비다공성 중공사막 접촉기를 이용하여 수용액 내 용존 산소의 농도를 조절하고자 하였으며, 용존 산소의 농도를 전산모사를 통하여 예측하였다. 공급 기체와 공급 수용액이 같은 방향으로 흐르는 병류 흐름 시스템에 대한 분리막 접촉기 공정 지배 미분 방정식을 5차 Runge-Kutta-Verner 법으로 해석하였다. Compaq Visual Fortran 6.6 소프트웨어로 용존 산소농도 예측 프로그램을 개발하였다. 개발된 프로그램을 사용하여 수치해석을 수행한 결과, 분리막 수가 16,000개로 일정하며 공급기체의 유속이 0.536 mol/sec이고 압력이 486 kPa이며 공급 수용액의 유속이 16.69 mol/sec이고 산소의 몰분율이 0.995으로 유지된 상태에서, 분리막의 길이가 0.4에서 1.2m로 증가함에 따라 용존 산소는 30에서 64 ppm으로 증가하였음을 알 수 있었다. 분리막의 길이가 0.4 m일 때 공급수용액의 유속이 9.26에서 26.85 mol/sec로 증가함에 따라 용존 산소가 40에서 20 ppm으로 감소함을 알 수 있었다. 또한 공급 기체 압력이 298에서 847 kPa으로 증가함에 따라 용존 산소는 33에서 69 ppm으로 증가함을 알 수 있었다.

본 연구에서는 호소수의 정수처리공정 중 폴리술폰계 중공사막을 이용한 침지형(흡인압)과 외압형을 동시에 적용한 분리막 공정으로 압력 및 공경에 따른 투과플럭스의 변화에 관한 성능을 평가하고자 하였다. 침지형(흡인압) 공정의 압력에 따른 최대 투과 플럭스는 공경이 0.3 μm에서 평균 282 LMH, 0.05 μm에서는 234 LMH를 나타내었으며 외압형(외압) 공정의 압력에 따른 최대 투과 플럭스는 공경이 0.3 μm에서 평균 443 LMH, 0.05 μm에서는 522 LMH를 나타내었다. 또한, 흡인압과 외압을 동시에 적용한 공정의 압력에 따른 최대 투과 플럭스는 공경이 0.3 μm에서 평균 674 LMH 0.05 μm에서는 648 LMH를 나타내었다. 따라서, 호소수를 이용한 정수처리공정에서 분리막으로 흡인압과 외압을 동시에 이용할 경우 단위 면적당 생산수를 최대로 할 수 있을 것으로 사료된다.

동일 운전 조건에서 폴리이서술폰 중공사 분리막을 이용하여 혼합 기체로부터 이산화탄소 분리 실험과 수치해석으로 얻어진 결과를 비교하였다. 순수한 기체의 투과도로부터 구한 이상 선택도를 활용한 예측값과 실험값이 많은 차이 가 있음을 확인할 수 있었다. 그러나 이산화탄소 투과도와 선택도를 혼합 기체 분리 실험 결과로부터 구한 후 공급 이산화탄소 몰 분율, 공급 압력과 투과측 압력의 함수로서 투과도와 선택도를 얻을 경우 수치해석 예측값과 실험값이 잘 일치하는 것을 확인하였다.

배기가스로부터 폴리이서술폰 분리막을 이용하여 이산화탄소 분리 특성을 수치해석 방법으로 분석하였다. 공급 기체와 투과 기체가 서로 다른 방향으로 흐르는 향류 흐름 시스템에 대한 분리막 공정 지배 방정식을 유한 차분법으로 전개하였으며 Compaq Visual Fortran 6.6 소프트웨어를 이용 공정 모사하였다. 개발된 프로그램을 사용하여 수치해석을 수행한 결과 이산화탄소 투과특성에 영향을 주는 가장 중요한 인자로는 이산화탄소 투과 구동력과 체류시간임을 알 수 있었다. 동일한 조건에서 향류 흐름 공정모사에 의한 투과 측 이산화탄소 농도와 투과량은 병류 흐름 공정모사 결과보다 소폭 증가함을 확인하였다.

