Graphene-based derivatives such as graphene oxide(GO) have great potential as membrane material due to their controllable d-spacing, extremely large surface area and tunability of multifunctional groups. GO, highly oxidized graphene, has especially good affinity to CO2 arose from its oxide functional groups(e.g. carboxylic acid, hydroxyl groups) on 2-D nanosheet plane. Here, we synthesized GO/polymer composite materials and fabricated large-area thin film composite(TFC) membrane for CO2 separation using polymeric porous support. Further, we have produced flat-sheet membrane modules with the TFC membranes and tested the performance of the module under CO2/N2 mixed gas and flue gas conditions. The membrane module exhibited high CO2 separation performance as 74% of purity and 22% of recovery under flue gas condition including CO2, O2 and N2.

지난 2011년부터 수처리용 멤브레인 개발을 진행하던 롯데케미칼은 침지식 PVDF 중공사 멤브레인을 기반으로 MBR을 포함하는 수처리 시장에 진출하기 위하여, 2015년 2월 삼성 SDI의 관련 기술 및 연구장비, 파일럿을 인수하여 기술개발과 실적확보를 위한 연구를 지속적으로 수행하였다. 롯데케미칼의 침지식 멤브레인은 평균 기공크기가 30 nm의 한외여과막으로서 고강도 멤브레인과 저에너지형 멤브레인의 두 종류로 구성되어 있다. 특히, 저에너지형 멤브레인은 고강도 대비 30%의 fiber 무게를 감소시킴으로서 적은 세정용 공기 소비량에서도 세정효율을 유지할 수 있도록 하였다. 또한 내경의 단면적을 약 90% 정도 향상시켜 중공사막 내부의 유체저항을 최소화시켰다.

분리막 오염을 감소시키고 투과유속 향상을 위하여 관형분리막 모듈 내에 공기 분사노즐관을 삽입시켰다. 분리막 의 평균 기공크기는 0.1 μm이며 이스트를 오염물질로 사용하였다. 모든 투과실험은 노즐관을 모듈에 장착하고 공기를 주입 하지 않는 실험을 먼저 실시하고 연속해서 공기를 주입하는 투과실험을 하였다. 그 다음 노즐관을 제거한 후 공기를 주입시 키지 않으면서 투과유속을 측정하였다. 측정된 투과유속은 공기주입 효과를 분석하기 위하여 비교하였다. 공기주입에 대한 투과유속은 거의 일정하거나 증가하였다. 노즐관이 장착되고 공기 주입을 하지 않을 경우의 투과유속이 빈 관형 모듈의 경우 보다 높았다. 운전압력을 0.4 bar까지 감소시키면 노즐관이 장착되지 않는 경우와 비교하여 공기를 주입할 경우 투과유속이 21%까지 향상되었다. 기체량이 증가하여 기/액체 2상 흐름이 stratified-smooth에서 intermittent 상태로 변화됨에 따라서 공기 주입에 의한 투과유속은 30% 이상으로 증가하였다

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.

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.

Carbon nanomaterials such as graphene and its derivatives can be used for membrane applications due to its scalable area and one-atom-thickness, if pores or channels can be well-engineered. Particularly, graphene oxide (GO), a highly oxidized graphene sheet, shows promising membrane building block for gas separation as well as liquid separation. Due to its various polar groups, GO-based membranes also show good candidate for CO2 separation. In this regard, we tried to prepare large-scale GO-based, thin-film composite membrane for post-combustion CO2 capture, and also fabricated membrane modules (e.g., spiral wound membrane or plate-and-frame modules) to apply for real flue gas separation. In this study, the separation performance of two kinds of membrane modules will be compared in terms of gas permeance, selectivity, and pressure drop.

