지구온난화 문제 해결을 위하여 효율적인 CO2 포집 기술 개발이 활발히 이루어지고 있으며, 최근 분리막, 흡수 공정의 하이브리드 기술인 접촉막 공정이 주목받고 있다. 본 연구진은 2014년부터 열적, 화학적 안정성이 뛰어난 세라믹 소재의 중공사막을 적용한 접촉막 공정을 개발해오고 있다. 대규모 공정 실증을 위하여 세라믹 중공사막 기공 구조 제어 기술부터 소수성 코팅, 모듈 디자인 및 배치, 공정 구성 최적화 등을 연구하였다.

수분을 포함한 압축공기는 공압 시스템에서 부식과 관석 등의 여러가지 문 제를 유발하기 때문에 기상 내의 수분을 효율적으로 제거하기 위한 다양한 기술이 개발되어오고 있다. 특히, 분리막을 이용한 제습 방법은 에너지 소비가 작 고, 장치를 소형화할 수 있다는 장점으로 주목받고 있다. 본 연구에서는 제습용 중공사막을 상전이 방적법으로 제조하고, 친수성 또는 소수성으로 표면 개질하였다. 선택도와 투과도 향상을 위하여 기공 구조를 제어하였으며, SEM, 기체 투 과도, 접촉각 측정 등으로 중공사막의 특성을 분석하였다. 또한, 분리막을 모듈 화하여 제습 실험을 수행하였으며, 여러 운전 조건에서의 특성을 확인하였다.

아민 흡수제를 이용한 CO2 포집용 충전탑 기술의 문제점으로 제기되고 있는 범람, 거품, 과다한 재생 에너지 등을 해결하기 위하여 최근 접촉막 기술이 주목받고 있다. 연구자들 대부분은 고분자 분리막을 이용하여 접촉막 기술을 개발 하고 있으며, 장기 운전 시 팽윤 현상에 의한 성능저하 문제가 제기되고 있다. 세라믹은 고분자 소재에 비해 화학적, 열적안정성이 뛰어나기 때문에 아민 흡수 제에 대한 팽윤 현상을 방지할 수 있다. 본 연구에서는 세라믹 중공사 접촉막의 기공구조 제어 기술을 개발하고, CO2 포집 특성을 분석하였다.

CO2 포집을 위한 아민흡수기술의 문제점으로 제기되고 있는 과다한 재생에너지의 감소를 위해 최근 접촉막 기술이 주목받고 있다. 하지만 대부분의 기존 연구들은 고분자 분리막을 이용하여 수행되었고, 장기 운전 안정성 문제가 제기되었다. 세라믹 분리막은 고분자 분리막에 비해 화학적·열적안정성이 뛰어나 접촉막 탈거 공정에서의 장기 안정성을 확보할 수 있다. 본 연구에서는 세라믹 중공사 접촉막 탈거 장치를 고안 및 제작하였고, 아민흡수제를 이용하여 탈거특성을 분석하였다.

CCS(CO2 capture and storage)는 발전소 등 고정배출원에서 CO2를 포집하고, 수송 및 저장하는 기술이다. 특히, 아민 흡수법은 CO2 포집 기술 중 가장 널리 알려진 공정이다. 하지만 큰 규모의 장치와 높은 재생에너지를 필요로 하는 문제점이 제기되고 있다. 따라서 기존 흡수 공정보다 고효율의 접촉막 연구가 주목받고 있다. 본 연구에서는 화학적, 열적 안정성이 뛰어난 세라믹 소재의 중공사막을 제조하였으며 SEM, 기체투과 특성 등을 분석하였다. 또한 이를 모듈화하여 아민흡수제를 이용한 CO2 흡수 실험을 수행하였다.

아민 흡수제를 이용한 흡수 공정은 CO2 포집 기술 중 가장 널리 알려진 공정이지만, 커다란 규모의 장치와 높은 재생에너지를 필요로 하는 문제점이 제기되고 있다. 따라서 기존 흡수 공정보다 높은 효율을 달성할 수 있는 접촉 분리막 공정 연구가 주목받고 있다. 특히, 본 연구에서는 화학적, 열적 안정성이 뛰어난 세라믹 소재의 중공사막을 적용하여 장기 안정성을 확보하였으며, 이를 모듈화 하여 실험실 규모의 CO2 흡수 성능을 평가하였다.

접촉막은 기존 흡수 공정과 분리막의 장점을 결합한 하이브리드 공정으로써, 고효율-저에너지 공정으로 주목받고 있다. 접촉막에 사용되는 분리막은 물질전달 저항을 최소화하기 위하여 높은 소수성과 기공도가 확보되어야하며, 화학 흡수제에 대한 내성이 필요하다. 따라서, 본 연구에서는 화학적, 열적 안정성이 뛰어난 세라믹 소재의 중공사막 제조하고, 소수성으로 개질하여 모듈화하였다. 또한, 세라믹 중공사막 모듈을 이용하여 CO2 흡수 성능을 평가하고 분석하였다.

