급냉법에 의한 역 열유도상전이(RTIPS) 공정을 사용하여 mesoporous polystyrene (PS), polyethersulfone (PES) 막 을 제조하였다. 급냉법에 의한 RTIPS 공정은 급냉 및 승온 시 도포 용액 내 용매 분자들의 결정 생성 및 성장을 통해 나노 규 모의 상전이를 야기시켜 mesoporous 기공들을 형성된다. 시차주사열량계(TA: DSC) 사용해 측정된 사용 용매 dimethylformamide (DMF)와 여러 고분자 함량의 고분자용액들에 대한 엔탈피 변화와 주사현미경(SEM)을 사용하여 측정한 고분자함량에 따른 제조된 막 구조, 그리고 비표면적 분석기(BET) 사용하여 측정한 고분자 함량에 따라 제조된 막의 기공크기분포 및 표준편 차 분석을 통해 RTIPS 공정 시 상전이 거동을 살펴보았다.

본 연구에서는 소수다공성 중공사막을 이용한 분리막 접촉기를 이용하여 바이오가스 내 이산화탄소를 제거하여 연료로 사용할 수 있는 고순도 바이오메탄을 생산하고자 하였다. 분리막 접촉기는 다공성 분리막의 세공을 통하여 기/액접촉이 효율적으로 이루어지므로 흡수법에 비해 작은 장치규모로도 바이오가스 정제가 가능하며, 기체와 액체의 직접접촉을 통해 흡수제에 대한 용해도가 큰 기체성분을 제거하기 때문에 빠른 물질전달 속도를 갖는 장점이 있다. 본 연구에서는 폴리프로필렌 중공사막을 이용하여 분리막 접촉기 모듈을 제작하여 시험하였다. 바이오가스 정제를 시험하기 위해 모델가스를 이용하였으며, 기체 유량, 액체 유량, 접촉기 모듈 형태, 운전압력을 변화시키며 시험하였고, 이를 통해 최적의 분리조건을 탐색하였다.

이산화탄소의 효과적인 분리 및 포집을 위해서 등방성 다공성 구조의 폴리프로필렌(pp) 격자의 내부에 제올라이트 입자들이 표면 덮임 없이 균일하게 분포되어 있는 흡착투과중공사막(APM: adsorptive permeation hollow fiber membrane)을 개발하였다. 본 연구에서는 이산화탄소/질소 혼합물을 모사 기체혼합물로 사용하였는데, 공급되는 기체혼합물 모두가 APM을 투과하면서 이산화탄소는 APM 내 분포되어 있는 흡착제에 흡착되고 질소는 투과하여 배출된다. APM이 장착된 모듈을 제조하여 이에 대한 흡착투과실험을 수행하여 흡착투과 성능을 분석하였고 또한 포화 흡착된 APM을 진공압에서 탈착재생하여 그 결과를 재생효율과 에너지소모 관점에서 고찰하였다.

본 연구에서는 고온에서 유기용매를 정제할 수 있는 고온, 고압에서 안정한 상업화 규모의 고효율 중공사 투과증발 막, 막모듈 개발, 상업 규모의 막분리 장치시스템 개발을 수행하였는데 구성 요소기술은 1) 고온 고압 하에서 사용할 수 있는 브레이드 강화 중공사 막제조, 2) 중공사 막모듈 제조, 3) 막 탈수, 정제장치 시스템 설계 및 제작기술등을 개발하였다. 개발 중 공사 투과증발막은 독일의 슐츠막 보다 막 안정성과 막 성능이 우수하였으며, 막면적 4.6 m 2의 고효율 상업적 규모의 중공사 막모듈을 개발하였고, 200 L/hr 이상의 처리용량의 Pilot 규모의 투과증발 막장치 시스템을 개발하였다. 기존 평막 혹은 중공사 막에서 모듈에서 볼 수 있었던 모듈내부에 공급액의 dead volume형성, 공급액의 채널링 현상들을 제거하기 위해서 본 개발 중 공사막과 막모듈의 특징은 고온, 고압의 유기용매를 중공사막 내부로 공급되어 흐르도록 설계되어 있어 막분리 효율이 우수하 며 특히 기존의 막제품의 대비 막모듈 가격이 저렴하고, 막성능 및 치수안정성이 우수하다. 또한 공급액의 열손실 적어 에너지 효율이 우수할 뿐 아니라 막모듈 내에 중공사막 사이의 간격이 일정하여 가해주는 진공이 균일하게 각 중공사막의 투과부 표 면에 전달될 수 있기 때문에 투과된 투과물을 막 표면으로부터 효과적으로 제거할 수 있으므로 투과속도 또한 우수하다.