이산화탄소에 대한 가소화 안정성 및 이산화탄소/질소의 분리특성이 탁월한 폴리이서술폰(PES)중공사 분리막에 의한 이산화탄소 분리특성을 수치해석으로 알아보고자 하였다. 공정변수에 따른 이산화탄소 분리 거동을 예측하기 위하여 공급 기체와 투과기체가 같은 방향으로 흐르는 병류 흐름에 대한 분리막 공정 지배 방정식을 5차 Runge-Kutta-Verner 방법을 사용하여 Compaq Visual Fortran 6.6 소프트웨어를 이용 공정모사 프로그램을 개발하였다. 개발된 프로그램을 사용하여 수치해석을 수행한 결과, 이산화탄소 투과특성에 영향을 주는 가장 중요한 인자로서 공급 이산화탄소 분압, 투과측과 분리막 내부의 압력비 그리고 공급 기체가 분리막 내부에 머무르는 체류 시간임을 알 수 있었다.

본 연구는 LNG를 연료로 하는 화력발전소의 보일러를 대상으로 여기에서 배출되는 8~15% 내외의 이산화탄소 배가스 1,000 Nm3/일로부터 이산화탄소를 회수율 90%, 농도 99%로 회수하기 위한 다단 막분리 공정을 설계 및 제작하기 위한 선행연구결과이다. 본 연구실에서 이산화탄소에 대한 가소화안정성 및 이산화탄소/질소의 분리특성이 탁월한 폴리이서술폰(PES)소재를 대상으로 비대칭구조의 중공사형 분리막 및 모듈이 개발되었다[1].. 개발된 중공사막을 대상으로 모듈의 투과현상을 전산모사 하였으며 이를 이용하여 막분리 공정의 최종 회수조건에 적합하게 하기 위해 재순환공정이 가능한 4단 막분리 공정을 전산모사 하였다. 설계된 다단계 막분리 공정의 타당성을 입증하기 위해 개발된 중공사막모듈을 대상으로 설계된 운전 압력(공급측의 압력 및 투과측의 압력)과 공급 농도의 변화에 따른 막분리 공정의 투과량 및 농도를 조사하였다. 얻어진 결과를 공정모사를 통하여 계산된 결과를 비교한 결과 운전조건에 따른 유량, 순도, 막 면적 등에서 이론치와 실험치가 매우 잘 일치함을 확인할 수 있었다.

유용하고 중요한 의료기기인 폐 보조 장치(LAD)의 혈액 접촉 표면과 인공 폐 막에 사용하기 위한 혈액 적합성 생체 재료를 개발하기 위해 폴리프로필렌 중공사 막의 표면 개질을 수행하였다. 재료의 혈액적합성은 항응고 처리된 혈액을 사용하였고 플라스마 응고 형성, 혈소판 접착 및 플라스마 응고 활성화, 그들의 표면 혈전 형성을 평가하여 결정하였다. 실험 결과는 실리콘 코팅 중공사들에 부착한 혈소판 수가 우수한 혈액 적합성을 나타내는 폴리프로필렌에 부착한 혈소판 수보다도 상당히 더 낮았음이 확인되었다. 또한, 상대적으로 플라스마 표면 처리한 폴리프로필렌 중공사 막이 혈액 적합성 평가에서 보체 활성화 억제를 보였음이 확인되었다.

생체 폐를 대신해서 임시적으로 제공하는 폐 보조 장치(LAD)의 사용은 기계 환기술의 단순화와 체외순환 막형 인공폐의 기능을 결합하여 급성호흡부전 환자에 적합하다. 본 연구에서의 주 관심은 폐 보조 장치에서의 막 진동 효율에 있었으며 정량적인 실험 측정은 혈액 용혈에 대한 막 진동 의존을 확인하기 위하여 실행하였다. 또, 혈액 용혈은 막 진동이 이루어질 때 한계 용혈의 가진 주파수 대에서 결정하였다. 최대 기체 전달율을 보이는 675의 중공사 막으로 이루어져 있는 유형 5의 가진 주파수에서 최대 진폭의 발생 및 중공사에 진동의 전달에 의해 최대 산소 전달율이 일어났다. 이 주파수가 혈류량에 가동 가능했던 제 2 형태의 공진 주파수가 되어 높은 각 혈류량 비에서 25±5 헤르쯔까지 가진이 되었으며, 혈액 용혈은 25±5 헤르쯔의 가진 주파수에서 상대적으로 낮았다. 따라서 우리는 이 폐 보조 장치의 한계 용혈 주파수가 25±5 헤르쯔인 것으로 결정했다.

