알코올의 탈수를 위하여 에너지 다소비 공정인 증류 공정을 투과증발 막 공정으로 대체하려는 연구가 많이 진행 되어져 왔다. 대표적인 투과증발 막인 PDMS 분리막에 대한 시간의존적 분리 거동은 분리 메카니즘의 이해에 매우 중요하다. 따라서 본 연구에서는 50 wt% 에탄올-물 혼합용액에 대하여 50°C에서 막면적 1194 cm2인 PDMS/PSF 분리막 모듈의 시간의 존적인 투과증발 분리 거동을 고찰하였다. 총 유속과 에탄올/물 분리계수는 투과증발 시간이 증가함에 따라서 초기에 증가하 다가 다시 감소하였다. 초기 분리성능의 증가는 건조한 PDMS 분리막에 에탄올이 용해되는데 시간이 걸리기 때문이며, 후기 분리성능의 감소는 주입 탱크의 에탄올 농도가 시간에 따라서 감소하기 때문에 나타나는 현상이었다. 따라서 본 연구로부터 PDMS 분리막을 통한 에탄올의 투과는 용해-확산 메카니즘에 의해 발생된다는 것이 재확인되었다.

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 various gas and chemical industries (e.g. air separation, H2, CO2 separation, hydrocarbons, and fluorinated gas separation, etc). Membrane 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. Membrane materials are mostly composed of polymeric, inorganic and metallic materials whereas membrane modules are fabricates as flat-sheet, plate-and-frame, spiral-wound and hollow fibers. In this presentation, the evaluation method of membrane materials and modules for gas separation applications will be discussed.

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.

비용매 유도 상분리(NIPS) 법으로 제조된 폴리이미드 전구체를 이용하여 탄소분자체 중공사 분리막을 제조하였 으며, 온도변화에 따른 열처리 조건이 탄소분자체 중공사막의 기체 분리 특성에 미치는 영향을 고찰하였다. 열처리 온도 250~ 450°C에서 승온 속도, 안정화 시간을 조정하여 최적화 하였을 때, 중공사 분리막의 단일기체 N2, SF6, CF4 투과도는 각각 20, 0.32, 0.48 GPU이었고, N2/SF6 선택도는 62, N2/CF4 선택도는 42로 가장 높은 값을 나타내었다. SF6/CF4/N2 혼합기체 평가 에서는 0.5 MPa에서 stage cut이 0.2일 때, SF6, CF4 회수율이 각각 99, 98% 이상으로 높게 나타났고, 농축농도는 stage cut 0.8에서 주입농도의 4.5배 이상이었다. 이로부터 제조된 탄소분자체 중공사 분리막은 불화가스 회수용 분리막으로써 우수한 소재임을 확인할 수 있었다.

기계적 물성 및 내화학성이 우수한 폴리이미드를 이용하여 중공사 분리막을 제조하고, 가혹조건에서의 기체분리 특성평가를 진행하였다. 먼저 폴리이미드 소재에 대한 특성평가를 통하여 열적 특성을 분석하였고, 상전환법을 이용하여 폴리이미드 중공사막을 제조하였다. 여러 단계의 용매 치환 과정을 거쳐 최종적인 중공사막을 제조하였다. 최종 제조된 중공사막은 코팅을 통하여 복합막으로 제조 하였으며 lab scale의 중공사막 모듈을 제조하여 기체 분리 특성평가를 진행하였다. 일반적인 조건과 여러 가혹 조건에 따른 투과 특성을 비교 분석하였다.

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.

다단기체분리 공정을 수행하기 위해 폴리이미드 중공사막 모듈을 제조하여 혼합기체 N2 : SF6 = 50 : 50에 대한 기체분리특성을 확인하였다. 제조된 중공사막 모듈은 0.5 MPa에서 stage cut을 조절하여 투과 유량, 농도 등의 성능을 측정하 였다. 중공사막 모듈은 1단 분리 테스트에서 N2/SF6 선택도가 높을수록 동일한 stage cut에서 높은 SF6 회수율을 얻을 수 있 었다. 1단 시험결과에 따라 SF6 회수율과 농축농도를 동시에 높이기 위해 2단 기체 분리 테스트 진행함으로써 SF6 회수율 95% 이상, SF6 회수농도 98% 이상을 농축할 수 있었다.

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.

석유화학공업에서 많이 쓰이는 에틸렌 같은 가벼운 올레핀으로 부터 불순물인 파라핀의 분리는 쉽지 않다. 물리화학적인 성질이 올레핀과 비슷하기 때문인데 보통 극저온 증류 방법을 이용하여 분리를 하지만 연간 사용하는 에너지와 차지하는 부지면적이 넓은 단점이 있다. 분리막은 상의 변화없이 물질을 분리 할 수 있고 부지면적이 적어 친환경적이다. 그 중에서도 촉진수송은 전이금속 이온과 올레핀이 π-complexation을 형성하여 올레핀을 투과하는 원리로 본 연구에서는 AgBF4를 이용한 고분자 전해질 분리막을 중공사막 지지체 위에 코팅하여 올레핀과 파라핀을 분리하는 비대칭 중공사막을 만들었다. 제조된 중공사막은 순수가스와 혼합가스를 이용하여 성능을 측정하였다.

고분자 분리막을 이용한 기체 분리는 기체의 막에 대한 투과도 차이를 이용하여 분리하는 친환경적인 공정 방법이다. 기체 분리용 고분자 소재는 폴리술폰, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리이미드 등의 방향족 고분자들이 주로 사용되었다. 유리상 고분자인 폴리이미드는 높은 온도에서 기계적 강도가 매우 좋으며, 내화학성, 높은 기체 선택성을 보이는 뛰어난 소재로 많은 응용분야에서 활발하게 연구되고 있다. 본 연구에서는 폴리이미드계 고분자 중 애경유화(주)에서 합성된 폴리이미드 고분자를 이용하여 상전이법에 의해 중공사막을 제조하였으며 분리막에 대한 기체 투과 특성 및 기계적 물성, 신뢰성 테스트를 통하여 신뢰성을 확보하였다.