알루미나 분말이 분산된 고분자용액을 비용매 유도 상전이법으로 방사 및 소결하여 알루미나 중공사막을 제조하 였다. 용매-비용매의 상호작용 속도에 따른 중공사막 기공 구조 형성을 확인하고, 특성을 분석하기 위해 dimethylsulfoxide (DMSO), dimethylacetamide (DMAc), triethylphosphite (TEP) 용매를 사용하여 방사액을 제조하였으며, 고분자 바인더로는 polyethersulfone (PESf), 첨가제로는 polyvinylpyrrolidone (PVP)를 사용하였다. 알루미나 중공사막의 기공 구조 변화를 확인 하기 위해 SEM으로 중공사막 단면을 분석하였다. DMSO, DMAc 용매를 사용할 경우 지상 구조(finger-like structure)와 망상 구조(sponge-like structure)가 복합된 기공 구조가 나타났으며, TEP 용매를 사용할 경우 전체적으로 망상 구조를 가졌다. 기공 구조에 따른 중공사막의 특성을 확인하기 위해 기체투과도, 기공도 및 기계적 강도를 측정하였다. 망상 구조를 갖는 중공사막 은 높은 기체 투과특성을 보였으며 지상 구조가 증가할수록 기체투과도가 감소하였다. 반대로 기계적 강도는 지상 구조가 발 달할수록 증가하였다.

CO2 포집을 위한 아민 흡수 공정은 현재 가장 상용화에 근접한 기술로 알려져 있다. 하지만 흡수탑 장치의 규모가 크고, 흡수제 재생을 위한 에너지가 과다하게 필요로 한다는 문제점이 제기되고 있다. 이러한 문제를 해결하고, 기존 공정에 비해 고효율-저에너지 기술인 접촉 분리막 공정의 연구가 주목받고 있 다. 본 연구에서는 화학적, 열적 안정성이 높은 세라믹 소재를 이용하여 중공사 막을 제조하고, 이를 모듈화하여 기-액 접촉 분리막 공정에 적용한 실험을 수행 하였다.

막 접초기용 최적의 중공사막을 탐색하기 위하여 기공구조 및 기공도를 제어하여 중공사막을 상전이법으로 제조하였다. 상전이법으로 제조한 중공사막의 기공구조는 도프용액의 용매와 내외부응고제의 상호작용에 의해 결정되며, 용매와 응고제를 달리하여 제조한 중공사막의 특성을 비교하였다. SEM 이미지를 통해 기공구조를 확인하였으며, 기체투과도 측정실험을 통해 기공도 및 기공크기를 계산하였다. 막 젖음 현상을 방지하기 위해 금속산화물의 친수성표면을 소수성으로 개질하였으며, 최소침투압력을 측정하여 기공도 및 기공구조에 따른 소수성 특성을 비교하였다. 또한 실제 이산화탄소 흡수 실험을 통해 기공도와 기공크기가 흡수특성에 미치는 영향을 분석하고 최적화된 중공사막을 탐색하였다.

분리막/흡수제 하이브리드 기술인 접촉막 공정은 CO2 분리 효율을 높일 수 있는 방안으로 주목 받고 있다. 기존의 고분자 분리막은 젖음 현상으로 인한 CO2 흡수 특성 감소의 문제가 제기되고 있다. 따라서 본 연구에서는 화학적, 열적 안정성이 뛰어난 세라믹 소재를 이용하여 중공사막을 제조하여 사용하였다. 또한, CO2 흡수 효율을 높이기 위하여 표면을 소수성으로 개질하고, 특성 변화를 확인하였다. 소수성 중공사막을 적용한 단일 분리막 흡수장치에서 운전 조건에 따른 CO2 흡수 특성을 확인하여 보았다.

습식흡수제를 이용한 이산화탄소 포집 공정은 재생 시 많은 에너지가 필요한 단점이 있어 에너지를 낮추기 위한 다양한 대체 기술이 개발되고 있다. 이런 연구의 일환으로 최근에 분리막과 흡수제를 혼합하는 접촉막 기술이 개발되고 있으며, 흡수제의 단점을 극복하는 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 세라믹소재를 이용하여 중공사막을 제조하였고 젖음성을 제어하기 위해 소수성 코팅을 한 중공사막을 개발하였다. 중공사막의 XRD, SEM, FT-IR 및 Porosimeter를 이용하여 분석하였고, 기공에 따른 CO2 분리 특성을 규명하였다.