새로운 알루미나 (Al2O3)와 실리카(SiO2)로 이루어진 규산알루미나질 납석광물을 적용하여 세라믹 지지체를 개발하고 수처리 적용가능성을 평가하였다. 납석 세라믹 지지체의 순수투과도는 약 1370 L/m2.hr.bar 였으며 지표수의 탁도 및 유기물의 제거율은 각각 98 %와 75 %였다. 실 하수처리장 MBR의 MLSS를 취수하여 실험한 결과 완벽한 SS 제거효율을 나타내었다. 모듈간격에 따른 납석지 지체 파울링 현상을 관찰한 결과 모듈간격이 증가할수록 파울링은 감소하였으나 일정 모듈간격(3.5 cm)이상인 경우 파울링은 증가하였고 이는 공기 폭기량이 증가할수록 증가하는 경향을 나타내었다.

본 실험에서는 고분자의 농도, 첨가제의 종류 및 함량에 따라 도프 용액을 이용하여 분리막제조하였다. 분리막의 모폴로지는 전자주사현미경(SEM)을 통해 관찰 하였으며, 막의 모폴로지와 순수투과도의 관계를 확인 할 수 있었다. 필터화 모듈을 제조하여 수투과도 및 바이러스, 박테리아 등과 같은 미생물 제거성능을 측정하였다. 제조된 중공사막의 단면은 sponge 형태로 표명으로 갈수록 치밀한 형태를 띄는 것을 확인하였으며, 수투과도는 50-70 ml/min 으로 높은 값을 나타내었으며, 필터화모듈의 경우 수투과도는 1.6 LPM의 높은 투수량을 나타내며, 박테리아와 바이러스의 제거성능은 log 6 의 값의 높은 수치를 보였다.

In this study, the performance experiment was conducted to compare the permeate flux of hollow fiber Vacuum Membrane Distillation module according to leak problem between module housing and membrane bundle. For the permeate flux performance experiment of the two Vacuum Membrane Distillation modules, the Lab-scale experimental equipment was built in the capacity of 1㎥/day. The performance test of the two Vacuum Membrane Distillation modules were analyzed according to the feed water conditions. As a result, it was analyzed that the leak VMD module decreased about 14% of permeate flux than normal VMD module.

Recently, reverse osmosis (RO) is the most common process for seawater desalination. A common problem in both RO and thermal processes is the high energy requirements for seawater desalination. The one energy saving method when utilizing the osmotic power is utilizing pressure retarded osmosis (PRO) process. The PRO process can be used to operate hydro turbines for electrical power production or can be used directly to supplement the energy required for RO desalination system. This study was carried out to evaluate the performance of both single-stage PRO process and two-stage PRO process using RO concentrate for a draw solution and RO permeate for a feed solution. The major results, were found that increase of the draw and feed solution flowrate lead to increase of the production of power density and water permeate. Also, comparison between CDCF and CDDF configuration showed that the CDDF was better than CDCF for stable operation of PRO process. In addition, power density of two-stage PRO was lower than the one of single-stage. However, net power of two-stage PRO was higher than the one of single-stage PRO.

화학산업에 있어서 종래의 분리 기술에 의한 문제점을 해결하기 위해 투과증 발 공정 기술을 촉진시켜 왔다. 요즘 투과증발의 대부분은 bio-butanol, isopropanol 및 다른 유기용제류의 탈수를 위해 사용되고 있으며, 그 중 유기용 제의 탈수공정은 유기물의 분리공정에 비해 상당한 발전을 이루고 있다. 본 연 구에서는 물에 대한 고선택성을 나타내는 분리막 모듈을 이용하여 IPA와 물의 공비혼합물을 대상으로 공급액 온도, 투과액의 응축 온도와 같은 투과증발 공정 변수가 IPA 탈수 성능에 미치는 영향을 알아보았다. 또한 water uptake 및 접촉 각을 측정하여 친수화 정도를 알아보았다.

막 증류법은 다양한 형태로 운전이 가능하며 각각의 운전의 경우에 따라 물 질전달 계수 및 열전달의 효율이 다르게 나타난다. 또한, 모듈 형태 뿐 아니라 배관의 크기와 배열의 영향을 많이 받게 되는데 원수의 쏠림 현상이 발생할 뿐 만 아니라 수투과도를 향상시킬 수 없는 단점이 있다. 이에 본 연구를 통해 처 리수 생산량을 극대화하고 비용(원자재, 에너지, 인건비)은 최소화할 수 있는 모듈 및 배열의 최적 조건을 도출하였다. 실험에 사용된 분리막은 (주)에코니티에서 제조되었으며 사용된 원수는 염화나트륨 3.5%, VMD (Vacuum Membrane Distillation) 방식으로 실험을 실시하였다.

