Polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs) have been studied intensively due to their great potential as a clean and efficient energy conversion device. Especially, considerable attention has been paid to the development of thin polymer electrolyte membranes (PEMs) for the practical application of PEMFCs. However, thin PEMs normally have poor physicochemical stability. It is well-known that the physicochemical stability of polymer membrane can be improved by cross-linking technology. In this presentation two different types of cross-linked membranes from sulfonated poly(arylene ether sulfone) (SPAES) will be introduced: 1) cross-linked SPAES membranes prepared using flexible perfluoropolyether as a cross-linker. 2) End group cross-linked SPAES membranes prepared via simple thiol-ene click reaction.

신재생 에너지의 확대를 위한 대용량 에너지 저장장치로서 레독스 흐름전지 기술의 중요성이 부각되고 있다. 레독스 흐름전지는 양극 및 음극 전해액을 셀에 순환시켜 전해액에 용해되어 있는 활물질의 산화 및 환원 반응을 유도시키는 전지로서 전지의 효율 및 수명 확보를 위해서 양쪽 전해액을 분리시켜 주며 이온전달을 일으킬 수 있는 멤브레인의 사용이 필수적이다. 그러나 기존 레독스 흐름전지에 사용되는 멤브레인은 활물질 차단 특성, 이온 전달 특성, 물리화학적 내구성 및 가격 측면에서 부족한 특성이 많으며, 이를 개선함으로서 레독스 흐름전지의 효율, 수명 향상 및 가격저감 효과를 얻을 수 있다. 본 연구에서는 이러한 레독스 흐름전지용 멤브레인의 문제점을 정리하고, 이를 개선시키기 위한 멤브레인 소재 및 구조설계 전략에 대해 논의한다. 특히 활물질 차단과 내구성 향상 혹은 가격저감을 동시에 만족시키는 복합막 기술을 소개한다.

The general separation processes for liquid mixtures need the energy consumed and causes of primary cost. The pervaporation separation process could be regarded as the energy saving process[1]. In this study, it is introduced that the preferential isopropyl alcohol separation from the aqueous feed was carried out using the composite membranes according to the operating conditions, such as, the operating temperature, feed concentration etc. And the commercial scale module was prepared and tested for the long-term period, and finally the stabilized and consistent results of both permeability and selectivity were obtained.

일상생활에서 접할 수 있는 탄산음료는 전 세계적 상업 음료 시장의 매우 큰 부분을 차지한다. 기존에 이와 같은 탄산음료를 제조하는 방식은 보통 배치형의 기계적 공정 (McCann 탄산기, 제트 믹서 등)을 통해 이루어져 왔다. 하지만 이와 같은 기계적 교반을 동반한 탄산화 공정은 연속식 운전이 어려우며 물질전달 상의 한계점이 존재한다는 단점이 있다. 본 연구에서는 이런 단점을 탈피하여 기존의 배치형 탄산화 장치를 대체할 수 있는 초소형 연속식 탄산화 장치를 할로우 파이버 시스템을 통해 제안하고자 한다. 특히 이산화탄소 기체 버블이 발생하지 않으며 물로 이산화탄소를 직접 전달할 수 있는 이와 같은 시스템은 여러 산업 분야의 응용이 가능할 것으로 예상된다.

막 결합형 축전식 탈염공정에서 이온교환막의 이온교환용량이 염 제거 효율에 미치는 영향을 알아보기 위해 poly(vinyl alcohol)(PVA) 수용성 고분자에 sulfosuccinic acid (SSA) 가교제를 첨가하고 poly(4-styrene sulfonic acid-co-maleic acid)(PSSA_MA)를 PVA 질량대비 10, 50, 90 wt%로 달리 첨가하여 제조하였다. PSSA_MA의 함량이 증가함에 따라 함수율과 이온교환용량이 증가하는 경향을 나타내었으며 막 결합형 축전식 탈염공정에서 염 제거 효율도 상승되었다. PSSA_MA 90 wt%, 100 mg/L NaCl의 공급액과 유속 15 mL/min에서 흡착 1.4 V/5분의 조건에서 가장 높은 65.5%의 염 제거 효율을 나타내었다.

