본 연구는 가교된 PVA/PAA 막을 이용하여 5와 12wt%를 포함하는 물-이소프로필알코올 계에 대한 투과증발 실험을 60, 70 및 80℃의 조업온도에서 수행하였다. PVA/PAA=75/25 막을 사용했을 경우 공급액의 조성이 물 12wt%에서 투과도 및 선택도가 온도 80℃에서 63g/m2h과 1520을 각각 나타내었으며, 물 5wt%에서는 같은 온도에서 투과도는 56g/m2h을 그리고 선택도는 1563을 얻었다.

폴리아닐린은 ammonium persulfate를 산화제로 하여 IM염산 수용액중에서 산화중합법으로 제조하였다. 탈수소 과정 후, 저분자량의 강산도판트, 및 분자량이 큰 도판트를 사용하여 도핑을 수행하였다. 폴리아닐린의 d-spacing을 3.72Å에서 4.844Å 까지 조절할 수 있었는데, 고분자 또는 분자 크기가 큰 도판트를 찾아서 d-spacing이 폴리아닐린의 base film보다 크도록 조절하였다. 폴리아닐린의 물성은 Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), differential scanning calorimetry (DSC), dielectric analyzer (DEA) 등을 사용하여 측정하였다. 본 연구에서는 annealed film으로 산소와 질소가 각각 0.072, 0.0105 barrer의 투과도를 나타내었으며 선택도는 6.87이었다. 고분자량의 도판트로써 도핑한 폴리아닐린의 기체투과특성은 투과도가 증가하고 선택도는 감소하였다.

PVA의 수산화기와 PAA의 카르복실산기 사이의 반응에 의해 가교구조를 갖는 PAA-PVA 막을 제조하였으며 팽윤실험을 통해 순수물, 순수초산 그리고 이들의 혼합물하에서의 가교막들의 팽윤거동을 각각 살펴보았다. 90wt% 초산 수용액하에서의 팽윤실험에서 막에 PAA함량이 높을때 물의 팽윤거동이 초산보다 더 촉진됨이 관찰되었는데 이는 팽윤과정에서의 각 구성 성분간의 짝짓기(coupling) 결과로 사료되며 또한 막의 팽윤비와 가교밀도는 경쟁적으로 투과물의 투과거동에 서로 상반되게 영향을 끼침이 관찰이 되었다. 온도에 따른 투과속도의 Arrhenius 관계에서 구한 투과활성화에너지를 통해 투과성분의 투과거동을 분석하였다.

본 연구에서는 2축 회전판형 한외여과막 모듈의 순수투과율 예측모델과 1% 절삭유의 분리특성 및 투과율 예측모델을 유도하였다. 2축 RDM은 한외여과막(UOP사, 직경 0.22m)을 씌운 같은 크기의 회전판막 20개를 장착한 후 막간격과 각속도(ω)에 따른 분리특성을 조사하였다. 2축 RDM의 순수 투과율은 각속도가 41.89rad/s에서 9.95% 감소하여서 1축 RDM의 감소율 3.01%보다 높았다. 2축 RDM은 회전판막이 겹친 부분에서 난류의 발생으로 미끄럼 흐름에 의한 압력 강하는 (2.5ωr)2에 비례하였다. 회전판막 간격이 3mm인 J/Jo(절삭유의 투과율/순수 투과율)는 각속도가 31.42rad/s에서 2.62rad/s로 감소할 때 0.64에서 0.31로 감소하였고 간격이 7mm 일 때의 J/Jo는 0.64에서 0.27의 감소하여 비슷한 경향을 보였다. 1축 RDM에 사용된 투과율 예측모델식을 변형하여 유도된 2축 RDM의 모델식은 실험결과와 잘 일치하였다.