본 연구에서는 폴리올레핀산업에서 배출되는 배가스 내에 존재하는 미반응 올레핀 단량체를 분리·회수를 위한 막분리 공정 개발에 관한 연구로 중공사형 복합막의 개발에 관한 연구 결과이다. 중공사형 복합막의 제조를 위해 먼저 고분자 용액의 조성과 내부응고제의 조성을 변화시켜 다양한 구조와 투과도를 갖는 중공사 지지체를 제조하였으며, 그 위에 올레핀 단량체를 선택적으로 투과·분리시킬 수 있는 고무상 고분자(폴리디메틸실록산) 선택층을 코팅 용액의 농도를 조절하여 두께를 조절해 가며 중공사형 복합막을 제조하였다. 제조되어진 중공사 지지체와 복합막의 구조 및 코팅 두께는 전자주사현미경(SEM)을 통하여 확인하였으며, 올레핀(에틸렌, 프로필렌, 부텐) 및 질소 등의 기체에 대한 단일가스 투과도를 측정하여 그 분리성능을 평가하였다. 최적화된 중공사 복합막의 코팅 두께는 약 10;μm이였으며, 올레핀의 투과도는 에틸렌의 경우 75 GPU, 프로필렌과 부텐의 경우 각각 200과 1,120 GPU로 조사되었다. 그리고 질소대비 올레핀의 이상 선택도는 에틸렌/질소가 6.4, 프로필렌/질소, 부텐/질소가 각각 17과 97로 선택층으로 사용한 폴리디메틸실록산의 고유한 선택도와 유사한 값을 보였다. 이러한 결과로 보아 올레핀 배가스의 분리회수를 위한 새로운 중공사형 복합막이 성공적으로 제작되었음을 알 수 있었다.

폴리이서설폰은 상용화된 엔지니어링 고분자 소재 중에서 이산화탄소/질소 및 이산화탄소/메탄의 분리 능력이 아주 우수하면서 이산화탄소에 대한 가소화에 대한 저항력이 아주 뛰어난 것으로 알려져 있다[1-4]. 본 연구에서는 연소 배가스내 이산화탄소의 분리/회수를 위하여 건-습식 상전이법에 의해 비대칭구조의 폴리이서설폰 중공사막을 제조하였다. 제막용액은 고비점이면서 폴리이서설폰의 용매인 NMP와 저 비점의 폴리이서설폰의 팽윤제인 acetone를 일정한 조성으로 함께 녹여서 제조하였다. 방사용액의 농도, NMP와 acetone의 비, 방사높이, 증발조건, 실리콘 코팅조건을 변화시키면서 중공사를 제조하였으며, 얻어진 중공사막의 이산화탄소와 질소에 대한 기체투과도와 선택도는 순수기체를 통하여 측정하였다. 최적의 PES 중공사막은 PES/Acetone/NMP = 30/35/35 wt% 방사용액과 실리콘의 코팅조건하에 제조된 것으로 폴리이서설폰 소재 자체의 고유선택도인 30~40의 CO2/N2 선택도를 보였으며 25~50 GPU의 이산화탄소 투과플럭스를 보였다. 이러한 선택도와 투과도로부터 계산된 중공사 외표면의 선택층의 두께는 0.1;μm였다. 제조된 폴리이서설폰중공사막이 향후 연소 배가스내 이산화탄소 분리/회수용 막분리 공정에 적용될 경우 우수한 결과를 보일 것으로 예측된다.

Carbon composites were prepared with pitch-based round, C, hollow-type carbon fibers and pitch matrix. The thermal conductivities parallel and perpendicular to the fiber axis were measured by steady-state method. It was found that the thermal conductivities depended on the cross-sectional forms of the reinforcing fibers as well as the reinforcing orientation and carbon fiber precusors. Especially, mesophase pitch-based hollow carbon fiber-carbon composites had the most excellent thermal anisotropy, which was above 100.

본 연구는 호흡부전환자를 위한 진동형 혈관 내 폐 보조장치를 사용하여 산소전달효율을 향상시키기 위한 연구이다. 유량은 점프와 유량을 사용하여 조정하였다. 가진 장치는 압전 진동자, 함수 발생기와 전력 증폭기로 구성하였다. 기체의 유량은 120 cm 길이의 중공사를 통하여 6 L/min까지 하였으며 압전 진동자로 가진 하였다. PVDF 센서와 FRF를 사용하여 VIVLAD에서 발생하는 주파수를 검출하였다. 실험결과, 최대 진폭이 발생하고 중공사들에 진동이 전달되어 최대 산소전달속도가 발생함을 확인할 수 있었다. 이 최대 진폭은 다양한 유속과 각각의 모듈에서 35 Hz 영역에서 발생함을 확인할 수 있었다.

