세계적으로 물의 사용량이 증가하고 물의 오염이 증가되는 상황에 기존 고분자 소재를 사용한 여러 분리막 소재들은 기계적 강도와 화학적 안정성 등이 기 대에 미치지 못하고 있는 실정이다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 성능이 우수하면서도 물성이 뛰어난 고분자 소재 또는 시스템을 개발하는 것이 중요하 다. 본 연구에서는 기존 PES, PSf 소재보다 강도 및 내화학성이 우수한 Poly(ethylene-chlorotrifluoroethylene) (ECTFE)를 이용하여 분리막을 제조하였고 기존 PVDF, EVOH 분리막과 비교 분석하였다. ECTFE와 같은 소재들은 NIPS (Nonsolvent Induced Phase Sepataion)방식으로는 용해를 시키기에 충분한 온 도를 만들어 낼 수 없기에 고온을 사용하는 TIPS(Thermally Induced Phase Seaparation) 방식을 이용하여 분리막을 제조 하였다. 분리막의 특성평가로는 주사방출현미경(SEM), DSC 그리고 Hot stage 등으로 특성평가를 진행하여 TIPS 분리막의 제조 방식에 따른 소재의 변화를 관찰하였다.

MOF(Metal-organic frameworks)의 일종인 ZIF-8은 큰비표면적과 높은 열적⋅ 화학적 안정성을 가지고 있어 분리막 재료로 많은 연구가 진행되고 있다. 특히, 3.4Å 크기의 기공입구와 11.6 Å 크기의 기공 크기를 가지고 있는 ZIF-8을 분리 막으로 합성시 프로필렌/프로판을 분자체 효과를 통해 분리해 낼 수 있다. 본 연구에서는 ZnO 층을 형성하고 이를 전환시켜 결함 없는 ZIF-8 막을 합성하고 이를 통해 프로필렌/프로판을 분리하고자 했다. 우선, 매크로기공을 가진 디스크 모양의 α-알루미나 지지체 위에 ZnO 층을 형성하고, 2-methylimidazole 용액에서 용매열 합성하여 ZnO를 ZIF-8 분리막으로 전환시켰다. 합성된 ZIF-8 분리막 은 XRD, SEM, 기체투과장치, GC 등을 이용하여 분석하였다.

분리막을 이용한 투과증발법은 에너지 소모가 적고 경제적이며 환경친화적이기 때문에 분자스케일 액체/액체 분리에 있어서 매우 주목 받고 있는 기술이다. 방향족 화합물과 지방족 화합물을 분리하는 공정은 석유정제, 석유화학공정 등 에서 특히 중요한 분리공정 중의 하나이다. 본 연구에서는 벤젠에 대한 고선택 성을 나타내는 PEG가 함유된 폴리이미드 공중합체를 합성하였고, 1H-NMR 스 펙트럼과 FT-IR 스펙트럼에서 PEG 특성 피크의 확인을 통하여 PEG가 도입되었 음을 확인 하였다. 혼합물 분리를 위한 투과증발 실험 장치를 제작하여 PEG 함량이 다른 막을 제조하여 벤젠 조성 변화에 따른 투과증발 실험을 실시하였 으며, 그에 따른 투과유량 및 투과도를 계산하여 투과특성을 확인하였다.

본 연구는 둘 이상의 기체 혼합물에서 높은 기체분리 성능을 목적으로 하는 복합막의 제조이다. 실험에 사용된 코팅제는 isocyanate와 PEG-silicone, 소량의 촉매를 사용하여 코팅하였으며, 고온의 가교과정을 통하여 복합막을 제조하였다. 지지체 위에 gutter layer를 형성시키기 위하여 실리콘 용액을 이용하였으며, 이는 SEM을 통하여 확인하였다. 최종적으로 제조된 복합막은 bubble flowmeter로 기체투과 성능을 평가하였다. 코팅층은 3 μm 이하로 고른 분포를 갖는 복합막이 제조되었음을 확인하였다. 코팅 방법과 코팅제의 조성을 다양하 게 하여 기체 투과 성능을 확인하였다.

