는 반도체, 수소화 반응, 연료전지 등 다양한 산업 공정에 사용될 뿐만 아니라 높은 에너지 밀도를 가져 미래의 에너지 원으로 각광 받는다. Water Gas Shift(WGS)와 같은 일반적인 수소제조 공정에서 수소 뿐만 아니라 일산화탄소, 이산화탄소 메탄과 같은 불순물들이 포함되며, 농축 및 정제의 필요성이 있다. Pd 수소분리막을 이용한 수소 분리공정은 수소만을 선택적으로 분리하여 99% 이상의 순도를 쉽게 얻을 수 있다. 본 연구에서는 상전이법을 통하여 중공사형 알루미나 지지체를 제조하고, 무전해 도금법을 이용하여 Pd를 코팅하였다. 무전해 도금법을 이용하여 제조한 분리막을 SEM, EDS, XRD 등의 분석을 통하여 특성을 파악하였으며, 온도 및 압력에 따른 수소 분리실험을 진행 하였다. 본 연구는 “교육부 기본연구(NRF-2017R1D1A1B03036250)”의 지원으로 수행되었습니다.

높은 산소 분리 특성과 CO₂에 대한 안정성을 보인 LSTF가 코팅된 BSCF 분리막을 bench 규모의 장치에 적용하여 산소 투과 실험을 수행 하였다. 그 결과 실험실 장치에서 측정한 산소 투과율과 다른 결과를 보였다. 이와 같은 산소 투과율의 변화를 XRD와 SEM/EDS를 통해 분석 하였다. 또한 실험실 규모 장치와 bench 규모 장치의 분리막 반응기 내 온도 구배에 따라서 분리막을 3영역으로 나누어 각각 비교 분석하였다.

천연가스, 산업공정, 화석연료의 연소과정과 같은 대규모 고정 배출원에서 발생하는 온실가스인 CO2를 포집하기 위한 기술 개발이 전 세계적으로 활발하게 수행되고 있다. 특히, 습식 흡수 법은 비교적 낮은 CO2분압에서도 높은 제거 효율을 달성할 수 있어 많은 개발이 이루어져온 포집 기술이다. 하지만 흡수제의 재생에 필요한 에너지가 과다한 문제가 있으며, 충분한 부지가 확보되어야하기 때문에 공정 상용화에는 큰 걸림돌이 있다. 이러한 문제를 극복하고 공정 효율을 개선 할 수 있는 접촉분리막 공정 기술이 최근 주목받고 있다. 본 연구에서는 접촉분리막과 화학적 습식 아민 흡수제를 이용한 이산화탄소 제거 특성을 분석하였다.

유기용매 나노여과(OSN, organic solvent nanofiltration) 분리막은 폴리이마이드(PI)나 폴리벤질이미디아졸(PBI)과 같은 특수 고분자의 개발, 상업화가 이루어지고 강한 유기용매에 견딜 수 있도록 가교를 통해 분리막의 내구성이 급격하게 향상되면서 저분자량의 합성, 정제 및 농축을 필요로하는 의약, 바이오, 식품산업에 획기적이고 효율적인 분리막 공정으로 주목 받고 있다. 하지만 여전히 고가의 고분자, 가교를 위한 복잡한 프로세스, 다량의 강한 용매 폐수 발생등 상업화를 이루는데 여러 가지 문제점들이 산재하고 있다. 본 연구는 기존 제막 방식에서 벗어나 무독성의 용제를 사용하여 단일공정으로 유기용매 나노여과 분리막을 제막하고 그 특성을 연구하였다.

이온전도성 분리막을 이용한 산소 제조 기술은 효율적으로 산소를 제조할 수 있으며, 산소부화 연소기술, 순산소 연소기술 등에 적용 범위가 넓다. 고온에서 운전하는 특성상 열적, 화학적으로 안정적이어야 하며, 특히 이산화탄소 재순환기술을 적용하기 위해서는 이산화탄소 내성이 필수적이다. 본 연구에서는 높은 투과성능을 가지는 Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ를 상전이 및 소결법으로 중공사막을 제조하였으며 표면을 페롭스카이트-플로라이트 이중상 물질로 개질하여 이산화탄소 내성을 갖도록 하였다. 제조한 분리막을 산소 분리 모듈에 적용하여 부피당 면적에 따른 투과도 및 산소 유량 변화를 관찰하였다.

