본 연구의 목적은 스마트시티 구축의 핵심인 수소연료전지의 활용형태를 분석하고 해결방안을 제시하는 것이다. 수소연료전지를 활용하는 발전소의 경우 간헐성 문제가 없다는 장점 때문에 향후 가장 유망한 사용 형태로 분석됐다. 다만 많은 장점에도 불구하고 폭발 우려와 특정 수소 생산방식의 경우 이산화탄소 발생 문제 등으로 지역주민들의 반발이 지속적 으로 나타나고 있어 이를 해결하는 것이 스마트시티 구축의 주요 관건이 될 것으로 분석된다. 마지막으로 현재의 수소 생산 방식을 분석하고 이에 따른 문제점을 파악하여 스마트시티의 완전한 구축을 위한 해결책을 제시하였다.

본 연구는 현재 올레핀/파라핀 분리에서 사용되는 극저온 분리법을 대체하기 위한 촉진수송 분리막에 대한 연구이 다. 촉진수송 분리 막을 상업화하기 위해서는 비용 절감 또한 매우 중요한 요소이다. 하지만 많은 연구가 이루어지고 있는 AgBF4 는 상대적으로 고가인 은 염이기 때문에 이를 대체하기 위해 비교적 저렴한 AgCF3SO3를 이용하여 PEBAX-2533/AgCF3SO3/ Al(NO3)3 복합막을 제조하였다. 분리막의 특성은 SEM, FT-IR, RAMAN을 통해 분석되었으며, 이번 연구를 통해 고분자 매 트릭스가 장기 안정성에 영향을 준다는 사실을 확인하였다.

올레핀/파라핀 분리를 위해 silver nanoparticle을 운반체로 이용하는 촉진수송막이 최근 많은 관심을 받고 있다. 기존 연구에서는 silver nanoparticle의 전구체로서 AgBF4가 사용되어 왔다. 하지만 상대적으로 고가에 속하는 AgBF4는 상업화에 적합하지 않기 때문에 비교적 저렴한 AgClO4를 전구체로 이용해 제조된 silver nanopaticle를 활용해서 PEBAX-5513/AgNPs (전구체: AgClO4)/7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane (TCNQ) 복합막이 제조되었다. 그러나 여러 조성의 복합막이 제조되었으 나 올레핀 분리성능은 관찰되지 않았다. FT-IR 분석 결과는 PEBAX-5513 고분자 내에서 silver nanoparticle이 형성되고 TCNQ에 의해 표면이 양극성화 되는 것을 확인하였지만 형성된 silver nanoparticle이 안정화 되지 못한 것으로 분석되었다. 이러한 결과들을 통해 은염 전구체의 음이온이 올레핀/파라핀 분리막에서 중요한 역할을 하는 것으로 판단되었다.

이전 연구에서 올레핀/파라핀 분리를 위해 poly(ethylene oxide)(PEO)/Ag nanoparicles (AgNPs)(전구체AgBF4)/pbenzoquinone (p-BQ) 복합막이 제조되었으며, 이 복합체 분리막의 성능은 100시간까지 선택도 10과 투과도 15 GPU로 유지 되는 것이 확인되었다. 하지만 전구체인 AgBF4의 가격이 고가이기 때문에, 본 연구에서는 가격 측면에서 경쟁력이 있는 AgNO3를 Ag nanoparticles의 전구체로 사용하여 실험을 진행하였다. 그 결과 이미 존재하고 있는 NO3 -가 AgNPs를 감싸고 있기 때문에 분리 성능이 나오지 않는 것으로 관찰되었다. 이번 연구에서는 AgNO3를 Ag nanoparticles의 전구체로 사용하여도 높은 성능을 내기 위해 전자수용체 7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane (TCNQ)를 사용하여 PEO, polyvinyl alcohol (PVA), polyether block amide-1657 (PEBAX-1657) 고분자 복합막을 제조한 결과, 고분자와 전자수용체의 영향과는 무관하게 분리 성능을 내지 못하는 것으로 분석되었으며, 이는 분리성능에 전구체의 음이온이 결정적 역할을 하는 것으로 분석되었다.