기계적 물성 및 내화학성이 우수한 폴리이미드를 이용하여 중공사 분리막을 제조하고, 가혹조건에서의 기체분리 특성평가를 진행하였다. 먼저 폴리이미드 소재에 대한 특성평가를 통하여 열적 특성을 분석하였고, 상전환법을 이용하여 폴리이미드 중공사막을 제조하였다. 여러 단계의 용매 치환 과정을 거쳐 최종적인 중공사막을 제조하였다. 최종 제조된 중공사막은 코팅을 통하여 복합막으로 제조 하였으며 lab scale의 중공사막 모듈을 제조하여 기체 분리 특성평가를 진행하였다. 일반적인 조건과 여러 가혹 조건에 따른 투과 특성을 비교 분석하였다.

Usually olefin/paraffin separations (e.g., ethane/ethylene and propane/ propylene) by distillation process are energy-intensive because such molecules have very similar molecular size and boiling point. Membrane process has been considered as an alternative method to achieve energy- efficient olefin/paraffin separation. However, based on solution-diffusion mechanism, it is hard to design good membrane materials to separate them efficiently. Here we report fundamental separation properties of olefin/paraffin through graphene oxide (GO) membranes having slit-like channels. Analogue to carbon molecular sieve membranes, GO membranes showed ability to separate these molecules. To improve the separation properties, GO membranes have been modified by various methods.

Graphene oxide (GO), a highly oxidized graphene sheet, is a distinguished 2-D nanosheet. GO membranes exhibit good CO2 separation properties due to its various polar functional groups with oxygen resulting in high CO2 sorption properties. Recently, GO nanosheets have been incorporated into polymer membranes expecting the synergistic effect. There is, however, little research on GO as a crosslinker even though it has high potential due to available functional groups for further reaction. Here, we prepared GO/polymer membranes by crosslinking reactions between polar groups of GO and bi-functional polymer matrix at different temperatures. Optimum crosslinking condition was found by analyzing gas transport, chemical properties of samples. Degree of crosslinking in GO/polymer nanocomposites affected gas transport behavior.

Graphene oxide (GO) has been extensively studied for membrane material for gas and liquid separation due to its outstanding features such as selective CO2 or water vapor transport properties. Although GO membranes can be easily fabricated in the form of thin-film composite membranes by using high-flux polymeric support membranes, it shows relatively low gas permeability due to high tortuosity. Here we report the way to improve gas permeation rate through porous graphene oxide by reducing the gas permeation pathway, with maintaining GO’s two-dimensional structure. We also used polymer, which has high CO2/N2 selectivity, and prepared GO/polymer composite membranes as a function of GO concentration. This study will provide a further insight on how such two-dimensional nanosheets can be harmonized with polymer and improved membrane properties.

A series of bisimidazolium-PEG mediated crosslinked polyimides with different PEG chain length have been prepared for gas separation membranes. The bisimidazolium-PEG was used both as crosslinkers and CO2-solubilizing groups. The crosslinked 6FDA-durene polyimide membranes prepared displayed excellent chemical, mechanical and thermal stabilities. Furthermore, high CO2/N2 and CO2/CH4 selectivity was obtained while keeping relatively high permeability. The preparation and the effect of the PEG chain length within the bisimidazolium-PEG groups on the structures and physicochemical properties of the polymers, as well as the gas separation properties of the corresponding membranes will be discussed.

음식물 및 축산 폐기물 처리장 등 혐기성 공정에서 발생하는 바이오가스의 주성분은 50~70% 메탄과 20~40% 이산화탄소로 구성되어 있다. 바이오 가스 내 메탄을 95% 이상의 고순도로 농축할 경우 도시가스와 이송수단의 연료로 사용이 가능하며 온실가스 감축에도 큰 효과가 있어 신재생 에너지로써 큰 주 목을 받고 있다. 본 연구에서는 혐기성소화조에서 발생하는 바이오가스를 95% 이상의 메탄으로 농축하기 위해 폴리설폰 중공사막과 다단 분리막 공정을 이용하였다. 순수기체 투과도와 혼합기체 투과성능을 알아보았고 폴리설폰 분리막을 이용하여 3, 4 단의 분리막 공정을 설계하여 분리 농축 실험을 실시하였다.