축전식 탈염(capacitive deionization)에 이용할 수 있는 폴리페닐렌 옥사이드(PPO) 음이온 교환막의 가교결합에 대해 조사하였다. 브롬화와 아민화 반응단계를 거쳐 PPO 음이온 교환 고분자를 제조하고 비스페놀 A 디글리시딜에테르 (BADGE), m-페닐렌디아민(m-PDA), 헥사메틸렌디아민(HMDA) 등으로 가교하였다. 가교에 따른 겔화되는 시간은 HMDA > m-PDA > BADGE 순으로 짧았으며, 일정한 함량 이상으로 실온에서 가교하면 1-메틸피롤리돈(NMP)과 같은 비양성자성 용매(aprotic solvent)에 녹지 않아 내화학성이 증대되었다. 가교제(BADGE) 함량에 따른 음이온 교환막의 이온 교환 용량과 함 수율을 측정하고 비교하였다. HMDA 용액에 침적하여 표면 가교한 PPO 음이온 교환막을 축전식 탈염에 적용한 결과 그 탈염 성능은 가교하지 않은 막과 비교하여 흡착단계의 초기 부분을 제외하고 거의 차이가 없었다.

FASs (fluoroalkylsilanes)로 표면 개질한 소수성 막에 대한 부탄올/물, 이소프로판올/물 용액의 수착(sorption)량을 측정하였으며 이들 수착 특성을 Hansen 용해도 파라미터를 이용하여 해석하였다. 부탄올의 수착량이 이소프토판올보다 많았으며, 이는 부탄올의 용해도 파라미터(δt = 20.4)와 FASs 소수성 막의 용해도 파라미터(δt = 16.9)와의 차이가 이소프로판올 (δt = 24.6)과의 차이보다 작기 때문인 것으로 설명할 수 있다. 극성력(δp) 측면에서 살펴보면, FASs 극성력(δp = 4.6)과 부탄올의 극성력(δp = 6.3)과의 차이가 FASs 극성력(δp = 4.6)과 이소프로판올의 극성력(δp = 9.0)과의 차이보다 작다. 이는 부탄올-FASs 간의 극성력 차이가 이소프로판올-FASs 간의 극성력 차이보다 작아서 부탄올-FASs 간의 상호인력이 크다는 것 을 의미하며, 수착량이 크게 나타나는 결과를 설명할 수 있다. 본 실험결과로부터 막에 대한 알코올의 수착특성, 용매에 대한 용질의 용해도 등을 분석하는데 용해도 파라미터를 이용할 수 있음을 알 수 있다.

본 총설은 분리막기술이 적용된 수소생산에 대한 개론으로, 특히, 암모니아를 수소운반체로 이용하는 수소생산에 대한 연구결과를 중점적으로 서술하였다. 암모니아를 수소운반체로 적용한 수소생산은 추가적인 탄소생성이 없다는 점 외에 여러 측면에 있어 이점이 있다. 많은 연구들이 고순도 수소 분리 및 생산을 위한 분리막 개발을 위해 진행되고 있으며, 이들 중 팔라듐을 기본으로 한 분리막(예를 들어, 다공성 세라믹 또는 다공성 금속 지지체와 팔라듐 합금의 얇은 선택층으로 이루어진 분리막)에 대한 연구가 활발하다. 반면에, 효율적인 암모니아 분해를 위해서는 주로 루테늄 촉매가 적용되고 있으며, 루테늄과 지지체 및 촉진제로 이루어진 루테늄에 기반을 둔 촉매에 대한 연구발표가 다수 존재한다. 수소생산을 위한 분리막 반응기 형태로는 충전층, 유동층, 그리고 마이크로반응기 등이 있으며, 이들의 최적화 및 원활한 물질전달 연구는 현재진행형 이다. 또한, 높은 암모니아 분해율, 고순도 수소생산 및 높은 수소생산율을 얻기 위해 분리막과 촉매의 다양한 조합에 대한 연구 및 분리막과 촉매의 역할을 동시에 구현할 수 있는 분리막에 대한 연구가 발표되고 있다.

Membrane distillation (MD) is a thermally driven desalination process with a hydrophobic membrane. MD process has been known to have a lower fouling potential compared to other pressure-based membrane desalination process (NF, RO). However, membrane fouling also occurs in MD process. In this study, the membrane fouling was observed in MD process according to the pre-treatment processes. The filtration and precipitation processes were applied as the pre-treatment to prevent the membrane fouling. The pore sizes of roughing filters were 0.4, 5, 10, 30, and 60 ㎛. The concentration of the coagulant was 1.2 mg/L as FeCl3. The membrane fouling on MD membrane was successfully removed with both pre-treatment processes.