분리막은 해수담수화를 포함한 수처리 분야에 폭 넓게 사용되고 있으며, 현장 적용을 위해서는 분리막의 모듈 적용은 필수적이다. 본 발표는 막 모듈 최적화 연구를 통해 해수담수화용 분리막 모듈의 성능저하 요인 분석을 분석하고 모듈 최적화 방향을 제시하고자 한다. 분리막 모듈 최적화 연구 진행을 위해 전산유 체역학과 이동현상 모델을 도입하였다. 이를 바탕으로 유한요소법을 이용하여 해수담수화 막 모듈 모델을 개발하였다. 개발된 모델을 기반으로 해수담수화용 막 모듈 형태에 따른 모듈 내 유체 거동 및 위치에 따른 성능 분포를 계산하였다. 본 연구를 통해 해수담수화 막 모듈 모델을 개발하였으며, 이를 기반으로 다양한 형태의 모듈 내 성능 분포를 도출하였다. 본 연구는 막 모듈 성능 분석 및 개선에 활용될 수 있다.

클라우드 기술과 고성능 컴퓨터의 보급으로 최근 들어 CFD를 기반으로 에너 지 및 환경 분야 제품을 효율적으로 개발하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 분리막 분야에서도 모듈 및 전체 공정에 대한 공학적 접근법으로 CFD를 적용 하는 사례가 증가하고 있다. 본 연구에서는 평막형 분리막, 중공사형 가압식 모듈, 하수 공정을 대상으로 CFD를 적용한 사례 위주로 논하고자 한다.

UF와 MF막은 주로 중공사막으로 제조되고 있으며 단일막과 복합막으로 구분할 수 있다. 단일막의 경우 장기간 사용시 단사와 탁도 유출 등의 문제점을 가지고 있으며, 이를 해결하기 위해 고강도 직물을 이용한 Braid 지지체 위에 polymer를 코팅한 고기능성 복합막이 개발되어 적용되고 있다. Braid 보강막은 높은 인장강도를 가진 지지체를 사용함으로서 장기간 사용에 의한 강도 저하와 막성능 회복을 위한 물리⋅화학적 세정에 의한 막의 단사 등을 보완해준다. 이러한 Braid 보강막은 소재, 구조, 물성에 따라 다양한 분야에 적용되고 있으며 침지식 MBR공법은 물론 하수처리를 위한 가압형 모듈로도 적용되고 있다. 본 발표에서는 ㈜필로스가 직접 생산하는 Braid 보강막을 이용한 적용 사례를 소개하고자 한다.

Membrane technology for CO2 capture from flue-gas has been intensively considered due to their energy efficiency, small footprint and process accessibility for large-scale up without any by-products. There are many world-score membrane materials has been developed so far, and large-scale modulation and process design are key issues for industrial application in carbon capture technology. To reach the goal of high purity as well as high recovery, configuration and operation parameter should be optimized in aspect of process design. In this study, single membrane module performance for process design and the multi-stage membrane configuration has been suggested to optimize operating parameter for high purity and recovery. Operation parameters such as stage-cut and pressure ratio will also be discussed for high purity and recovery.

본 실험에서는 고분자의 농도, 첨가제의 종류 및 함량에 따라 도프 용액을 이용하여 분리막 제조하였다. 분리막의 모폴로지는 전자주사현미경(SEM)을 통해 관찰 하였으며, 막의 모폴로지와 순수투과도의 관계를 확인 할 수 있었다. 필터화 모듈을 제조하여 수투과도 및 바이러스, 박테리아 등과 같은 미생물 제거성능을 측정하였다. 제조된 중공사막의 단면은 sponge 형태로 표명으로 갈수록 치밀한 형태를 띄는 것을 확인하였으며, 수투과도는 50-70 ml/min으로 높은 값을 나타내었으며, 필터화모듈의 경우 수투과도는 1.6 LPM의 높은 투수량을 나타내며, 박테리아와 바이러스의 제거성능은 log 6의 값의 높은 수치를 보였다.