In the electronic device area, several conductive polymers have been used such as Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT-PSS). In the connection of this concept, PEDOT-PSS was applied to CO2/N2 separation, which is the first attempt to this area. To be specific, the polymer was blended to poly(2-[3-(2H- benzotriazol-2- yl)-4-hydroxyphenyl] ethyl methacrylate)-poly(oxyethylene methacrylate) (PBEM-POEM or PBE). The conductive polymer formed the interconnected network by interacting with PBE owing to the specific interaction. This structure give the facile pathway to CO2 and N2, which result in the increased permeability of the gases. Especially, improved CO2 solubility caused the permeability (59.6 Barrer) to be increased, which brought about the enhanced CO2/N2 selectivity (77.4) of PEDOT-PSS 5 wt% membrane.

High oxygen permeability and structural stability are required in the presence of high concentrations of CO2 for application of oxygen transport membrane in the oxy-fuel combustion process. MIEC membranes based on alkaline earth metal such as Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ have low CO2 stability. Carbonates were formed over the surface of membranes including alkaline earth metal in the presence of CO2 and oxygen permeation fluxes are deteriorated. In this work, dense dual-phase hollow fiber membranes were prepared by a phase inversion spinning and sintering process. The oxygen permeation fluxes of dual-phase hollow fiber membrane were evaluated at various temperatures.

Polyimides (PIs) are known to have the high mechanical and thermal stability, but they have limited application for gas separation due to their low permeability. To overcome the low permeability of PIs, we developed PDMS-containing PI copolymers with different PDMS compositions as highly permeable polymer membranes. The piperazinium group was further introduced on the side chains of the PDMS-PIs both as crosslinkers and CO2-solubilizing groups. The preparation and properties of the corresponding polymer membranes for CO2 separation will be discussed.

이산화탄소를 분리하기 위한 한 방법으로 고분자 기체 분리막을 이용한 기술이 발전하고 있다. 다양한 폴리머 멤브레인 재료 중에서도 폴리이미드(PI) 는 우수한 열 및 기계적 특성, 좋은 화학적 안정성과 높은 가스 수송 특성 을 가지고 있으나 고분자 분리막은 아직 낮은 투과, 선택성을 가지고 있다. 때문에 이를 높이기 위해 많은 연구가 이루어지고 있다. 본 연구에서는 이산화탄소에 대한 높은 친화성으로 우수한 이산화탄소 분리성능을 가지고 있는 고무상 고분자인 폴리에틸렌글리콜(PEG)을 이용하였고 높은 자유 체적을 가지는 durene group을 포함한 PI와 PEG를 공중합 시켜 높은 소재의 기체 투과성능을 확인하고 이 소재를 이용하여 중공사 제조 변수를 조절에 따른 기체 투과도를 확인 하였다.

폴리이미드는 높은 기계적 강도, 내열성 및 내화학성 등 많은 강점을 가지고 있음에도 불구하고 유기용제에 대한 낮은 용해성으로 인해 막을 제조할 경우 많은 제약을 받고 있다. 따라서 본 연구에서는 구조적으로 낮은 분자간 상호작 용 및 패킹을 가지는 지환족구조의 다이안하이라이드인 DOCDA 를 이용하여 용해성 폴리이미드를 합성하였다. FT-IR을 통해 합성이 성공적으로 이루어졌음을 확인하였고 용해성 평가를 통해 여러 가지 유기용매에 대한 향상된 용해성을 확인하였다. H2, CO2, CH4에 대한 투과특성평가 결과 상용화된 폴리이미드막 과 비슷한 성능을 나타내었고 특히, CO2/CH4, H2/CH4에 대해 높은 선택도를 나타내었다.

