본 연구에서는 중공사형 이산화탄소 분리막 모듈을 사용하여 수소개질기 배가스로부터 이산화탄소 포집을 목적 으로 한 분리막 공정 최적화 연구를 진행하였다. 랩스케일의 소형 분리막 모듈을 사용하여 혼합기체를 대상으로 이산화탄소 순도 90% 및 회수율 90%을 달성하는 2단 공정 조건을 도출하였다. 막 면적이 정해진 모듈의 분리막 공정에서는 스테이지-컷, 주입부 및 투과부 압력에 따라서 포집 순도 및 회수율이 모두 다르게 나타나기 때문에 운전 조건에 대한 최적화가 필수적이 다. 본 연구에서는 다양한 운전 조건에서 1단 분리막에서 보이는 공정 포집 효율의 한계를 확인하고, 높은 순도와 회수율을 동시에 달성하기 위한 2단 회수 공정을 최적화하였다.

본 연구에서는 폴리술폰 분리막을 이용한 바이오가스 정제 공정으로 고선택성 소재를 이용한 2단 공정의 높은 회 수율 및 경제성과 동등한 수준의 회수율을 확보하기 위해 저온 고압의 분리막 공정을 설계하고 평가하였다. 폴리술폰 고분자 를 4성분계 도프를 이용하여 비용매 유도 상전이법으로 중공사 분리막을 제조하였다. 기체 분리용 중공사 분리막은 1.6 m2의 유효 막면적을 갖는 샘플을 제조하여 상온 및 저온에서 기체 투과 특성을 평가하였다. 제조된 기체분리막 모듈의 온도에 따 른 기체 투과 특성을 분석하기 위하여 온도별 단일 기체 투과도를 평가한 결과 이산화탄소와 메탄 투과도는 20°C에서 각각 412, 12.7 GPU이며, -20°C에서는 각각 280, 3.6 GPU로써 이상 선택도는 32.4에서 77.8로 향상되었다. 단일 기체 투과 테스 트 후 혼합 기체에 대한 분리 테스트를 진행하였으며, 모듈 1단 구성 및 2단 구성(막 면적비 1:1, 1:2, 1:3)을 통하여 투과 거 동을 살펴보았다. 1단 구성에서는 stage-cut이 상승함에 따라 메탄의 농도가 상승하지만, 반대로 회수율은 떨어지는 결과를 나 타내었다. 2단 구성 테스트에서는 메탄 농도 97% 기준에서 막 면적비 1:1보다 1:3이 메탄의 회수율이 더 높게 측정되었으며, 공급 기체의 온도가 낮을수록 메탄의 회수율이 높아짐을 확인하였고, 최종적으로 폴리술폰 2단 공정에서 메탄 농도 97%, 회 수율 97%의 결과를 달성하였다.

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.

Membrane-based gas separation process is one of the next generations’ gas separation processes for carbon capture and storage (CCS). Membrane process has the advantages of i) low energy consumption without a phase change during the separation, ii) small footprint and easy scale-up of membrane modules, and iii) clean process without any emission of harmful byproducts. The hollow fiber membranes used in this study shows CO2 permeance over 900 GPU (1 GPU = 10-6 cm³/cm²⋅sec⋅cmHg). Using the hollow fiber membranes and modules, we established a moveable CO2 separation system including pretreatment of flue gas and 3-stages of membrane cascade. The system was installed at the several on-site flue gas sources, and the performance of pilot plant operation will be presented in the presentation.

Membrane-based gas separation is one of the next generations’ gas separation technology for carbon capture and storage (CCS). Membrane process has the advantages of i) low energy consumption without a phase change during the separation, ii) small footprint and easy scale-up of membrane modules, and iii) clean process without any emission of harmful byproducts. However, the requirement of CO2 separation membrane for CCS has limited the application of gas separation membranes in the industrial field. Here, we demonstrate the strategies to approach to the current limitation by developing a high flux of polymeric hollow fiber membrane. The membrane performance in this work is 900 GPU (1 GPU = 10-6 cm3/cm2‧sec‧cmHg) of CO2 permeance. The CO2 capture pilot plant using multi-stage membrane processes at KDHC has been on-site tested.

고분자 분리막을 이용한 이산화탄소 포집공정은 최근들어 분리막 소재기술의 발전과 함께 관심이 급격하게 높아지고 있다. 미국의 경우는 MTR사가 DOE의 지원을 받아 1MWe 규모의 발전소 배가스 중의 이산화탄소를 포집하는 실증연구를 진행하고 있다. 또한 유럽에서는 노르웨이의 NTNU가 미국 Airproducts사와 협력하여 시멘트제조공정에서 발생하는 이산화탄소를 포집하는 연구를 수행하는 중이다. 본 연구는 (주)에어레인이 미래부산하 KCRC 센터의 지원을 받아 50 Nm3/hr 규모의 배가스를 처리하는 단위 모듈을 이용하여 150 Nm3/hr 규모연소배가스 포집공정을 설계하는 과정을 언급하고자 한다. 또한 이 플랜트의 시운전 과정에서 얻어진 데이터와 공급기체중의 산소농도의 영향등이 다뤄질 것이다. 최종적인 주요결과는 CO2 회수율 93%, 회수농도 85%이었다.