본 연구는 공정모사를 통해서 막모듈 배열 및 연결과 막모듈 내에서 공급 잔류액의 온도 변화가 투과증발 공정에 끼치는 영향을 관찰하였으며 이를 위해서 기본 막모듈이 직렬 혹은 병렬로 연결되어 있는 모듈들의 조합을 통한 투과탈수공정을 예측할 수 있는 모델식들을 확립하였다. 에탄올/물 혼합물을 모델 혼합물로 사용하였고 모델식들에 포함되어 있는 투과 파라메타들을 직접 실험에 의해 구하여 사용함으로써 모사의 현실성을 높였다. 모사를 통해서 모듈의 배열방식, 모듈 단의 갯수와 단사이의 공급액의 재가열등의 중요성을 검토하였다.

본 연구에서는 불과 함께 에스테르화 반응물 및 생성물 일부가 친수성 막을 투과하는 비완전 분리를 고려한 투과증발-촉진 에스테르화 반응모델을 확립하였으며, 이 모사모델에 막 분리 효율 및 물 제거능력을 설명하는 항들을 포함시킴으로써 막 투과분리가 에스테르화 반응에 어떻게 영향을 끼치는가를 공정모사를 통해서 체계적으로 살펴보았다. 모사결과 막을 통한 비완전 분리 즉, 분리막을 통한 반응물의 투과는 역반응을 유발시켜 전체 반응을 지연시키며 그 결과 반응 전 환율은 투과증발 공정을 사용하지 않은 반응보다는 높으나 물에 대한 완전한 투과선택도를 갖는 투과증발 공정을 사용하는 반응시스템보다는 낮음을 알 수가 있었다. 반응 시스템 내에서 장착된 막을 통한 투과로 인한 반응부피의 변화가 반응 속도에 끼치는 영향을 살펴보았는데 반응 초기에는 반응물 농축효과가 지배적이어서 반응을 촉진시키며, 반응이 진행되어 생성물이 형성됨에 따라 생성물 농축효과가 점점 중요해지고 이 효과가 반응의 속도를 감소시킴을 알 수가 있었다. 에스테르화 반응공정 중에 투과증발공정을 적용하는 시점에 따라 반응속도, 반응 전화율이 달라짐을 공정모사를 통해 관찰하였다. 반응 모델 식으로부터 분리막의 성능과 반응 인자들 간의 상관관계는 확립하고 이 상관관계를 주어진 막 분리능력 하에서 반응 인자 조건 설정, 혹은 주어진 반응조건 하에서 막 분리능력을 설계하는 도구로 사용할 수 있다.

본 연구에서 상업용 폴리설폰 한외여과 중공사막을 지지체로 사용하여 저압 정수용 역삼투압막 제조시 막표면에서 feed의 큰 전단응력에 견딜 수 있도록 도포층과 지지층의 결합력을 증가시키는 전처리 방법을 확립하였다. 확립한 전처리 공정에서 지지막과 친화력이 좋으면서 도포층을 이루는 반응물과 반응성이 있는 글루탈알데히드와 촉매역할을 하는 염산 혼합 수용액으로 지지막을 전처리하면 이들 글루탈알데히드는 지지막 표면 및 기공 벽에 균일하게 분포되어 이후 표면중합법에 의해 형성된 도포층을 이루는 일부 반응물과 화학적으로 결합 되어 지지체와 도포층간에 강한 결합력을 제공한다. 전처리공정 없이 제조한 중공사 역삼투압막은 투과 후 5시간 이내에 feed의 큰 전단응력에 의해 도포층의 분리 파괴가 일어났으나 본 연구에서 확립한 방법으로 전처리하여 제조한 중공사막은 장시간 사용에도 우수한 막성능이 지속되었다.

실리콘(PDM)막을 통한 휘발성유기화합물(VOCs)과 질소 혼합물의 증기투과시 공급부 경계층에서 발생하는 VOCs의 농도분극 현상을 정량적인 평가를 위하여 저항직렬연결의 개념을 바탕으로 한 수학적인 모델식을 확립하였다. feed속도를 변화시키면서 여러 VOCs 혼합물에 대한 증기투과를 시행하였는데 본 연구에 사용한 VOCs는 염소화 탄화수소계 중에서 응축도가 다른 methylene chloride, chloroform, 1,2-dichloroethane, 1,1,2-trichloroethane 등을 선정하여 사용하였다. 확립한 모델식에 각 혼합물의 투과 실험치들의 frtting 및 regression을 통하여 각 모델 파라메타들을 구하고 물질전달계수 및 농도분극탄성률 등을 결정하였다. 결정한 모델 파라메타를 분석한 결과 VOCs의 응축도가 클수록 경계층 저항이 현저함을 관찰할 수 있었으며 또한 모델링을 통해서 고 투과성 고 선택성막을 통한 증기투과에서 경계층저항의 중요성을 확인할 수 있었다.

