세라믹 분리막은 높은 열적, 화학적 안정성을 갖기 때문에 극한의 조건에서 운전되는 다양한 산업 공정에 적용할 수 있다. 그러나 투과도와 기계적 강도의 trade-off 현상에 의한 세라믹 분리막 활용에 제약이 있어, 고투과성-고강도 분리막 의 개발이 필요하다. 본 연구에서는 상전이-압출법으로 알루미나 중공사 분리막을 제조하고, 고분자 바인더의 종류와 그 혼합 비에 따른 분리막의 특성 변화를 관찰하였다. 용매인 DMAc (Dimethylacetamide)와 고분자 바인더의 한센 용해도 인자를 비 교하면, PSf (polysulfone)가 DMAc와 높은 용해도 특성을 갖기 때문에 도프 용액의 점도와 토출압력이 높게 나타나 분리막 내부가 치밀한 구조로 형성되기 때문에 높은 기계적 강도를 갖으나 수투과도가 감소하는 것으로 확인되었다. 그에 반해, PES (polyethersulfone)를 이용하여 분리막을 제조하면 기계적 강도가 다소 감소하고 수투과도가 증가하는 것으로 나타났다. 따라 서 분리막 성능과 물성을 최적화하기 위해 PSf와 PES를 혼합하여 분리막을 제조하였으며, 9:1로 혼합하여 제조된 분리막에 서 최적화된 수투과도와 기계적 강도를 얻을 수 있었다.

Carbon molecular sieve (CMS) membrane surpasses the upper-bound trade-off and plasticization phenomenon of polymer membrane. Recently, supported CMS membranes have been investigated to provide both high performance and mechanical strength. Herein, we have investigated the supported CMS hollow fiber membranes on low-cost alumina hollow fiber. To prepare the thin and uniform layers, the dip-coating parameters for intermediate and polymeric layers were varied in terms of the withdrawal rate and solution viscosity, respectively. Then, in order to confirm its feasibility in real industry, mixture gas was permeated through prepared CMS membranes. Moreover, the property of long-term stability was characterized in harsh conditions and further modified.

To separate olefin from paraffin efficiently, highly selective and permeable carbon molecular sieve (CMS) membrane has been employed. Especially, supported CMS membrane could offer high permeance and mechanical strength. However, it has been limited to flat or tubular type membranes despite a lower packing density due to a difficult manufacturing process of hollow fiber membrane. Thus, we have optimized the process to prepare the CMS membrane on alumina hollow fiber. To coat a defect-free thin alumina intermediate layer, the withdrawal speed during dip-coating process was varied, and the viscosity of polymer solution was controlled to form uniform layer. Then, the pyrolyzed CMS membrane was tested in propylene/propane mixture gas system as well as single component. Moreover, a long-term performance was evaluated in harsh conditions.

Power plants consume a major fraction of water to generate electricity, typically in the range between 30 - 50% of all fresh water sources. Most of the water from plants are lost with heat through stack and cooling towers. It has been reported that if 20% of these water can be recycled, power plants can be self-sustainable, allowing them to be located with higher flexibility. Membrane contactor can be an effective solution to harness this source of water, but most of the work have been focused on dense vapor separation membranes with limited success. In this work, we investigated potential application of membrane condenser technology to harness fresh water from power plants.

Membrane separation processes have been widely used in water purification or gas separation applications because of their process simplicity, low cost operation and small footprint. Nowadays, applications of ceramic membranes with high thermal, chemical and mechanical resistance has rapidly grown in new separation applications where the polymeric membranes cannot be used (e.g., high temperature, strong acidic/basic or solvent-contained corrosive feed solution). In this study, robust ceramic hollow fiber membranes were prepared by extrusion-phase inversion followed by sintering. The effects of preparation conditions on membrane characteristics were studied to improve the separation performance of ceramic membranes. In addition, a variety of modification methods and applications based on ceramic hollow fiber membranes will be discussed.

본 연구에서는 sol-gel법을 이용하여 균일하고 결함을 최소화한 세라믹 한외여과막을 제조하였다. 알루미나 중공 사 정밀여과막 지지체의 기공 크기를 줄이기 위해, 합성된 boehmite sol과 sol-ethanol 혼합 용액을 사용하여 dip coating법으 로 지지체 표면 위에 γ-알루미나 활성층을 형성시켰다. pristine sol을 이용하여 4회 이상 코팅했을 경우 박막층의 두께가 상당히 증가하여 균열 및 박리현상을 야기시키고, 3회 코팅을 진행하였을 경우 표면 결함이 최소화된 최적의 시료를 얻을 수 있었다. 또한, 소결 온도가 γ-알루미나 활성층의 기공 크기에 미치는 영향을 분석하였다. 소결 온도가 1000°C일 때 가장 높 은 순수 투과도 값을 보였으며, 10 nm 크기의 dextran 분획분자량(molecular weight cut-off (MWCO) : 51 kDa)이 관찰되었다. 600, 800°C에서 소결한 막의 경우, 12 kDa MWCO (dextran 5 nm)를 갖는 것으로 확인되었다. 결과적으로, 코팅 용액의 조성은 박막층의 두께에 큰 영향을 주었고, 소결 온도에 따라 분획분자량이 크게 영향을 받는 것을 알 수 있었다.

분리막의 기공 크기 및 분포도를 분석하기 위한 다양한 측정법이 있지만 10-50 nm 범위의 한외여과막 기공크기 를 정확하게 측정하기가 까다롭다. 따라서 gas-liquid displacement porometer (GLDP)와 liquid-liquid displacement porometer (LLDP) 기공 특성 측정법 두 가지를 이용하여, 10-100 nm의 기공크기를 갖는 세 종류의 세라믹 분리막(K-100, A-100, A-20) 의 기공 크기 및 분포도를 비교 분석하였다. GLDP는 한외여과막의 최대 기공크기를 측정하는데 적합한 분석법으로 확인되 었고, LLDP로 측정된 평균 기공크기가 분리막의 분리 성능 결과와 더 연계되어 있었다. 또한 LLDP는 10-50 nm 범위의 기 공크기를 측정하는데 적합한 기공 분석법으로 확인되었으나, GLDP 보다 낮은 정밀도와 높은 민감도를 나타내었다. 다양한 기공 특성 분석법 가운데, 최근 상용화된 LLDP 기술은 종래의 측정법으로 알지 못했던 유용한 결과들을 제공할 수 있을 것 으로 기대된다.

증류에 의한 올레핀/파라핀 분리는 끓는점이 유사하여 에너지 소모가 높기 때문에, 분리막을 이용한 연구가 많이 진행 중이다. 특히 CMS 분리막은 sieving separation에 의한 투과/분리 성능이 우수하다. 따라서 본 연구에서는 중공사형 α-alumina 지지체에 γ-alumina 중간층을 형성한 후 Matrimid로 코팅하여 열분해함으로써 높은 기계적 강도와 충진 밀도를 갖는 중공사형 CMS 복합막을 제조하였다. 제조된 CMS 분리막은 20 - 35 GPU 프로필렌 투과도와 10 이상의 프로필렌/프로판 분리도를 보였다. 이 연구는 2014년 정부(미래창조과학부)의 재원으로 국가과학 기술연구회 융합연구단 사업(No. CRC-14-01-KRICT)의 지원을 받아 수행된 연구입니다.