CO2 분리막 기술은 화학 유해 물질 사용·배출이 없는 친환경 기술로, 규모나 위치, 적용처별 사업 다각화가 가능한 기술이다. 전력연구원에서는 저비용 분리막 대량 생산 기술을 확보하고, 적층 방식의 분리막 모듈 상용화를 추진 중에 있다. Lab-scale의 분리 모듈의 성능 평가 결과를 기반으로 96% 순도, 90% 포집률을 동시달성하는 분리막 공정의 설계를 완료하였다. 현재 ’17년 8월 준공을 목표로 세계 최대 규모인 1MW급 CO2 분리막 테스트 베드를 당진 화력에 건설진행 중이다.

The graft copolymer consisting of poly(vinyl chloride)-graft-poly(oxyethylene methacrylate) (PVC-g-POEM) was synthesized via atom transfer radical polymerization (ATRP) with a copper/ligand complex that functions as a reaction catalyst. Mesoporous perovskite with a high porosity and interfacial properties were synthesized via a solvothermal reaction using PVC-g-POEM as a structure-directing agent. A PVC-g-POEM graft copolymer with a worm-like morphology was utilized as a soft matrix to prepare a mixed matrix membrane (MMM) with mesoporous perovskite through a solution-casting method. The MMM with MgTiO3 25wt% exhibited a CO2 permeability improvement of 140% up to 138.7 Barrer without a large loss of CO2/N2 selectivity. Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT-PSS) is a widely used conductive polymer in various electronic devices. We also reported the first use of PEDOT-PSS to enhance CO2 capture performance of all-polymeric membranes.

CCS(CO2 capture and storage)는 발전소 등 고정배출원에서 CO2를 포집하고, 수송 및 저장하는 기술이다. 특히, 아민 흡수법은 CO2 포집 기술 중 가장 널리 알려진 공정이다. 하지만 큰 규모의 장치와 높은 재생에너지를 필요로 하는 문제점이 제기되고 있다. 따라서 기존 흡수 공정보다 고효율의 접촉막 연구가 주목받고 있다. 본 연구에서는 화학적, 열적 안정성이 뛰어난 세라믹 소재의 중공사막을 제조하였으며 SEM, 기체투과 특성 등을 분석하였다. 또한 이를 모듈화하여 아민흡수제를 이용한 CO2 흡수 실험을 수행하였다.

본 연구는 둘 이상의 기체혼합물에서 높은 이산화탄소 분리성능을 목적으로 하는 복합막의 제조이며 지지체 위에 실리콘 코팅을 하여 SEM 사진으로 복합 막의 코팅층 확인 및 Bubble flowmeter로 기체투과 성능을 조사하였다. 코팅제 는 Isocyanate와 Si-PEG, 소량의 촉매를 사용하여 지지체 위에 코팅하였고 고온에서 가교과정을 거친 후 복합막을 제조하였다. 코팅층은 3 um 이하로 고른 분포를 보이고, 50 GPU의 이산화탄소 투과값과 질소에 대한 이산화탄소 선택도 는 15의 결과를 보였다. 또한 코팅 방법과 코팅제의 조성을 다양하게 하여 각각의 기체 (N2, O2, CO2) 투과 성능을 확인 하였다.

이산화탄소를 분리하기 위한 한 방법으로 고분자 기체 분리막을 이용한 기술이 발전하고 있다. 다양한 폴리머 멤브레인 재료 중에서도 폴리이미드(PI) 는 우 수한 열 및 기계적 특성, 좋은 화학적 안정성과 높은 가스 수송 특성을 가지고 있다. 하지만 고분자 분리막은 아직 낮은 투과, 선택성을 가지고 있기 때문에 이를 높이기 위해 많은 연구가 이루어지고 있다. 한편 고무상 고분자인 폴리에 틸렌글리콜 (PEG)은 이산화탄소에 대한 높은 친화성으로 우수한 이산화탄소 분리성능을 가지고 있다. 이에 본 연구에서는 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.

The carbon capture and storage (CCS) technology from industrial flue-gas has been an important environmental issue in these days. However, membrane process has a number of breakthrough-point to commercialization in scale-up. In this work, process optimization for high purity and high CO2 recovery with lower the capture cost has been investigated. Lab-made membrane pilot process using real flue gas has been also set up to derive industrial factor.