증기투과를 이용한 휘발성유기물(volatile organic compounds, VOCs)/N2 혼합물의 분리에서 농도분극현상이 투과거동에 미치는 영향을 연구하였다. 막 재료는 VOCs와 친화력이 큰 poly(dimethylsiloxane)(PDMS) 막을 사용하였으며, VOCs는 염소화탄화수소류 중에 탄소수와 치환된 염소수를 고려하여 CH2Cl2, CHCl3, C2H4Cl2, C2H3Cl3 를 사용하였다. Feed의 유속, 투과온도, VOCs의 농도 등의 변화에 따른 투과거동의 변화를 관찰하였다. 유속이 감소함에 따라 막의 투과분리성능의 감소가 관찰되었으며, 응축성이 큰 VOCs일수록, VOCs의 농도가 높을수록 또는 투과 온도가 낮을수록 감소 폭이 큰 경향을 보였다. 이와 같은 투과거동의 변화는 농도분극현상에 의한 것으로, 유속이 감소함에 따라 경계층 내의 물질전달계수가 감소하여 농도분극현상이 증가하기 때문에 나타나는 투과거동의 변화로 해석하였다. 결과적으로 VOCs/기체 혼합물의 증기투과를 통한 분리 시 농도분극현상이 크지 않을 것이라는 일반적인 생각과는 달리 고무상 막을 통한 증기투과에서는 농도분극현상에 의한 막 성능의 감소가 크게 나타났다.

이온성 고분자에 비이온성 고분자를 섞어 이온 함량을 조절함으로써 다양한 전하량을 갖는 이온성 막을 제조하였다. 비이온성 고분자로는 폴리비닐알콜, 음이온성 고분자로는 알긴산 나트륨, 양이온성 고분자로는 키토산을 사용하였으며, 이들 이온성 고분자막을 사용하여 여러 전해질 수용액에 대한 투과 및 분리특성을 관찰하였다. 막 내부에 이온성 고분자 함량이 많을수록 친수성 특성을 보였으며, 순수투과 및 용액투과 속도가 증가함을 관찰할 수 있었고, 또한 투과속도는 막의 팽윤 거동에 의해 결정됨을 확인할 수 있었다. 용질 배제율의 경우는 막과 투과용질간의 정전기적 인력, 즉 Donnan exclusion에 의해 결정이 되며, 정전기적 인력이 비슷한 경우는 분자체 효과에 의해 분리됨이 관찰되었다.

투과증발 공정을 이용한 알코올/물 혼합물의 분리 시 투과성분/투과성분, 투과성분/막간의 상호인력이 전체적인 투과거동에 어떠한 영향을 미치는지 연구하였다. 사용한 막은 poly(vinyl alcohol)을 glutaraldehyde 로 가교한 막을 사용하였다. 일련의 알코올은 분자량 크기 순서대로 methanol, ethanol, 1-propanol, 1-butanol을 사용하였으며, 조성은 70~97 wt% , 온도는 30, 40, 5℃로 변화시키면서 실험하였다. 투과속도는 알코올 함량이 높은 영역에서는 methanol 수용액이 가장 높았으며 ethanol, 1-propanol, 1-butanol 수용액 순으로 감소하였다. 그러나 물의 함량이 어느 정도 높아지면 이런 현상은 완전히 역전되어 1-butanol 수용액의 투과속도가 가장 높으며 1-propanol, ethanol, methanol 수용액 순으로 투과속도 크기를 보였다. 이러한 현상을 공급액의 조성에 따른 막과 투과성분간의 상호인력, 투과성분과 투과성분간의 상호인력 등의 영향의 관점에서 분석하였다.

비다공성막을 통한 기체 투광성분의 투과 transient와 투과 조성을 on-line 방식으로 측정할 수 있는 기체 투과장치를 개발하였다. 측정은 연속흐름방식으로 이루어지며 측정한 투과 transien로부터 여러 가지의 투과특성, 즉, 투과계수, 확산계수, 용해계수 등을 동시에 평가할 수 있다. 잘 알려진 유리상 고분자인 두 가지 폴리이드막과 고무상의 고분자인 실리콘막을 선택하여 여러 가지의 기체투과 특성들을 측정하여 문헌치와 비교함으로써 투과장치 및 측정방법에 대한 신뢰성, 정확성을 확인하였다. 또한 측정한 투과 transient를 분석함으로써 막을 통한 기체 투과거동을 좀더 자세하게 다양하게 분석할 수가 있다.