올레핀/파라핀 분리를 위해 poly(ethylene oxide)(PEO)/Ag nanoparticles (AgNPs)(전구체: AgBF4)/p-benzoquinone (p-BQ) 복합막이 제조되었으며, 이 복합체 분리막의 성능은 100시간까지 선택도 10과 투과도 15 GPU로 유지되는 것이 관찰 되었다. 분리막의 성능이 100시간까지 유지할 수 있었던 이유는 p-BQ의 첨가로 인해 Ag ion이 안정적으로 Ag nanoparticles 로 형성될 수 있었을 뿐더러 전자수용체인 p-BQ으로 인해 표면이 부분 양극성화 되어 올레핀 운반체로서 역할을 성공적으로 수행한 결과라 생각되었다. 본 연구에서는 Ag nanoparticles의 전구체로 사용된 AgBF4의 가격이 고가이기 때문에 가격 측면에서 유리한 AgNO3 Ag nanoparticles의 전구체로 사용하여 실험을 진행하였다. 그 결과로서 AgNO3의 경우에는 앞선 AgBF4 과는 다르게 안정적으로 은 나노입자가 형성되지 못하고 이로 인하여 좋은 성능을 내지 못하는 것으로 분석되었다.

The straight nanopores in cellulose acetate (CA) polymers for battery gel separators were generated by utilizing both hydrated metal salts and water pressure. When polymer film was exposed to water pressure, the continuous nanopores were generated after complexing with hydrated metal salts. These results could be explained by that polymer chains were weakened because of the plasticization effect of the hydrated regions incorporated into the CA. Pore size could also be easily controlled by adjusting the water pressure. The generated pores in CA polymers were confirmed by scanning electron microscopy (SEM) images. The coordinate interactions between CA polymer and metal salts, and ionic states of metal salts were investigated by FT-IR and Raman spectroscopy, respectively.

산성가스 제거 공정에서 막-흡수 하이브리드 시스템 적용을 위한 설계를 수행하였다. 상용 공정 모사 기인 Promax version 4.0을 이용하여 아민 흡수 공정과 하이브리드 공정의 산성가스 제거 성능을 비교하였다. 전사 모사 결과를 통해 하이브리드 공정은 아민 용매 순환량, 에너지 소모량, 장치 사이즈가 아민 흡수 공정에 비하여 작아지는 것을 확인 할 수 있었다. 따라서, 컴팩트한 장치 사이즈와 에너지 절감 공정인 하이브리드 공정은 LNG-FPSO 천연가스 전처리 공정에 적용하기에 적합한 방안임을 확인하였다.

올레핀/파라핀 분리를 위해 Poly(ethylene oxide)(PEO)/AgBF4/Al(NO3)3/Ag2O 복합막이 제조되었으며, Ag2O가 도 입되었을 때, 복합체 분리막의 초기성능은 선택도 13.7과 투과도 21.7 GPU로 관찰되었다. PEO/AgBF4/Al(NO3)3 분리막의 성 능(선택도 13와 투과도 7.5 GPU)에 비해서 초기성능이 증가한 이유는 Ag2O의 첨가로 인한 Ag ion의 활성도 증가로 생각되 었다. 하지만 시간에 따른 성능저하 현상이 관찰되었는데 이는 고분자 matrix인 PEO 때문인 것으로 생각되었다. PEO 고분자 는 Ag2O 입자를 안정화 시킬 수 없기 때문에 용매가 증발하면서 Ag2O 입자끼리 뭉치게 되고, Ag2O가 barrier 역할을 하게 돼서 시간이 지나면 투과도가 감소하는 것으로 분석되었다.

