화석 연료를 사용할 때, 불완전 연소는 필연적으로 발생하는 문제이다. 이러한 관점에서 연소 후 기체 분리는 불완전 연소 기체의 재활용 가능성을 시사한다. 이와 관련하여 본 연구에서는 일산화탄소 기체 분리용 촉진수송 고분자 분리막을 제조하였다. 이를 위해 poly(vinyl alcohol) (PVA) 주사슬 기반으로 acrylic acid (AA) 단량체를 자유 라디칼 중합법으로 PVA-g-PAA 공중합체를 제조하였다. 본 공중합체를 일산화탄소 활용에 적용하는 사례는 처음이며, 제조한 공중합체는 AgBF4 염과 HBF4를 혼합하여 기체 분리막에 적용하였다. 공중합체 합성 결과는 FT-IR을 통해 분석하였으며, 공중합체와 AgBF4, HBF4의 상호작용은 TEM를 통해 분석하였다. 염의 첨가를 통해 일산화탄소 기체의 촉진수송 채널을 형성하였으며 이를 통해 일산화탄소 분리막 분야에 촉진수송 및 그래프팅 방법이라는 새로운 접근법을 제시하였다.

1970년대 중반 석유 파동 이후 대체 에너지 개발에 대한 관심이 커지면서 그 중에서 혐기성 공정에서 발생하는 바이오가스 생산과 활용 기술 개발에 대한 연구가 진행되고 있다. 바이오 가스의 주성분은 50-70%CH4/30-40%CO2으로 이루어져 있고 이 때 메탄을 > 95% 순도로 농축하면 도시가스와 자동차 연료로 사용이 가능하다. 바이오가스의 정제기술로 막 분리법은 낮은 에너지 소모량, 이동성 및 쉬운 작동성 등의 장점을 가지고 있다. 본 연구에서는 바이오가스를 95% 이상의 메탄으로 농축하기 위해 폴리설폰 중공사막과 다단 분리막 공정을 이용하였다. 분리막 공정에서 압력, 온도, 막면적 등 다양한 공정 변수에서 95% 이상의 메탄 순도를 얻기 위한 연구를 진행하였다.

1970년대 중반 석유 파동 이후 대체 에너지 개발에 대한 관심이 커지면서 그중에서 혐기성 공정에서 발생하는 바이오가스 생산과 활용 기술 개발에 대한 연구가 진행되고 있다. 바이오 가스의 주성분은 50-70%CH4/30-40%CO2으로 이루어져 있고 이 때 메탄을 >95%순도로 농축하면 도시가스와 자동차 연료로 사용이 가능하다. 바이오가스의 정제기술로 막 분리법은 낮은 에너지 소모량, 이 동성 및 쉬운 작동성 등의 장점을 가지고 있다. 본 연구에서는 바이오가스를 95% 이상의 메탄으로 농축하기 위해 폴리설폰 중공사막과 다단 분리막 공정을 이용하였다. 분리막 공정에서 압력, 온도, 막면적 등 다양한 공정 변수에서 95% 이상의 메탄 순도를 얻기 위한 연구를 진행 하였다.

음식물 및 축산 폐기물 처리장 등 혐기성 공정에서 발생하는 바이오가스의 주성분은 메탄과 이산화탄소이다. 바이오 가스 내 메탄을 95%이상의 고순도로 농축할 경우 도시가스와 이송수단의 연료로 사용이 가능하며 온실가스 감축에도 큰 효과가 있어 신재생 에너지로써 큰 주목을 받고 있다. 바이오가스의 정제기술로는 흡착법, 흡수법, 막분리법 등이 있으며 이 중 막분리법은 낮은 에너지 소모량, 이동성 및 쉬운 작동성 등의 장점을 가지고 있다. 본 연구에서는 50-70% CH4/30-40% CO2의 바이오가스를 95%이상의 메탄으로 농축하기 위해 폴리설폰 중공사막과 다단 공정을 이용하였다. 순수기체 투과도와 혼합기체 투과성능을 알아보았고 특히 폴리설폰 분리막을 이용하여 다단 분리막 공정을 설계하여 분리 농축 실험을 실시하여 온도와 압력 등 다양한 운전 변수에 대한 연구를 진행하였다.