수소원자는 금속 표면에 흡착하여 해리되고 금속 격자 사이를 이동해 다시 수소분자로 재결합되어 탈착할 수 있으며 이러한 과정으로 수소는 금속을 통해 투과할 수 있다. 특히 수소원자는 팔라듐에서 높은 용해도와 이동도를 보이기 때문에 우수한 수소 투과 특성을 나타낸다. 본 연구에서는 무전해 도금을 이용하여 Pd 금속을 α-Al2O3 중공사 지지체에 증착시켜 SEM&EDS 분석을 통해 Pd 코팅 특성을 확인하였다. 치밀 Pd 층을 확인하기 위한 분리막의 leak 테스트 후 고온 수소투과 실험을 통해 분리막의 수소투과특성을 확인하였다. 본 연구는 “교육부 기본연구(NRF-2017R1D1A1B03036250)”의 지원으로 수행되었습니다.

지구온난화 문제 해결을 위하여 효율적인 CO2 포집 기술 개발이 활발히 이루어지고 있으며, 최근 분리막, 흡수 공정의 하이브리드 기술인 접촉막 공정이 주목받고 있다. 본 연구진은 2014년부터 열적, 화학적 안정성이 뛰어난 세라믹 소재의 중공사막을 적용한 접촉막 공정을 개발해오고 있다. 대규모 공정 실증을 위하여 세라믹 중공사막 기공 구조 제어 기술부터 소수성 코팅, 모듈 디자인 및 배치, 공정 구성 최적화 등을 연구하였다.

유기용매 나노여과(OSN, organic solvent nanofiltration) 분리막은 폴리이마이드(PI)나 폴리벤질이미디아졸(PBI)과 같은 특수 고분자의 개발, 상업화가 이루어지고 강한 유기용매에 견딜 수 있도록 가교를 통해 분리막의 내구성이 급격하게 향상되면서 저분자량의 합성, 정제 및 농축을 필요로하는 의약, 바이오, 식품산업에 획기적이고 효율적인 분리막 공정으로 주목 받고 있다. 하지만 여전히 고가의 고분자, 가교를 위한 복잡한 프로세스, 다량의 강한 용매 폐수 발생등 상업화를 이루는데 여러 가지 문제점들이 산재하고 있다. 본 연구는 기존 제막방식에서 벗어나 무독성의 용제를 사용하여 단일공정으로 유기용매 나노여과 분리막을 제막하고 그 특성을 연구하였다.

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.

아민 흡수제를 이용한 CO2 포집용 충전탑 기술의 문제점으로 제기되고 있는 범람, 거품, 과다한 재생 에너지 등을 해결하기 위하여 최근 접촉막 기술이 주목받고 있다. 연구자들 대부분은 고분자 분리막을 이용하여 접촉막 기술을 개발 하고 있으며, 장기 운전 시 팽윤 현상에 의한 성능저하 문제가 제기되고 있다. 세라믹은 고분자 소재에 비해 화학적, 열적안정성이 뛰어나기 때문에 아민 흡수 제에 대한 팽윤 현상을 방지할 수 있다. 본 연구에서는 세라믹 중공사 접촉막의 기공구조 제어 기술을 개발하고, CO2 포집 특성을 분석하였다.

수소원자는 금속 표면에 흡착하여 해리되고 금속격자 사이를 이동해 다시 수소분자로 재결합되어 탈착할 수 있으며 이러한 과정으로 수소는 금속을 통해 투과할 수 있다. 특히 수소원자는 팔라듐에서 높은 용해도와 이동도를 보여 우수한 수소투과 특성을 나타낸다. 본 연구에서는 무전해 도금을 이용하여 Pd계 금속을 α-Al2O3 중공사막 지지 체에 증착시켜 수소투과 실험을 진행하였다. Pd을 증착하기 전, Seeding 과정을 통해 지지체에 Pd 핵을 심어 금속의 증착이 용이하도록 하였으며, 중공사막 지지체의 표면 특성에 따른 Pd 증착상태를 확인하였다.