본 연구는 GO (graphene oxide)를 활용한 기체 분리막 연구를 위해 PEBAX [poly(ether-block-amide)]에 GO를 첨 가하여 PEBAX-GO 고분자 복합막을 제조하고, 이 복합막을 통해 H2, N2, CH4, CO2에 대한 기체투과 특성을 연구하였다. 기 체투과 실험결과 PEBAX-GO 복합막에 대해 N2, CH4, CO2의 기체투과도는 GO 함량이 증가함에 따라 점차 감소하였다. 반면 H2의 기체투과도는 GO 함량이 증가함에 따라 증가하였고, GO 함량 30 wt%에서는 21.43 barrer로 단일막에 비하여 약 5 배가 증가하였는데 GO는 H2에 대해 다른 기체들에 비해 빠르고 선택적인 기체운송 channel로 더 용이하게 작용하였기 때문이다. 증가된 선택도(H2/N2)와 선택도(H2/CH4)는 투과기체 크기에 의한 확산선택도가, 증가된 선택도(CO2/N2)와 선택도 (CO2/CH4)는 CO2와 GO의 -COOH와의 친화성으로 용해선택성이 더 크게 영향을 미친 것으로 나타났다.

Tungsten oxide(WO3) films with uniform surface morphology are fabricated using a spin-coating method for applications of electrochromic(EC) devices. To improve the EC performances of the WO3 films, we control the heating rate of the annealing process to 10, 5, and 1 oC/min. Compared to the other samples, the WO3 films fabricated at a heating rate of 5 oC/min shows superior EC performances for transmittance modulation(49.5 %), response speeds(8.3 s in a colored state and 11.2 s in a bleached state), and coloration efficiency(37.3 cm2/C). This performance improvement is mainly related to formation of a uniform surface morphology with increased particle size without any cracks by an optimized annealing heating rate, which improves the electrical conductivity and electrochemical activity of the WO3 films. Thus, the WO3 films with a uniform surface morphology prepared by the optimized annealing heating rate can be used as a potential candidate for performance improvement of the EC devices.

본 연구에서는 가교막을 poly(2,6-dimethyl-1,4-phenylene oxide)(PPO)에 브롬화반응을 통해 제조한 Br-PPO를 주 사슬로 성공적으로 제조하였고, 키토산과 4차암모늄이 포함된 키토산을 가교제로 사용하였다. 제조된 가교막은 트리메틸아민 용액에 함침하여 후처리를 진행하였다. 그리고 가교도는 가교제 비율을 이용하여 조절하였다. 이렇게 제조된 A-PPO + chitosan 가교막과 A-PPO + QA-chitosan 가교막의 이온교환막으로써의 가능성을 여러 특성평가로 확인하였다. Chitosan을 사용한 가교막보다 QA-chitosan을 사용한 가교막이 가교가 더 잘 이루어졌으며, QA-chitosan의 함량이 증가할수록 이온교환용량이 1.18 meq/g에서 1.53 meq/g까지 증가하는 경향, 함수율이 21.6%에서 42.2%까지 증가하는 경향을 나타내었다.

Polyvinylidene fluoride (PVDF)의 중공사막 표면에 2번 딥코팅하여 layer-by-layer 방식으로 나노복합막을 제조하 였다. 1차 코팅에서 poly(vinylsulfonic acid)(PVSA)와 Poly(styrene sulfonic acid)(PSSA)의 농도, 이온세기(Ionic strength, IS) 등을 변화시키며 막을 제조하였으며, 2차 코팅 용액으로는 Poly(ethyleneimine) 10,000 ppm I.S = 0.3으로 고정하였다. 막의 특성평가를 위해 각각의 100 ppm NaCl, CaSO4, MgCl2, 그리고 25 ppm Methyl Orange (MO) 공급액에 대한 막의 투과도와 염배제율을 측정하였다. 코팅용액의 코팅 물질의 농도가 올라갈수록 염배제율이 상승하였으며, 본 실험 조건에서 PVSA보다 는 PSSA를 이용하여 제조한 중공사막이 염배제율이 높은 것을 확인하였다. 대표적으로 PSSA 30,000 ppm I.S = 1.0에서 중공사막을 제조하였을 때 25 ppm MO용액의 투과도 1.848 LMH, 염배제율 76.3%로 가장 높은 값을 나타내었다.