지구 온난화 현상은 화석연료의 사용으로 발생하고 있으며 그에 따른 심각성은 더욱 커지고 있다. 따라서 온난화 현상을 일으키는 온실가스의 감축에 큰 관심이 모이고 있다. 바이오가스의 형태로 배출되는 메탄과 이산화탄소를 분리 정제하여 온실가스를 감축 하여 신재생 에너지로 사용하기 위한 노력이 진행되고 있다. 본 연구에서는 혐기성 소화조에서 발생되는 바이오가스 내 포함된 메탄의 농도를 95%이상으로 분리 농축하기 위한 연구를 진행하였다. 혐기성 소화조에서 발생되는 바이오 가스를 처리하기 위한 다단 분리막 공정을 설계하였고 막 면적 및 막 면적 비율에 따른 성능을 알아보았다.

음식물 및 축산 폐기물 처리장 등 혐기성 공정에서 발생하는 바이오가스의 주성분은 50~70% 메탄과 20~40% 이산화탄소로 구성되어 있다. 바이오 가스 내 메탄을 95% 이상의 고순도로 농축할 경우 도시가스와 이송수단의 연료로 사용이 가능하며 온실가스 감축에도 큰 효과가 있어 신재생 에너지로써 큰 주 목을 받고 있다. 본 연구에서는 혐기성소화조에서 발생하는 바이오가스를 95% 이상의 메탄으로 농축하기 위해 폴리설폰 중공사막과 다단 분리막 공정을 이용하였다. 순수기체 투과도와 혼합기체 투과성능을 알아보았고 폴리설폰 분리막을 이용하여 3, 4 단의 분리막 공정을 설계하여 분리 농축 실험을 실시하였다.

2015년 파리기후변화협약에 의한 신기후체제 출범으로 전세계 195개국이 온실가스 감축을 약속하게 되었다. 한국도 2013년 기준 온실가스 배출이 7억톤을 기록하고 있으며 BAU대비 37% (3.1억 톤)를 감축해야 하는 의무를 약속하고 있다. 국내외에서 철강, 화학, 환경산업 등에서 대량으로 배출되는 온실가스를 회수하여 화학제품을 생산하는 탄소자원화(carbon resources utilization) 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 발표에서는 온실가스를 포함한 다양한 조성의 산업부 생가스의 발생현황과 부생가스로부터 고순도의 이산화탄소, 일산화탄소, 메탄, 수소 등을 경제적으로 분리회수하여 화학원료가스로 사용할 수 있는 분리기술 의 연구동향과 한국화학연구원에서 수행하고 있는 바이오가스 막분리기술을 중심으로 소개하고자 한다.

혐기성 소화 공정에서 발생하는 바이오 가스는 주성분이 메탄으로 이루어지며 이산화탄소 및 암모니아, 황화수소 등으로 구성되어 있다. 바이오 가스를 정제하는 기술은 불순물을 제거하는 전처리 공정과 메탄과 이산화탄소를 분리하는 공정으로 나눌 수 있으며, 메탄과 이산화탄소를 분리하는 공정 중에서도 분리막을 이용한 분리 기술이 주목 받고 있다. 이에 따라 막분리 공정을 이용한 음식물 쓰레기 처리장에서 발생하는 바이오가스 중 메탄을 회수 및 농축에 관한 연구를 실시하였다. 상용화된 중공사막 모듈로 이산화탄소, 메탄의 혼합가스 분리 실험을 실시하였고, 그 결과를 통하여 공정을 설계하였다.