2015년 파리기후변화협약에 의한 신기후체제 출범으로 전세계 195개국이 온실가스 감축을 약속하게 되었다. 한국도 2013년 기준 온실가스 배출이 7억톤을 기록하고 있으며 BAU대비 37% (3.1억 톤)를 감축해야 하는 의무를 약속하고 있다. 국내외에서 철강, 화학, 환경산업 등에서 대량으로 배출되는 온실가스를 회수하여 화학제품을 생산하는 탄소자원화(carbon resources utilization) 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 발표에서는 온실가스를 포함한 다양한 조성의 산업부 생가스의 발생현황과 부생가스로부터 고순도의 이산화탄소, 일산화탄소, 메탄, 수소 등을 경제적으로 분리회수하여 화학원료가스로 사용할 수 있는 분리기술 의 연구동향과 한국화학연구원에서 수행하고 있는 바이오가스 막분리기술을 중심으로 소개하고자 한다.

하수슬러지와 같이 수분이 많이 함유된 폐기물 소각에 있어 순산소 연소기술은 공기 중의 질소를 배제하므로 장치의 크기를 줄일 수 있고 NOX의 배출을 줄 일 수 있는 고효율 연소 기술이다. 순산소 연소는 고효율 연소의 장점은 있으나 산소 제조 비용이 고가라는 문제점이 대두되어 왔다. 최근 저가 산소를 제조하기 위한 이온전도성 분리막 및 모듈이 개발되었고, 이를 소각로의 배열을 이용하여 운전한다면 산소제조 비용을 낮출 수 있는 장점이 있지만 장시간 대기 중의 CO2 노출 시 분리막 표면에 탄산염이 형성되어 성능이 저하됨을 확인되었다. 본 연구에서는 소각로에 순산소를 공급하고 고농도의 CO2를 sweep gas로 활 용하여 이온전도성 산소 분리막을 운영할 수 있도록 CO2 내성을 갖는 중공사막을 개발하였다.

다단기체분리 공정을 수행하기 위해 폴리이미드 중공사막 모듈을 제조하여 혼합기체 N2 : SF6 = 50 : 50에 대한 기체분리특성을 확인하였다. 제조된 중공사막 모듈은 0.5 MPa에서 stage cut을 조절하여 투과 유량, 농도 등의 성능을 측정하 였다. 중공사막 모듈은 1단 분리 테스트에서 N2/SF6 선택도가 높을수록 동일한 stage cut에서 높은 SF6 회수율을 얻을 수 있 었다. 1단 시험결과에 따라 SF6 회수율과 농축농도를 동시에 높이기 위해 2단 기체 분리 테스트 진행함으로써 SF6 회수율 95% 이상, SF6 회수농도 98% 이상을 농축할 수 있었다.

바이오 가스로부터 바이오 메탄을 생산하기 위해 물리흡수제 특성평가 및 CO2/CH4흡수 연구를 진행하였고, polypropylene (PP) 중공사막 막접촉기에 적용해보았다. 물리흡수제 중 propylene carbonate (PC)는 PP 중공사막과 가장 높은 58.3° 접촉각을 보였고, 5 wt% PC를 물과 혼합할 경우 90° 이상의 접촉각이 관찰되었다. 또한 CO2 흡수실험에서 PC/물 혼합 흡수제는 물 흡수량(0.121 mmol/g) 보다 높은 0.148-0.157 mmol/g의 흡수량을 보이며, 막접촉기에 가장 적합한 물리흡수제로 선정되었다. PC/물 혼합 흡수제를 막접촉기에 적용 후 얻어진 CO2 제거율(98.0-97.8%)과 CH4 순도(98.5-98.3%)는 바이오 메 탄으로서 매우 높은 가능성을 보여주었다. 하지만 PC/물 혼합 흡수제의 경우에는 물 흡수제와 비교하여 성능 변화가 매우 미 비하였다. 이는 물보다 우수한 PC 흡수능과 함께 그에 따른 막접촉기 탈기 막 모듈 및 시스템 개선과 공급 유량 조절을 통해 CH4 손실 최소화 등 공정 최적화가 필요한 것으로 분석된다.