For facilitated olefin/paraffin separation, poly(ethylene-alt-maleic anhydride)-g-O-(2-aminopropyl)-O′-(2-methoxyethyl) polypropylene glycol (PEMA-g-PPG) is reported by facile, cheap and moderate-condition synthesis. PEMA-g-PPG provided effective polymer matrix for partially polarized silver nanoparticles (AgNPs) and 7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane (TCNQ). AgNPs could facilitate olefin transport through π-complexation, while TCNQ activated surface of AgNPs for partial polarization as a strong electron acceptor. The FT-IR and TEM image supported improved interactions between PEMA-g-PPG and AgNPs. The best separation performance was obtained with 1:3 wt ratio of PEMA-g-PPG:AgNPs, showing 7.8 GPU for mixed gas permeance and 17.5 selectivity for propylene/propane.

Polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs) have attracted particular interest as alternative and enviromentally friendly energy source for both mobile and stationary application. The perfluorosulfonic acid membranes, such as Nafion® are most used PEMs because of their good chemical and electrochemical stability. However they have drawbacks such as high cost, low application temperature, insufficient durability. Sulfonated poly (arylene ether)s, poly (phenylene ether)s, poly (arylene ether ketone)s have beem developed. This work is an attempt to synthesize sulfonated poly (arylene ether)s contained phosphinate moiety which is pendant phenyl structure. Sulfonated poly (arylene ether)s membranes were prepared from DOPO-BPA, 4,4’-sulfonyl diphenol(SFDPS), 1,4-bis(4-fluoro benzoyl)benzene(1,4-FBB).

In this study, we prepared thin composite membranes in which a support layer and a selective layer are covalently bonded in a simple method. The graft polymerization was carried out using UV/Ozone on a commercial Poly(sulfone) (PSf) ultrafiltration membrane with Poly((ethylene glycol) methyl ether methacrylate) (PEGMA) possessing CO2affinity. As a result, nano-pores on the surface membrane were covered with PEGMA. The covalent bonding of the composite membranes has the advantage of improving stability. In addition, due to the thin selective layer formed by the graft polymerization, highly gas permeation characteristics are exhibited, and efficient process performance can be expected. The final composite membranes were investigated in terms of their chemical structures and elements, morphology, and gas permeation properties.

압력-분배 탈기방식으로 막접촉기를 구성하여 바이오가스 정제를 하였다. 폴리프로필렌(PP) 중공사막 모듈과 물리흡수제를 이용하여 막접촉기 성능 평가를 수행하였다. 실험은 흡수 압력, 가스의 유량, 흡수 온도 및 흡수제의 농도등 다양한 조건에서 수행하였다. 특히 CO2 흡수능이 높은 상용 흡수제인 프로필렌카보네이트(PC)와 물의 혼합흡수제를 사용하여 회수성능이 향상되었다. 탈기 방법이 개선된 압력-분배 탈기방식의 막접촉기는 50% CO2/50% CH4의 바이오가스 모사가스로부터 바이오메탄을 98% CH4 순도와 91%의 회수율로 정제하였다. 따라서 압력-분배 막접촉기를 통해 바이오가스로부터 수송용 바이오메탄의 생산이 가능함을 확인하였다.

촉진수송막이란 특정기체의 이동을 촉진시키기 위한 운반체를 포함하고 있는 분리막을 말하며 일반적으로 올레핀/파라핀 분리에는 π-complexation을 할 수 있는 은이온이 운반체로 사용된다. 본 연구에서는 올레핀/파라핀 분리를 위해 은이온이 함침된 아민계 고분자를 이용하여 촉진수송막을 제조하였고 이들의 프로필렌/프로판 분리특성을 알아보았다. 순수가스 테스트를 통해 압력변화에 따른 투과도와 선택도를 구하였으며, 혼합가스 테스트를 통해 stage-cut에 따른 투과측 프로필렌 농도 및 회수율 변화를 알아보았다. 그 결과, 2bar, 25°C에서 95%의 프로필렌을 99.6%까지 농축 시킬 수 있음을 확인하였다.