전세계적으로 화석연료의 과다한 사용으로 인한 지구온난화 및 고유가 시대에 직면하고 있다. 이에 따라 세계 각국은 신재생에너지 개발 및 적용을 통해 지구온난화문제와 에너지 자립화를 위한 노력을 기울이고 있다. 바이오 메탄은 실현 가능성이 가장 높은 분야의 하나로, 대부분 음식물 쓰레기 처리장, 매립지, 축산폐수 및 하폐수 처리시설에서 혐기성소화공정을 통해 얻어진다. 발생된 메탄가스를 정제하여 고순도로 이용하는 기술은 설치비가 저렴하고 운전이 편리하여 유럽을 비롯한 전세계에서 상용화되어 왔으며 IEA 자료에 의하면 고순도화 플랜트의 설치사례가 2011년 이후 급격히 증가되었다. 본 발표에서는 전세계 정제플랜트의 시장규모, 국내외 기술현황, 화학연구원에서 개발중인 분리막 정제기술의 연구를 소개하고자 한다.

자동차 연료용 바이오가스의 고순도 메탄 분리정제를 위해 2단 재순환 분리막 공정을 연구하였다. 2단 재순환 분리막공정을 개발하기 위해 폴리설폰(Polysulfone) 중공사 모듈을 채택하여 이산화탄소, 메탄의 순수투과도를 측정하였다. 또한 모델 혼합가스를 대상으로 모듈의 메탄농도와 압력에 대해 투과실험을 수행하여 메탄의 농도와 회수율에 대한 연구를 수행하였다. 그 결과를 토대로 2단 재순환 분리막 파일럿 플랜트를 제작하였으며 현장에서 발생되는 바이오가스를 대상으로 공정변수에 대한 메탄 회수율과 농도에 관한 투과실험을 수행하였다. 제습기와 탈황설비 등의 전처리설비를 거쳐 가스 내의 수분을 500 ppm 이하, 바이오가스내의 황화수소 농도를 20 ppm 이하로 제거하였으며 그 정제된 혼합가스를 대상으로 파일럿 분리막 공정의 막면적비에 따른 운전결과를 알아보기 위하여 1, 2단의 막면적비가 각각 1:1, 1:3, 2:2가 되도록 구성하여 실험을 진행한 결과, 1단의 막면적은 1 m2로 동일하고 2단의 면적비가 1 m2에서 3 m2로 증가하였을 경우 최종 공급유량은 6.6 L/min에서 80.7 L/min로 그리고 메탄 회수율은 메탄순도 95%에서 47.1%에서 92.5%로 증가하였다. 또한, 막 면적비가 1:1로 동일한 경우 전체 면적이 2배로 증가함에 따라서 유량은6.6 L/min에서 100.8 L/min로 회수율은 47.1에서 88.3%를 나타내었다. 1:3 면적비에서 공급유량이 증가하는 경우, 최종 메탄 순도는 감소하고 메탄 회수율은 증가하는 것을 알 수 있었다. 운전압력이 증가할수록 공급유량은 증가하고 회수율은 다소 감소하는 것으로 나타났다. 실험을 통해 유효막면적, 공급압력과 공급유량의 변화가 공정 성능향상에 중요한 영향을 미친다는 것을 확인하였다.

본 연구에서는 선택적 Gas-Liquid Contactor의 성능을 향상시키기 위하여 polyethersulfone(PES), polysulfone(PSf), polyvinylidenefluoride (PVDF) 등의 막에 F2 gas를 이용하여 표면개질하였다. 표면개질된 막의 특성을 알아보기 위해 SEM, 표면접촉각, XPS, 물 투과 최소 압력 실험을 수행하였다. SEM 측정으로부터 막의 표면형태를 살펴본 결과 불소처리 시간이 증가함에 따라 막 표면의 roughness가 증가함을 알 수 있었다. 표면불소화한 막 표면에 -CF2, -CF3의 perfluoro group이 화학적으로 결합되어 막의 소수성이 증가된 것으로 나타났다. 또한 표면접촉각 및 물 투과 최소 압력 실험으로부터 표면불소화 처리시간이 증가함에 따라 측정값이 증가하여 막의 특성이 향상됨을 알 수 있었다.