증류에 의한 올레핀/파라핀 분리는 끓는점이 유사하여 에너지 소모가 높기 때문에, 분리막을 이용한 연구가 많이 진행 중이다. 특히 CMS 분리막은 sieving separation에 의한 투과/분리 성능이 우수하다. 따라서 본 연구에서는 중공사형 α-alumina 지지체에 γ-alumina 중간층을 형성한 후 Matrimid로 코팅하여 열분해함으로써 높은 기계적 강도와 충진 밀도를 갖는 중공사형 CMS 복합막을 제조하였다. 제조된 CMS 분리막은 20 - 35 GPU 프로필렌 투과도와 10 이상의 프로필렌/프로판 분리도를 보였다. 이 연구는 2014년 정부(미래창조과학부)의 재원으로 국가과학 기술연구회 융합연구단 사업(No. CRC-14-01-KRICT)의 지원을 받아 수행된 연구입니다.

세라믹 중공사형 분리막은 열적, 화학적 안정성, 내구성이 우수하며 packing density를 증가 시킬 수 있어 수처리용 분리막으로 적합하다. 중공사형 세라믹분리막은 보통 상전이법에 의해 제조하지만, 생산 속도 및 세라믹 함량 제한이라는 기술적 한계를 갖는다. 뿐만 아니라 세라믹 소재가 갖는 특성인 취성으로 인해 scale-up의 한계가 있는 것으로 보고되었으며 이를 해결하기 위해 고강도 세라믹 중공사형 분리막의 제조가 요구되는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 새로운 제막 방식인 상전이-압출 공정을 통해 생산속도를 높여 세라믹 분리막의 대량 생산에 적합할 것으로 사료되며, 제조 용액 내세라믹 분말의 함량 증가 및 소결 조건을 통해 고강도 세라믹 중공사형 분리막을 제조 할 수 있었다.

최근 먹는물 수질 기준 강화에 따라 정수처리시설에 고분자 나노여과(Nanofilatration, NF)막이 도입되고 있으나, 화학 세정으로 인한 막의 주기적인 교체가 불가피하다. 반면, 세라믹 막은 강한 물리/화학적 내구성을 지니고 있으나, NF막 제조 기술의 한계로 상용화되지 못하고 있다. 연구에서는 알루미나-지르코니아 나노물질을 여과코팅 방법으로 세라믹 막의 평균 공극 크기를 감소시켰고, SEM-EDX, 분획분자량, 자연유기물, 염(CaCl2) 제거를 통해 막의 특성 변화를 분석하였다. 제조된 막은 분획분자량이 400 Da.이고, Suwannee river 자연유기물과 염의 제거율이 각각 92%와 58%였다. 이취미 물질인 지오스민 제거평가 결과, 실험조건에서 65%의 지오스민이 제거됨을 확인하였다.

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.

반도체 및 디스플레이 공정에서 배출되는 N2/NF3 혼합 가스 분리를 위한 폴리썰폰 중공사막 제조 연구를 수행하였다. 먼저 non-solvent induced phase separation (NIPS)와 vapor induced phase separation (VIPS) 혼합 공정을 이용하여 기체 투과성이 높은 고분자 중공사막을 제조하였다. 제조된 중공사막 표면에 PDMS(polydimethylsiloxiane)와 Teflon AF1600® 고 분자 소재를 이용하여 얇은 박막을 추가적으로 코팅하는 방법으로 기체 분리막을 완성하였다. 제조된 분리막은 코팅된 고분 자 소재의 기체 분리 특성에 따라 상이한 N2/NF3 분리 성능을 보여주었다. 특히 Teflon AF1600® 이 코팅된 중공사막의 경우 N2/NF3 분리 성능(> 14)을 보여주었고, N2 투과도는 4.5 GPU를 나타내었다. 상용 폴리썰폰 막과 비교해 볼 때, 투과도는 약간 감소하였지만 기체 선택도는 크게 증가하였다. 이런 특징은 N2/NF3를 분리하는 분리막 구조로써 큰 가능성을 지니는 것으로 판단된다. Abstract:

NF3 가스는 반도체산업 공정에서 클리닝과 에천트로서 사용되는 고가의 불소기반가스로써 높은 지구 온난화지수를 가지고 있다. 현재 국내에서 NF3 가스는 N2와 혼합된 형태로 추가 정제 과정 없이 대기 중으로 배출된다. 따라서 환경보호 및 높은 부가가치를 위해서 분리·정제를 통한 NF3 가스 재사용이 필요하다. 본 연구에서는 글리세롤과 아세톤을 첨가하여 NF3 분리용 Polysulfone 중공사막의 기공형태 변화를 관찰하였다. 그리고 PDMS, PTMSP, AF 등의 고분자를 지지체 표면에 농도별로 코팅하여 N2/NF3 투과성능을 비교하였다. PDMS, PTMSP, AF를 코팅한 중공사막에서 투과도는 각각 1.94, 6.79, 6.86 GPU를 나타냈고 선택도는 5.10, 2.53, 6.12로 측정되었다.

HFCs, PFCs 및 SF6 등으로 대표되는 불화가스는 반감기가 길고 지구온난화지수(GWP)가 높아서 그 발생량에 비해 지구온난화에 미치는 영향이 상대적으로 높다. 특히 반도체/LCD 제조공정에서 발생하는 폐 PFCs는 저농도로 분리농축공정의 경우 공정 특성 상 정압제어가 가능한 기술이어야 한다. 본 연구에서는 이를 고려한 분리·농축 시스템으로 분리막시스템과 혼성시스템(분리막+흡착)을 설계, 제작하여 비교연구를 수행하였다. 그 결과, 불화가스 농축도는 분리막시스템이 혼성시스템에 비해 높았으나, 회수율은 낮았으며 혼성시스템의 경우 대체적으로 농축도는 낮은 반면, 회수율은 높은 결과를 보였다.

최근 수처리 기술수준의 한계를 극복하기 위한 새로운 대안으로 나노 기술과 수처리 기술의 융합이 부각되고 있으며, 특히 분리막 분야에서는 나노 기술 접목이 담수화 이외에도 하수재이용, 폐수처리, 에너지 생산 등 다양한 분야에 적용이 가능할 것으로 예측되고 있다. 기존 분리막 소재에 활용 가능한 나노소재로는 탄소계 나노소재와 금속계 나노소재가 후보군으로 연구가 진행 중에 있다. 나노소재의 경우 소재 자체가 가지는 물리화학적 특성으로 분리막의 기계적 특성, 표면전하, 친수성도 등의 변화를 기대할 수 있다. 따라서 높은 기능성을 갖는 나노소재 기반 분리막 기술의 개발은 기존 수처리 기술의 문제 해결 및 나노 기술과 환경 기술의 융·복합 연구에 대한 새로운 패러다임을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.