이산화탄소 분리를 위해 이온성 액체/금속 산화물 복합막이 제조되었으며, 이온성 액체로서 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate (BMIM+BF4 -)와 금속산화물로서 Al2O3가 사용되었다. 13 nm의 Al2O3가 이온성 액체 BMIM+BF4 - 에 도입되었을 때, 복합체 분리막의 성능은 CO2/N2 선택도 30.5과 CO2 투과도 45.7 GPU로 관찰되었다. neat BMIM+BF4 - 분 리막의 성능(CO2/N2 선택도 5와 CO2 투과도 17 GPU)에 비해서 성능이 증가한 이유는 Al2O3의 옥사이드 층과 이온성 액체 내 자유로운 이온농도의 상승으로 인해 CO2 용해도가 상승한 것으로 확인되었다. 특히 Al2O3 나노입자는 질소 기체에 대해 서 장애물로서 작용함으로써 질소기체의 투과도가 감소하여 결과적으로 이산화탄소 분리 성능은 급격히 증가하였다.

The straight nanopores in cellulose acetate (CA) polymers for battery gel separators were generated by utilizing both Ni(NO3)2·6H2O and water pressure. When polymer film was exposed to water pressure, the continuous nanopores were generated after complexing with Ni(NO3)2·6H2O. These results could be explained by that polymer chains were weakened because of the plasticization effect of the Ni(NO3)2·6H2O incorporated into the CA. The well controlled CA membrane after water pressure treatment enabled fabrication of highly reliable cell by utilizing 2032-type coin cell structure. The resulting cell performance exhibited both the effect of the physical morphology of CA separator and the chemical interaction of electrolyte with CA polymer which facilitates the Li-ion in the cell.

Facilitated transport membranes in the solid state have been attractive because they can improve both the permeability and the selectivity simultaneously to overcome the trade-off behavior. The carrier activity for facilitated transport plays a key role in determining separation performance. We have reported the solid-state facilitated transport membranes containing surface-activated Ag nanoparticles (NPs) as an olefin carrier for separation of olefin/paraffin mixtures, particularly propylene/propane mixture. Interestingly, the surface positive charge density of Ag atom in Ag NPs was linearly correlated with the propylene solubility and also with the propylene/propane selectivity. In addition, the separation performance has been maintained unchanged up to 500 hours.

본 총설에서는 고분자와 은염으로 구성된 고분자 전해질 분리막과 장시간 안정성을 해결하기 위한 방안들이 정리 되었다. 특히 이온성 액체를 활용하여 AgNO3를 새로운 운반체로 사용하기 위한 방안, 새로운 고분자 매트릭스로서 poly(ethylene phthalate) (PEP)를 활용하는 방안과 가장 최근 알루미늄 염을 활용하여 운반체의 안정성을 부여하는 연구결과들이 정 리되었다. 올레핀 촉진수송을 위한 고분자 나노복합체 분리막의 경우, 운반체인 은 나노입자 표면을 극성화시킬 수 있는 전자 수용체의 종류와 특징들이 소개되었으며, 최근 투과도 성능을 향상시킬 수 있는 연구결과들이 정리되었다.

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.

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.

올레핀/파라핀 혼합 기체의 분리를 위한 올레핀 촉진 수송 분리막의 제조를 위해 amide 작용기를 가지며 glassy한 특성을 보이는 polyvinylpyrrolidone (PVP) 고분자를 분리막의 matrix로서 사용하였다. 분리막의 기체 투과 실험은 propylene 과 propane 50 : 50의 부피비로 혼합된 기체를 사용하였고, bubble meter와 gas chromatography를 사용해 투과도와 선택도를 측정하였다. 또한 SEM image와 FT-IR을 통해 막의 특성을 조사하였다. 100시간의 장시간 성능 측정 결과 선택도는 약 15, 투과도는 약 1.3 GPU 이상을 각각 유지하였다. 기존의 poly(2-ethyl-2-oxazoline) (POZ)/AgBF4/Al(NO3)3 분리막과 비교함으 로써, 고분자 matrix로서의 PVP 특성을 확인하였다.