우리나라의 시설원예 산업은 농업용 필름이 생산되고 보급되면서 우리나라의 시설원예는 급속도로 발 전하였다. 그 후에 골조는 아연도금 파이프, 피복재는 연질필름을 이용하여 보온재배 위주의 시설이 전 국적으로 설치되었다. 바이오가스에 포함된 황화수소 및 메탄은 온실 자재나 작물에 악영향을 유발하는 요소로 작용될 수 있다. 그리하여 본 연구에서는 유기성폐기물인 바이오가스에서 막 분리법을 이용하여 CO2 가스를 정제, 포집하였다. 그리고 정제된 CO2를 온실에 공급하여 바이오가스에 포함된 성분들이 온실의 자재에 미치는 영향을 분석하였다. 실험은 세가지 실험구를 설정하여 시행하였으며, 실험 1은 일반적으로 온실 시용에 판매되고 있는 온실용 액화 CO2를 시비한 경우(온실-1), 실험 2는 바이오가스 에서 분리한 CO2를 시비한 경우(온실-2), 실험 3은 CO2를 공급하지 않은 일반적인 경우인 대조구로 실 험을 행하였다. 실험 결과, 시중에는 판매되고 있는 CO2를 시비한 온실과 대조 실험구와 비교하였을 때, 피복자재의 투과도, 인장강도는 세 실험구에서 모두 유사하게 측정되었다. SEM, EDS 분석 결과, 세 실험구에서 산화철의 결정이 나타났으며, 파이프 자재 표면의 O와 S의 함유량은 두 번째 온실에서 높게 나타났다.

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.

가축 사육형태가 규모화 됨에 따라 가축분뇨 발생량은 지속적으로 증가하고 있으며, 가축분뇨를 에 너지로 이용하고자 하는 자원화에 대한 요구가 점차 증가되고 있다. 국내에서 발생하는 가축분뇨 에너 지화의 경제적 효과는 4,777억원으로 기대되고 있다. 따라서, 축산분뇨를 원료로 하는 바이오가스 플 랜트에서 발생하는 가스의 이용에 관한 연구는 활발히 연구되고 있다. 본 연구에서는 가축분뇨를 원료 로 한 바이오가스 플랜트에서 발생하는 가스의 이용에 대한 다양화를 모색하고자, 바이오가스 내 개별 성분의 분리 및 정제 방법을 구명하였다. 그리고 바이오가스 내 대표적인 성분이 CH4, CO2가스의 분 리를 통하여 독립적인 활용 방안을 제시하고자 한다. 이를 위해 발생하는 가스의 분리를 행하였으며, 분리된 가스의 적정 이용을 위한 정밀분석을 하였다. 그 결과, CH4가스는 약 95%, CO2가스는 약 93.2%로 정제되었으며, 분리된 가스 속에는 황화수소의 경우 1ppm이하로 포함되어 있는 것을 확인하 였다. 정제 CO2가스의 정밀 분석 결과, 도시가스 품질 기준표와 비교하였을 때, 정제 CH4에 포함된 성분들이 품질 기준표에 적합한 농도를 나타내었다. 정제 CO2의 정밀 분석 결과, 농업시설 내의 작업 자와 작물에게 유해한 성분들의 함량이 매우 미세하게 나타났다.

가스생산기지의 탱크보수와 가스배관 기밀시험 및 가스치완에 사용되는 질소는 액화질소를 기화시켜 공급하고 있으며, 불활성 가스인 질소의 용도는 천연가스 설비에서 선박용까지 그 사용처가 다양하다. 질소발생기술은 극저온증류식(Cryogenic distillation), 흡착식(Pressure Swing Adsorption), 분리막식(Membrane)이 있으며 극저온증류식은 장치비가 높아 대형플랜트에 적합하고 흡착식 및 분리막식은 중소규모에 적합하다. 특히, 분리막식은 장치가 간단하고 진동에 대한 성능저하가 없어 이동식 질소발생에 적합한 기술이다. 분리막 방식의 이동식 질소발생플랜트의 설계기술은 분리막모듈, 장비, 배관, 전기, 진동, 에너지 관리 등의 최적화를 통해 이루어진다.

1-부탄올/물의 투과증발 분리특성을 알아보기 위해 (주)에어레인사에서 개발한 PEI 중공사막에 PDMS로 코팅한 복합막 모듈을 이용하여 랩테스트와 파일럿테스트를 실시하였다. 공급액으로는 물과 1-부탄올을 각각 99 : 1로 혼합하여 사용하였다. 실험 결과로 30°C에서 투과도 132.7 g/m2hr, 선택도 23.4로 높은 선택도를, 50°C에서 투과도 505.1 g/m2hr, 선택도 5.1로 높은 투과도를 얻을 수 있었으며 일본의 나가셉사에서 개발한 지지체가 없는 PDMS 막 모듈과 비교했을 때 (주)에어레인사에서 개발한 복합막 모듈이 약 10~20 g/m2hr의 높은 투과도를 나타내었다. 테스트를 진행한 복합막 모듈의 내구성을 알아보기 위하여 약 35일간의 장기테스트를 진행하였고 그 결과 약 510~520 g/m2hr의 투과도와 20~25의 선택도로 초기 측정량과 큰 차이가 없음을 나타내었다.