일반적으로 투과증발 막분리 공정에서 막상부 압력은 상압 부근에서 설정되며 막하부 압력은 투과성분의 포화증기압 보다 낮게 유지하므로써 막을 통한 물질 투과가 일어난다. 이중에 하부압력은 막공정의 추진력과 밀접한 관련이 있다. 즉, 막하부의 조건에 따라 막공정의 추진력이 결정되며 또한 막내부의 상구배가 달라진다. 그러므로 막하부의 공정조건은 막의 투과 분리특성을 결정하는 매우 중요한 제어대상이 된다. 많은 연구자들이 막하부 압력에 따른 투과속도 및 선택도 변화에 대한 연구를 진행해왔는데 이들 대부분은 막하부 압력을 투과공정의 추진력과 관련을 지어 투과 분리거동을 설명하였으며 1980년 후반 이후부터 유체역학 관점에서 막하부 압력이 투과특성에 끼치는 영향을 검토하기 시작하였다. 본 장에서는 막하부 압력이 막투과 분리 특성에 끼치는 영향에 대한 이해를 돕고자 발표된 연구 내용을 토대로 하여 투과증발 막분리 공정에서 막하부 압력의 중요성을 간략하게 정리해 보았다.

비다공성막을 통한 투과성분의 투과속도와 투과 조성을 on-line방식으로 측정할수 있는 장치를 개발하였다. 가교폴리비닐알콜막을 통한 물의 투과증발실험을 행하여 이 장치의 효용성을 확인하였다. 투과증발실험에서 투과가 정상상태에 도달하는데 15분미만의 시간이 걸렸으며 측정을 20분이내에 마칠 수가 있었다. 또한 측정된 투과속도 정확성과 신뢰도를 확인하기 위해서 종래의 방법대로 액체질소에 의해 투과물을 일정시간 응축시켜 투과속도를 동시에 측정하여 이를 장치의 record에 표시된 투과속도와 비교한 결과 그 오차가 pm2% 이내로 일치하였다. 측정된 시간에 따른 투과속도 곡선으로 부터 3가지 종류의 확산계수 Dslope, D1/2, Dt를 구하였고 이들이 문헌치와 비교한 결과 비교적 일치함을 보였다. 또한 on-line 방식으로 모든 측정이 이루어지므로 종래 방법, 즉 투과물 응축, 가열, 무게측정과정 등에서 발생할 수 있는 실험오차를 줄일수 있기 때문에 정확한 투과특성을 얻을 수가 있다. 본 연구에서 개발한 투과 장치를 사용하여 액체상태의 feed 투과를 효과적으로 분석할 수 있음을 확인하였다.

PVA의 수산화기와 PAA의 카르복실산기 사이의 반응에 의해 가교구조를 갖는 PAA-PVA 막을 제조하였으며 팽윤실험을 통해 순수물, 순수초산 그리고 이들의 혼합물하에서의 가교막들의 팽윤거동을 각각 살펴보았다. 90wt% 초산 수용액하에서의 팽윤실험에서 막에 PAA함량이 높을때 물의 팽윤거동이 초산보다 더 촉진됨이 관찰되었는데 이는 팽윤과정에서의 각 구성 성분간의 짝짓기(coupling) 결과로 사료되며 또한 막의 팽윤비와 가교밀도는 경쟁적으로 투과물의 투과거동에 서로 상반되게 영향을 끼침이 관찰이 되었다. 온도에 따른 투과속도의 Arrhenius 관계에서 구한 투과활성화에너지를 통해 투과성분의 투과거동을 분석하였다.

평판형 모듈 설계의 최적화를 목적으로 feed 흐름 조건에 따른 feed 온도 및 유속분포를 예측할 수 있는 모델식을 확립하였고 모델 모사를 통해 흐름 조건들이 온도 분포에 끼치는 영향들을 조사하였다. 모델내의 유체의 Re 크기가 커지면 채널 두께방향으로의 유속 구배가 커질 뿐 아니라 투과물 증발을 위한 에너지원인 feed 흐름 속도가 커져 물질 및 열흐름이 증가하여 투과물 증발로 인한 feed 온도 강하가 증어든다. 반면에 채널 간격이 작아지면 feed 흐름량이 상대적으로 작아져 급격한 온도 강하를 야기시킨다. Re 크기에 따른 feed 온도 변화는 실험결과와 일치함이 관찰되었다.