[ 250℃의 고온에서 수증기 선택 투과 특성을 가지는 silica 막을 메탄을 탈수에 의한 dimethyl ether (DME) 합성 반응에 분리막 반응기로 적용하였다. Silica 전구체로서 tetraethoxysilane (TEOS)을 이용하여 초음파 분무 열분해 및 기상화학 증착법(CVD)법 등에 의해 다공성 스테인레스 스틸(SUS)에 silica 막을 합성하였다. CVD법에 의해 합성한 silica막의 수증기 투과도 및 메탄올에 대한 분리계수 상관관계 trade-off 선이 열분해 silica 막보다 높이 존재하였다. 수증기 투과도가 1.2×10-7;mol;·;m-2;·;S-1;·;Pa-1 이상이고, 메탄올에 대한 분리계수가 10 이상의 성능을 가지는 분리막 반응기에 대해서 기존 반응기 대비 20% 이상 메탄을 전환율이 향상되었다. 고온 수증기 선택성 silica 막이 메탄을 탈수 반응에 의해 생성되는 수증기를 제거함으로서 촉매 활성 저하를 억제하여 반응 전환율을 개선시키는 막 반응기로서의 효과를 확인할 수 있었다.

분리막 접촉기는 액체-액체, 기체-액체와 같이 두 개의 다른 상 사이에 막이 상계면 혹은 상 장벽의 역할을 수행하여 두 상간의 물질전달이 이루어지게 하는 장치이다 분리막 접촉기는 기체-액체 또는 액체-액체 간에 접촉을 통해 안정된 계면을 형성시켜줌으로써 인위적으로 물질전달속도 조절이 가능할 뿐만 아니라 접촉면적이 크고 기존 분리정제 공정의 운전 시 발생할 수 있는 유화(emulsion), 범람(flooding), 편류(channeling), 기포생성(foaming), 그리고 부하(unloading) 등과 같은 기술적 문제점을 보완할 수 있어 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이에 본 논문에서는 분리막 접촉기가 이용되는 공정과 분리막 접촉기에 사용되는 막의 제조방법, 국내외의 연구동향을 고찰하여 분리공정으로써의 분리막 접촉기에 관한 이해를 높이고자 한다.

표면 개질한 다공성 금속 지지체에 초음파 분무 열분해법을 이용하여 silica막을 합성하고, 고온 기체 선택 투과 분리 특성을 조사하였다. Tetraethyl orthosilicate (TEOS)를 전구체로 하여 지지체 세공을 통한 감압 진공을 하면서 873K에서 표면에 defect 없이 균일한 양질의 silica막이 형성되었다. 투과 온도 523 K에서 silica막의 수th/질소 및 수증기/메탄을 분리 계수가 각각 17 및 16 정도의 우수한 선택 투과 성능을 나타냈다. 다공성 금속 지지체의 불균일한 기공에 silica 분체 및 γ-alumina층을 중간층으로 도입하고, 그 위에 열분해법에 의한 silica를 합성한 결과, Knudsen 확산에 의한 투과 영역의 세공이 완전히 제거되어 높은 수소 및 수증기 선택성을 가지는 복합 막이 형성되었다.

Poly(vinyl alcohol) (PVA)이 폴리술폰 한외여과 막, 술폰화된 폴리에테르술폰, 폴리아미드 나노 막 위에 코팅된 나노 복합막을 가압법에 의해서 제조되었다. PVA는 글루터알데하이드 수용액으로 가교되었다. 모든 지지층위에 PVA 희박용액이 성공적으로 코팅되어 나노복합막이 제조되었다. 지지막 위의 친수화도가 높아짐에 따라 수투과 유량이 증가하였다. 특히 음하전을 띠는 폴리아미드 나노 복합막의 제타전위는 PVA로 코팅함으로서 감소되었다. 막 오염 실험은 양이온을 띠는 계면활성제, 휴민산, 휴민산과 칼슘이온 복합체 및 bovine serum albumin을 사용하여 실행하였다. PVA로 코팅되지 않은 폴리아미드 나노복합막은 각각의 오염물질에 의해서 심하게 오염되었다. 휴민산과 단백질에 의한 오염은 오염물질의 등전점에서 가장 심하게 발생하였다. 휴민산에 이가 양이온을 첨가함으로서 오염이 심각하게 일어났다. PVA 수용액으로 폴리아미드 나노 복합막을 코팅함으로서 막 오염이 감소되었다. PVA로 코팅된 폴리아미드 나노 복합막은 산, 염기용액에 대해 저항성을 보였다.