반응성 페놀수지 폐액을 처리하기 위해 중공사막 모듈을 이용한 투과증발 막 탈수공정을 연구하였다. 이 공정의 거동을 예측하기 위한 모사모델을 확립하였고 여기에 사용되는 중요 기본 파라메타들을 평판형 막을 사용하여 직접 구하여 사용함으로써 공정모사의 정확성을 얻을 수가 있었다. 이들을 모사치와 중공사 투과증발 막으로 부터 직접 측정한 각 투과특성들을 비교한 결과 서로 잘 일치함을 보여 본 모사모델의 타당성을 입증하였다. 사용된 중공사막은 중공사 안쪽에 활성층이 도포되어 있으며 공급액은 중공사 내부로 공급하였다. 공급액의 막내에서의 흐름속도에 따라 온도분포가 결정되며 이에 따라 막 투과특성이 달라짐을 모사결과로부터 얻을 수가 있었다. 공급액 온도증가는 막을 통한 탈수 투과 속도를 증가시킬 뿐 아니라 반응속도 증가로 인하여 물 생성속도도 증가시킴으로써 공급액 저장조 내의 수분 함량은 이들 상반된 공정들에 의해 결정이 됨을 보였다. 투과압력이 공급액 증기압보다 훨씬 작은 범위에서 증가할 경우 투과추진력인 공급액과 투과부의 투과물 활성도비 감소가 크지 않아 투과특성을 약간 저하시킨다. 그러나 투과압력이 공급액의 증기압에 접근할 경우 활성도비 감소가 현저하게 일어나 투과특성저하가 급격히 일어난다.

본 연구에서 상업용 폴리설폰 한외여과 중공사막을 지지체로 사용하여 저압 정수용 역삼투압막 제조시 막표면에서 feed의 큰 전단응력에 견딜 수 있도록 도포층과 지지층의 결합력을 증가시키는 전처리 방법을 확립하였다. 확립한 전처리 공정에서 지지막과 친화력이 좋으면서 도포층을 이루는 반응물과 반응성이 있는 글루탈알데히드와 촉매역할을 하는 염산 혼합 수용액으로 지지막을 전처리하면 이들 글루탈알데히드는 지지막 표면 및 기공 벽에 균일하게 분포되어 이후 표면중합법에 의해 형성된 도포층을 이루는 일부 반응물과 화학적으로 결합 되어 지지체와 도포층간에 강한 결합력을 제공한다. 전처리공정 없이 제조한 중공사 역삼투압막은 투과 후 5시간 이내에 feed의 큰 전단응력에 의해 도포층의 분리 파괴가 일어났으나 본 연구에서 확립한 방법으로 전처리하여 제조한 중공사막은 장시간 사용에도 우수한 막성능이 지속되었다.

중공사막의 일단이 자유롭게 움직여 막 오염 현상을 줄일 수 있도록 고안된 침지형 프리엔드 중 공사막 모듈에 아주 짧은 주기로 역세를 실시하는 역충격을 적용하여 중공사막의 기초 오염 특성을 조사하였다. 본 연구에 사용된 막은 폴리설폰(PS, polysulfone)과 폴리아크릴로니트릴(PAN, polyacrylonitrile) 재질의 내경 0.7mm, 외경 1.3mm, 분획분자량 50,000인 한외 여과막을 사용하여 모듈을 제작 후 MLSS 10,000mg/L의 반응조를 침지하였다. PS 중공사막의 역충격 유무에 따른 투과율과 압력 변화를 측정하였다. 역충격을 가하지 않은 경우, 모듈의 투과율은 초기 3시간 동안 급격히 감소하였고 150시간 이후에 일정한 투과율을 나타내었다. 역충격을 가한 모듈의 투과율 감소율은 현저히 줄어들었다. PS과 PAN 재질 중공사막의 역충격에 대한 영향을 15kPa에서 비교한 결과 초기 투과율은 PS 막이 19lmh, PAN 막이 16lmh이었다. 그러나 PS 막은 급격한 막 오염으로 인하여 압력이 30kPa까지 상승하였고 PAN 막은 15kPa에서 거의 일정하게 유지되었다. 160시간 이후 역충격을 멈추었을 때 PAN 막의 투과율은 역충격이 있을 때보다 더욱 감소하였고 PS 막은 역충격을 주었을 경우와 비슷한 투과율을 나타내었다. PAN 막은 역충격으로 인하여 막의 오염이 지연되고 있는 상태에서 역충격의 영향이 없어지므로 막의 오염이 계속적으로 생기는 것이고, PS 막의 경우는 초기의 급격한 막의 오염 때문에 역충격으로 인한 막오염 지연효과가 적었다.