분리막 공정은 압력장치에 사용되는 전기 사용량이 많아 이를 줄이기 위한 다양한 공정 옵션이 연구되고 있다. 본 연구에서는 분리막 공정에서 막 모듈에 sweeping 기체를 permeate에 불어넣어 모듈의 구동력을 증가시키는 방법으로, 특별한 공정 장치 추가 없이도, 효율적인 CO2 분리가 되는 공정을 연구하였다. 분리막 공정은 주요 장치비용(분리막, 압축기 등)과 운영비용(전기, 스팀)을 평가 하였다. MATLABⓇ에서 분리막 모델을 개발하었으며, 분리막 공정에 가능한 모 든 구조들을 초구조로 경제성 평가 모델을 기준으로 평가되었다. 본 연구는 2014년도 정부(미래창조과학부)의 재원으로 (재)한국이산화탄소포집 및 처리연구개발센터의 지원을 받아 수행된 연구임(2014M1A8A1049305).

접촉막은 기존 흡수 공정과 분리막의 장점을 결합한 하이브리드 공정으로써, 고효율-저에너지 공정으로 주목받고 있다. 접촉막에 사용되는 분리막은 물질전달 저항을 최소화하기 위하여 높은 소수성과 기공도가 확보되어야하며, 화학 흡수제에 대한 내성이 필요하다. 따라서, 본 연구에서는 화학적, 열적 안정성이 뛰어난 세라믹 소재의 중공사막 제조하고, 소수성으로 개질하여 모듈화하였다. 또한, 세라믹 중공사막 모듈을 이용하여 CO2 흡수 성능을 평가하고 분석하였다.

본 연구는 둘 이상의 기체혼합물에서 높은 이산화탄소 분리성능을 목적으로 하는 복합막의 제조이며 지지체 위에 실리콘 코팅을 하여 SEM 사진으로 복합 막의 코팅층 확인 및 Bubble flowmeter로 기체투과 성능을 조사하였다. 코팅제는 Isocyanate와 Si-PEG, 소량의 촉매를 사용하여 지지체 위에 코팅하였고 고온 에서 가교과정을 거친 후 복합막을 제조 하였다. 코팅층은 3 μm 이하로 고른 분포를 보이고, 50 GPU의 이산화탄소 투과값과 질소에 대한 이산화탄소 선택도 는 15의 결과를 보였다. 또한 코팅 방법과 코팅제의 조성을 다양하게 하여 각각 의 기체(N2, O2, CO2) 투과 성능을 확인하였다.

CO2 포집을 위한 아민 흡수 공정은 현재 가장 상용화에 근접한 기술로 알려져 있다. 하지만 흡수탑 장치의 규모가 크고, 흡수제 재생을 위한 에너지가 과다하게 필요로 한다는 문제점이 제기되고 있다. 이러한 문제를 해결하고, 기존 공정에 비해 고효율-저에너지 기술인 접촉 분리막 공정의 연구가 주목받고 있 다. 본 연구에서는 화학적, 열적 안정성이 높은 세라믹 소재를 이용하여 중공사 막을 제조하고, 이를 모듈화하여 기-액 접촉 분리막 공정에 적용한 실험을 수행 하였다.

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.

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.

The carbon capture and storage (CCS) technology from industrial flue-gas is an important environmental issue these days. Membrane process can be competitive technology for its relatively small footprint and eco-friendly system. Many membrane modules with high selectivity and excellent flux have been developed so far. However, the high purity and recovery for CO2 capture can be achieved by optimization of operating conditions such as membrane area, feed/permeate pressure ratio and humidity of flue gas as well as membrane permeance or selectivity. In this study, we discuss the effect of operating parameters for high CO2 purity and recovery at permeate side. Using polymeric hollow fiber membrane, the single membrane process was tested to figure out the effect of feed flow rate, pressure ratio, membrane area and moisture content.

As recognized by all scientific and industrial groups, carbon dioxide(CO2) capture and storage(CCS) could play an important role in reducing greenhouse gas emissions. Especially carbon capture technology by dry sorbent is considered as a most energy-efficient method among the existing CCS technologies. Patent analysis has been considered to be a necessary step for identifying technological trend and planning technology strategies. This paper is aimed at identifying evolving technology trend and key indicators of dry sorbent from the objective information of patents. And technology map of key patents is also presented. In this study the patents applied in korea, japan, china, canada, US, EU from 1993 to 2013 are analyzed. The result of patent analysis could be used for R&D and policy making of domestic CCS industry.

산업화로 인한 온실가스의 발생량이 증가 하면서 지속적인 온실가스 감축노력이 이루어 지고 있다. 그 중 CO2는 대표적인 온실가스로 세계 기후변화 협약 등에 의한 규제가 요구 되고 있으며 CO2를 분리 회수 및 저장(Carbon Capture and Storage : CCS)기술의 중요성이 커지고 있다. 연소 후 포집기술에는 흡착법, 흡수법, 분리막법 등이 있으며 그 중 분리막법은 CO2 포집 단가 및 플랜트 비용면에서 잠재성이 크다. 본 연구에서는 PES 중공사막을 이용하여 CO2 순도회수율 90%을 목표로 이산화탄소 분리기술을 연구 하였으며 전산모사를 통한 분리막 공정을 설계하였다.