Isopropyl alcohol (IPA)/물의 투과증발 분리특성을 알아보기 위해 상용화된 Polyetherimide (PEI) 중공사막에 Poly(dimethyl siloxane) (PDMS)로 코팅한 복합막 모듈을 이용하여 파일롯 테스트를 실시하였다. 공급액으로는 물과 IPA를 각각 85 : 15로 혼합하여 사용하였다. 실험 결과로 25°C에서 투과도 0.52 kg/m2h, IPA 농도 68.5%로 높은 수치를, 55°C에서 투과도 1.368 kg/m2h, IPA 농도 61.2%로 높은 투과도를 얻을 수 있었다. 테스트를 진행한 복합막 모듈의 내구성을 알아보기 위하여 약 100일간 반응온도를 50°C로 설정하여 장기테스트를 진행하였고 그 결과 약 1.03~1.15 kg/m2h의 투과도와 61.8~62.5%의 IPA 농도로 초기 측정량과 큰 차이가 없음을 나타내었다.

염도차가 있는 두 용액을 멤브레인을 통해 혼합시 염도차에너지를 생산할 수 있다. 특히, 삼투현상을 기본으로 하는 압력지연삼투(PRO) 공정을 사용하면 염도차에너지를 수력에너지로 변환할 수 있다. 이 압력지연삼투 기술의 핵심은 PRO 멤브레인으로, 이 멤브레인의 성능에 따라 생산되는 전력량이 결정된다. 본 연구에서는 개발중인 PRO 멤브레인 모듈의 성능인 물플럭스 기반의 전력밀도(W/m2)를 분석하여 평가를 수행하였다. PRO 멤브레인 모듈의 성능은 삼투압차가 클수록 커지지만, 삼투압차에 비례하지는 않았다. 이론적으로는 삼투압차의 절반 정도에서 최고의 전력밀도를 보이지만, 실제로는 멤브레인의 특성에 따라 최적 압력은 영향을 받는 것으로 보였다. 삼투압차와 압력차외에도 두 용액의 유량은 성능에 영향을 미쳤다.

바이오 가스의 분리와 정제를 위해 셀룰로오스 트리아세테이트(CTA) 고분자를 이용하여 중공사형 기체분리막을 상분리법에 의해 제조하고, 제조된 기체분리막을 사용하여 유효 막면적이 0.17 ㎡인 중공사형 기체분리막 모듈을 제조하였다. 제조된 기체분리막 모듈의 순수 기체투과도틀 메탄, 산소, 이산화탄소에 대하여 측정하였다. 메탄의 투과도는 평균 0.46 GPU를 나타내었으며, 이산화탄소의 투과도는 평균 18.52 GPU였으며 이때 αCO2/CH4=4.04를 나타내어 매우 높은 선택도를 나타내었다. 순수 가스 투과 테스트 후 혼합 가스에 대한 분리 정제 테스트를 4가지 모사가스에 대하여 진행하였으며 1 stage, 2 stage, 3 stage로 기체분리막 모듈을 구성하여 stage cut의 변화에 따른 각 부분에서 발생되는 기체의 농도 및 유량을 측정하였다. 1 stage에서는 stage cut이 상승함에 따라 메탄의 농도가 상승하는 것을 알 수 있었으며, 메탄 회수 효율은 떨어지는 것을 알 수 있었다. 2 stage 테스트에서는 1 stage와 유사한 거동을 보이는 것을 알 수 있었으며 메탄의 회수 효율은 1 stage보다 상승하는 것을 알 수 있었다. 바이오 가스 내에 존재하는 메탄의 손실을 줄이기 위해 3 stage 테스트를 진행하였으며, 그 결과 메탄가스의 손실율을 5% 이내로 줄일 수 있는 모듈의 배열을 찾아내었다.