비대칭 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF) 막을 상전환법으로 제조하였다. 도포용액은 PVDF를 용매인 N-ethyl-2-pyrrolidone (NMP)와 비용매인 1,4-dioxane, diethyleneglycol dimethyl ether (DGDE), acetone, (equation omitted)-butyrolactone(GBL)의 혼합용매에 녹여서 제조한다. 여러 첨가제가 도포용액 특성, 투과특성과 막 구조에 미치는 영향을 조사하였다. 응고제인 물과 1,4-dioxane, DGDE, acetone과의 상용성이 NMP보다 낮아서 기공크기가 작아진다. 첨가제의 양을 조절하여 기공크기를 변화시켰다. 혼합용매(수계 및 비수계)가 막의 투과성능에 미치는 영향을 살펴보았다. 용액점도뿐만 아니라 표면장력도 용매 투과특성에 영향을 끼침을 알 수 있었다.

통합형 비대칭 폴리아크릴로니트릴(PAN) 한외여과막의 기공크기를 줄이기 위하여 아닐링을 하였다. 두 종류 PAN 고분자(단일중합체와 공중합체)의 화학적 구조가 아닐링에 미치는 영향을 조사하였다. PAN 고분자의 아닐링은 고분자의 화학적 구조에 큰 영향을 받는다. 공중합체가 단일중합체에 비해서 덜 강직한 구조를 지니므로 아닐링에 훨씬 큰 영향을 받는다. 아닐링을 실시하기 전에 고분자 내에 잔존하는 용매의 완벽한 제거를 위하여 분리막을 물 속에서 예열 처리하였다. 예열처리를 하지 않은 경우가 아닐링 효과가 더 컸다. 높은 온도에서 아닐링 하기 전에 예열을 하면 기공크기의 증가를 가져 왔다. 막의 표면은 약간 음전하를 띠었고 PAN 나노막의 염배제율은 다음과 같은 순서로 측정되었다: R(Na₂SO₄) > R(NaCl) > R(MgSO₄) > R(CaCl₂). Donnan 평형과 전기중성도에 의해서 염제거 거동을 설명하였다.

폴리아미드 역삼투막을 이용하여 염색폐수를 처리하였다. 염색폐수를 멤브레인 공정에 적용하기 전에 알럼, 페릭 클로라이드, HOC-100와 같은 화학응집제를 이용하여 먼저 처리하였다. 이러한 전처리가 분리막에 의한 폐수처리 공정에 어떠한 영향을 주는지 알아보기 위하여 최적의 응집/침전 조건을 찾았다. 사용된 모든 응집제에 있어서, 전처리된 폐수의 COD와 UV-흡수도는 약 70% 정도의 감소를 보였다. 이렇게 전처리된 폐수를 다시 분리막 공정으로 처리하였다. 전처리 시 사용된 응집제들이 분리막 공정에서 어떻게 분리막 오염에 영향을 주는지를 조사하였으며, 그 결과 HOC-100가 폐수 내에 존재하는, 분리막 오염을 유발하는 물질 제거에 가장 좋은 효과를 나타내는 것을 알 수 있었다.

본 논문에서는 역삼투막 공정과 투과 증발막 공정이 Paul과 Ebra-Lima 모델을 사용하여 이론적으로 서로 비교되어졌다. 이 모델로부터 막내에 있는 액의 농도를 역삼투 공정의 경우 압력이 막의 윗쪽에 가하여졌을 때 (반면에 투과 증발 공정의 경우는 가하여진 압력이 무한대일 때) 막 -n-hexane 그리고 rubber 막-benzene 계들에 대하여 계산되어졌다. 또한 polyethylene-n-hexane 그리고 polyethlene-benzene 계들에 대하여 역삼투 및 투과 증발 공정의 투과도가 계산되어졌고 비교되어졌다. 이론적으로는, 투과 증발 공저으이 투과도가 역삼투 공저의 투과도 보다 더 컸음을 알 수 있었다.