본 연구에서는 Poly(vinyl alcohol) (PVA)/AgCF3SO3/Al(NO3)3 전해질 분리막을 제조하여 기존의 poly(vinylpyrrolidone) (PVP)/AgCF3SO3/Al(NO3)3 분리막보다 더 향상된 성능을 보이는 고투과성 올레핀 촉진수송 분리막을 얻고자 하 였다. PVA/AgCF3SO3/Al(NO3)3 막의 특성은 SEM, FT-IR, FT-Raman에 의해서 조사되었다. 다양한 Al(NO3)3 농도 중 1 : 1:0.01 PVA/AgCF3SO3/Al(NO3)3에서 가장 좋은 분리성능을 보였다. 결과적으로 선택도는 12, 혼합 기체 투과도는 3.5 Barrer 를 나타내었으며, 선택도와 투과도는 115시간 동안 유지되었다.

Reduction in the amount of Ag salts in the membranes is required for practical applications in the industry. However, since the separation performance is directly related to the amount of Ag salts, it has been difficult to reduce the amount of Ag salts. In this study, we succeeded in preparing polymer/Ag salts/Al(NO3)3 membranes with 30% reduction in the amount of Ag salts by utilizing KIT-6, which is a porous material. When KIT-6 was incorporated into the polymer/Ag salts/Al(NO3)3 membrane, the separation performance for propylene/propane mixed gas increased with a propylene over propane selectivity of 20 and mixed gas permeance of 10 GPU. The enhanced separation performance is attributed to both the coordination of hydroxyl groups in KIT-6 with Ag ions and the porous properties of KIT-6.

Polymer electrolyte membranes consisting of a PVP/AgCF3SO3/Al(NO3)3 complex were prepared for the separation of a propylene/propane mixture. In this study, the effect of Al(NO3)3 on inhibiting the reduction of silver ions generated from AgCF3SO3 was investigated, where AgCF3SO3 was used as a cost-effective alternative to AgBF4 in the facilitated olefin transport membranes. When Al(NO3)3 was incorporated into a PVP/AgCF3SO3 complex membrane, the selectivity of propylene/propane and mixed gas permeance showed 5 and 0.5GPU, respectively. Moreover, the PVP/AgCF3SO3/Al(NO3)3 complex membranes showed long-term stability although AgCF3SO3 is easily reduced to silver nanoparticles. It was thus proved that Al(NO3)3 played the role of a retardant for the reduction of silver ions generated from AgCF3SO3 as well as from AgBF4.

A simple method for generating pores in a cellulose acetate (CA) polymer matrix was developed using a combination of an ionic liquid and water pressure treatment. A porous CA membrane was successfully prepared using the ionic liquid (BMIM-BF4) and subsequent water pressure treatment. Pores were generated in the CA polymer matrix when the CA/ionic liquid composite was subjected to water pressure. The characteristics of the thus-generated porous membrane were evaluated using porosimetry. FT-IR and Thermogravimetric analysis (TGA) showed that when the CA polymer was subjected to water pressure, most of the BMIM-BF4 incorporated in the polymer during its preparation was removed, thereby generating the observed pores. In addition, it was observed that the flux varied with water pressure, indicating that the pore size was controllable.

We reported a novel polymer/metal nanoparticles/electron acceptor composite for facilitated olefin transport and ionic liquid/Cu nanocomposite membrane for facilitated CO2 transport. The electronic structure of the metal nanoparticles such as AgNP and Cu NP surface was tuned by the electron acceptor p-benzoquinone(p-BQ) and ionic liquid to induce positive charges on the surface. The chemically activated metal surface is expected to form complexes with olefin or CO2 molecules, resulting in gas carrier for facilitated transport. Such facilitated transport membranes were applied for separation of olefin/paraffin or CO2/N2 mixtures. In particular, the interaction between gases and the carriers in a permeable polymer matrix or ionic liquid was expected to show excellent separation performance with long-term stability. In this study, the preparation method and characteristics of facilitated transport membranes will be introduced in detail.