Carbon aerogel is a porous carbon material possessing high porosity and high specific surface area. Nitrogen doping reduced the specific surface area and micropores, but it furnished basic sites to improve the CO2 selectivity. In this work, N-doped carbon aerogels were prepared with different ratios of resorcinol/melamine by using the sol-gel method. The morphological properties were characterized by scanning electron microscopy (SEM). Nitrogen content was studied by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and the specific surface area and micropore volume were analyzed by N2 adsorption-desorption isotherms at 77 K. The CO2 adsorption capacity was investigated by CO2 adsorption-desorption isotherms at 298 K and 1 bar. Melamine containing N-doped CAs showed a high nitrogen content (5.54 wt.%). The prepared N-doped CAs exhibited a high CO2 capture capacity of 118.77 mg/g (at resorcinol/melamine = 1:0.3). Therefore, we confirmed that the CO2 adsorption capacity was strongly affected by the nitrogen moieties.

본 연구의 목적은 활성탄의 CO2 흡착능을 향상시키기 위하여 화학적 전처리 방법을 개발하는 것이다. 다양한 방법과 이론이 존재하지만 이번 연구에서는 아미노화와 분해를 비교하여 흡착능을 비교하기로 하였다. 본 연구에서는 4가지 유형의 활성탄 입자를 원료 물질과 크기에 따라 준비하였고, 수산화칼륨으로 전처리하여 열처리 및 아민화과정을 거 친 후, CO2 흡착능을 비교 평가하였다. 실험결과, 단순 열처리과정만 적용할 때는 600℃ 가 가장 우수하였고, 800℃에서 아민화시킨 시료가 1.4 mmol/g의 가장 좋은 흡착능을 보 였다. 400～600℃에서 아민화를 시킨 시료는 처리온도와 비례하는 선택도를 보여주었다. 분해시간 또한 흡착능과 정비례하는 관계가 나타났다.

The advanced method for CO2capture is currently one of the most important environmental issues in worldwide and it is therefore necessary to have available technologies, which minimize the discharge of CO2 including Carbon-14 from nuclear facilities into the atmosphere. A key aspect of this work is to provide the technically principal data required to improve a CO2 removal system for the utilization of regenerative sorbent use, specifically include suggestions regarding its modified column design (parallel dual-bed assembly), stop-restart operation and the economic feasibility of sorbent use. The removal performance of soda lime and the effects of relative humidity (RH) and packing bed-depth (BD) on CO2 removal were investigated. In a single-bed, it revealed that the utilization of soda lime for CO2 removal at line velocity of 13 cm/sec and bed depth of 12 cm increased with the increased relative humidity up to 85%. However, in the parallel dual-bed assembly applied with the stop-restart operation, a maximum utilization rate of soda lime for CO2 removal was obtained even at 55% of RH and 8 cm of BD, specifically the utilization rate of soda lime by using this CO2 removal assembly was about two-fold superior to that in a single-bed.

이산화탄소는 주요 온실가스이며 의심할 여지없이 지구 온난화의 주범이다. 대기의 이산화탄소는 대부분 전기 발전에 사용되는 화석 연료의 연소에 의해 고농도화 되는데, 기후 변화의 억제를 위해서는 대기로부터 이산화탄소를 포획 및 격리가 필수적이다. 한편, 발전소의 소각재는 전기 수요가 증가함에 따라 지속적으로 증가할 것으로 예상된다. 소각재의 증가에 따라 소각재를 활용한 폐기물 자원순환에 관한 관심이 증가하고 있다. 일반적으로 순환 유동층 연소 방법에서는 탈황반응을 위하여 석회석을 인위적으로 첨가하게 되는데, 이 경우, 탈황 반응에 관여하지 않는 잉여 성분은 소각재 중에 CaO 화합물의 형태로 존재한다. CaO와 이산화탄소의 가역적인 반응은 이산화탄소를 제거하는 매우 유망한 방법이다. 특히 상온 상압에서 이루어지기 때문에 매우 경제적이라 할 수 있다. 현재 이와 같은 반응을 토대로 소각재를 이산화탄소와 반응시켜 복합탄산염으로 제조하여 시멘트의 원료로 사용하는 연구가 많이 진행되고 있다. 그러나 대부분의 연구는 다량의 물을 사용하기 때문에 취급이 어렵고, 건조를 위해 많은 에너지가 소모 되는 문제점이 있다. 본 연구에서는 에너지 고효율 공정을 위하여 반건식 복합탄산염 제조를 연구하였으며, 정량분석을 통해 수분의 양이 발전소 소각재의 이산화탄소 포집 특성에 미치는 영향을 연구하였다.