Flaring gas에서 CO2 제거를 위해 폴리술폰 고분자를 이용한 중공사막을 제조하였다. 제조된 중공사막은 1단과 2단 공정의 전산모사와 실제 공정을 통해서 CH4 농도 99% 이상 CO2 농도 1% 미만의 운전조건과 성능을 확인하였다. 또한 25 Nm3/h 급 bench scale CO2 분리막 연속공정에서 100시간의 운전시간 동안 CO2의 농도를 1% 미만으로 안정적으로 운전 하였고 이때의 CH4 회수율은 약 98%였다.

본 연구는 가축분뇨 혐기성소화에서 발생된 바이오가스 이용 활성화를 위하여 효율적인 가스성상별 분리 및 정제 방법을 모색코자 수행하였다. 바이오가스의 분리 및 정제를 위하여 폴리술폰 고분자 소재를 상분리법을 이용하여 중공사막을 제조하였고, 중공사막이 충진된 맴브레인 모듈을 제작하여 바이오 가스 분리 및 정제를 실시하였다. 이러한 특징을 가진 중공사막을 사용하여 멤브레인 모듈을 제작하였으며, 제작된 멤브레인 모듈을 사용하여 혐기성소화조에서 발생하는 바이오가스를 분리 및 정제하였다. 바이오가스의 분리 및 정제를 위해서 멤브레인 모듈에 공급한 바이오가스는 실록산 0.1 ppm 이하, H2S 3 ppm 이하, Dewpoint –20℃ 이하로 제어하여 공급하였다. 멤브레인 모듈의 운전압력은 4∼7 ㎏f/㎠, 온도의 범위는 15∼45℃이였다. 가축분뇨에서 발생하는 바이오가스를 분리 및 정제한 결과, CH4 94.2%, CO2 92.0%로 분리 및 정제되었으며, 회수율은 CH4 102.1%, CO2 83.5%가 회수되었다. 따라서 본 연구에서 제작한 멤브레인 모듈을 사용한 바이오가스의 분리 및 정제 실험을 통해서 분리 전 바이오 가스의 성분(CH4 68%, CO2 28%, O2 0.6%, H2S 1 ppm 이하, Balance 2.7%)에 대해서 CH4 94.2%, CO2 92.0%의 고농도 분리 및 정제가 가능한 것을 알 수 있었다.

PDMS 단일 막을 이용한 투과증발공정을 통해 이소프로필알코올(Isopropyl alcohol, IPA)―물계에 대한 분리특성 을 알아보았다. RTV-655 주재와 가교제의 비율을 9:1과 10:1로 달리하고 반응온도를 40, 60, 80°C로 변화하여 경화시켰다. 이렇게 제조된 막을 이용하여 특성평가를 위해 물/IPA 혼합액에 대한 투과증발 실험을 수행하였다. 공급액의 조성은 85 wt% IPA 수용액을 사용하였으며, 온도는 25, 35, 45, 55°C로 변화시켰다. 공급액의 변화와 반응온도의 조건변화에 따른 투과도 및 IPA 농축농도를 측정하였는데, 투과도는 9:1 비율, 공급액 온도 55°C일 때 148 ⋅, 선택도는 10:1 비율, 공급액 온도 55°C일 때 17%로 가장 높은 값을 얻을 수 있었다.

다성분계 휘발성 유기화합물(VOCs; Volatile Organic Compounds)의 분리를 위하여 상전이법을 이용하여 방사 한 poly (ether imide) (PEI) 중공사 지지체에 poly (dimethylsiloxane) (PDMS)를 코팅하여 중공사 복합막을 제조하였다. VOCs 회수용 중공사막으로서 적합성을 알아보기 위해서 중공사막의 모폴로지, 질소 및 산소 기체 투과도를 측정하고, 벤젠, 톨루엔 그리고 자일렌에 대한 내구성을 조사하였다. 다성분계 휘발성 유기화합물의 효과적인 분리성능을 조사하기 위하여 Stage-cut과 feed 농도에 따른 다성분계 VOCs 투과 성능 변화를 관찰하였다. PEI 지지체 중공사막에 PDMS를 코팅시킴 에 따라 산소와 질소 투과도는 각각 45,000 GPU와 49,450 GPU에서 63 GPU와 30 GPU로 감소하는 것을 확인하였다. VOCs 투과농도는 Stage-cut이 감소함에 따라 증가하나, 회수율은 감소하였다. 반면에 공급농도 증가에 따라 투과농도는 비례적으로 증가하였지만, 농축비나 회수율은 큰 변화가 없었다.