막오염을 줄이기 위해 고빈도 역충격 시스템을 적용한 새로운 분리막 모듈을 연구하였다. 폴리아크릴로니트릴(Polyacrilonitrile) 재질의 외경 1.4mm, 내경 0.9mm, 분획분자량 50,000인 한외여과막과 라텍스(latex)용액을 사용하여 실험하였다. 역충격을 중공사막에 적용했을 때 제안된 모델식에 의한 이론치와 실험치를 비교 분석하였고, 역충격을 적용했을 때와 하지 않았을 때의 경우를 비교하였다. 이론치를 계산하기 위해 비저항 계수(specific cake resistance), 케익성장시간상수(time constant for cake growth), 확산계수(diffusion coefficient), 그리고 4가지 오염모델의 속도상수를 구하였다. 고빈도의 역충격을 가한 모듈의 투과율은 역충격이 없을 때의 투과율보다 약 40∼120%가 증가하였고 모델을 이용한 예상값과 1∼14% 내의 오차 범위를 나타냈다. 최적 역충격 세기는 20∼40%의 범위에서 20%였고 최적 역충격 빈도수는 0.67∼3Hz 범위에서 2Hz로 나타났다.

본 연구는 정수처리 공정에서 예상되는 오염물질에 대한 막의 투과성능과 오염현상을 알아보기 위하여 막의 깊이와 운전압력에 따른 압밀화 현상을 검토하였다. 막의 길이와 운전압력이 증가함에 따라 압밀화 현상도 증가하였다. MF막을 오염물질에서 고압(2.0 kg/cm2)과 저압(0.5 kg/cm2)으로 운전할 때, 고압 운전이 막힘현상(clogging)을 가속화 시켜 플럭스를 급격히 감소시키므로 저압 운전이 효과적이다. MF막을 Out-In방식으로 운전하였을 때, 막의 길이와 운전 압력에 관계없이 일정 시간 운전 후 비슷한 플럭스가 나타났다. 미생물 물질에 대한 막오염 현상을 파악하기 위해 중공사막을 강제 오염시킨 후 화학세정을 실시하였다. Biofouling된 막을 화학세정 하였을 때 산화능력이 우수한 H2O2와 NaOCl이 NaOH에 비해 살균능력과 탈착능력이 우수하다는 것을 알 수 있었다.

반도체 산업의 wafer 가공공정에서 발생하는 폐수를 재활용하고자 한외여과 공정을 이용한 막분리 공정의 도입 가능성을 검토하였다. Pilot 규모의 장치에 분획분자량이 각각 10,000, 20.000, 30,000인 한외여과막 모듈을 이용하여 투과유속 및 제거율 등을 측정하였다. 투과수의 성상은 SDI15, 탁도, 전기전도도, 실리콘 농도분석을 통해 공정수로 재이용이 가능함을 확인할 수 있었다. 투과유속 저하를 막기 위한 역세척 방법으로는 압축공기와 물은 sweeping 하는 방법이 가장 효과적이었고, 이때 투과유속의 회복율이 높게 나타났다. 분획분자량 30,000인 한외여과막에서 가장 높은 투과유속을 나타내었다. 또한 폐수의 평균 실리콘 입자 평균 함량은 3.8-5.6mg/ℓ이고, 투과수의 실리콘 입자 함량은 0.2μg/ℓ이하로 나타나 제거율은약 96%이상으로 나타났다.

국내 K-그룹 연구소에서 제조한 폴리설폰 중공사막의 산소/질소 혼합물에 대한 압력, stage , cut , 공급기체 혼합물의 조성에 따른 분리성능을 조사하였다. 본 실험의 압력범위와 온도 30℃에서의 이상분리인자 (O2/N2)는 5.7이었으며, 유입기체 혼합물의 21mole % 산소농도가 약 50 mole%로 농축되었다. 저압측과 고압측의 압력비는 산소농축에 미치는 영향이 적었으며 이상분리인자의 영향은 매우 컸다. 그러나, 이상분리인자가 증가함에 따라 이상분리인자의 영향은 둔화되었다. 따라서, 이상분리인자가 큰 신소재 개발과 더불어 공정변수의 최적화가 필요하다. 수학적 모델링에 의한 예측치와 실험치가 잘 맞았다.