In the separation of toluene/n-heptane mixture by the emulsion type liquid membrane in an batch system, the effect of surfactant on the separation factor and membrane stability was studied over the surfactant concentration ranging form 0.1 to 1.5wt％ at the contact time of 5 and 10 minutes. and the settling time of 5 and 10 minutes. The surfactant used was sodium lauryl sulfate. The separation factor reached its maximum value at the surfactant concentration of 0.5wt％ for surfantant. It was found that the percentage of membrane breakup reached its minimum values and the separation factor showed its maximum value at the surfactant concentration of 0.5wt%. which confirmed that efficient separation could be effect when emulsion liquid membrane was stable because of low membrane breakup.

우수한 분획특성을 가지는 친수성 고분자인 poly(acrylonitrile) [PAN]을 막소재로 하여 상전환법(phase inversion method)으로 복합막의 지지층으로 사용될 지지막을 제조하였으며, 한외여과 실험을 통하여 지지막의 특성인 순수 투과도와 분획분자량을 측정하였다. 이 지지막 표면에 poly(acrylic acid) [PAA]를 dip-coating 시켜 열처리한 복합막을 제막하고 에탄올 수용액의 투과증발 분리특성을 고찰하였다. PAN 지지막의 UF 특성은 순수의 투과유속이 0.17~31mm3/m2 · s · Pa , 분획분자량이 42,000~150,000의 막을 얻었다. 복합막의 투과유속과 분리계수는 지지막의 기공구조 변화에 상당한 영향을 받고 있음을 알 수 있으며, 지지층의 분획분자량의 증가에 따라 투과유속은 감소하였고 분리계수는 공급원액의 농도에 따라 약간의 변화를 보였다.

Membrane-based gas separation systems are now widely accepted and employed as unit operation in industrial gas, chemical, and allied industries. Following their successful commercialization in the late seventies to recover hydrogen from ammonia purge gas streams, membrane-based systems have gained acceptance in a wide variety of applications. Numerous systems are in operation today to: recover hydrogen from other purge gas and hydrocarbon streams; adjust the H2/CO ratio in syngas; remove CO2 from natural gas; recover helium; dry gas streams; and separate air. Lower cost, ease of operation, operational flexibility and portability are a few of the reasons membrane-based systems are chosen over absorption and cryogenic-based separations in certain applications.

아미드옥심기와 복합재료 섬유흡착제를 제조하였고 해수로부터 우라늄이온의 분리 특성을 조사하였다. 흡착량은 흡착시간이 증가함에 따라 증가하였고 An:TEGMA:DVB의 몰비가 1:0.1:0.003인 수지가 pH 8 부근에서 최대 흡착능을 나타내었다. 또한 흡착량은 CFA에 첨가한 흡착제의 양이 증가함에 따라 증가하였으며 1시간 까지 선형적으로 증가하였고, 25˚C에서 최대흡착량을 나타내었다. 한편 Ca, Mg 이온은 흡-탈착 cycle이 반복될수록 증가하였으며 그양은 각각 0.3, 0.9mmole/g-Ads로 우라늄 이온의 그것보다 매우 낮았다. 흡착된 우라늄 이온의 탈착은 흡착제의 종류에 관계없이 약 30분 이내에 거의 100% 탈착되었다.

본 연구에서는1축 회전판형 한외여과막 모듈의 순수 투과율 예측모델과 기름 에멀션의 분리 특성 및 투과율 예측모델을 유도하였다. 1축 RDM은 한외여과막(UOP사, 직경 0.22m)으로 제작된 회전판막을 장착하여 25℃ 에서 압력, 각속도(ω ), 농도 변화에 따라 분리특성을 조사하였다. 회전판막의 각속도가 0에서 52.36rad/s로 증가할수록 회전판내 유체가 받는 원심력에 의한 압력 강하와 분리막 표면의 미끄럼 흐름에 의한 압력 강하로 순수 투과율은 최대 각속도에서 3.9% 감소하였다. 원심력과 미끄럼 흐름에 의한 압력 강하는 선속도(ωr )의 자승에 비례하였다. 회전판의 각속도가 52.36에서 2.62rad/s로 감소할 때 5% 절삭유의 투과율은 30.16% 감소하였고 농도가 낮을수록 막회전과 투과율에 미치는 영향은 적었다. 절삭유의 투과율(J; kg/m2ㆍs )은 회전에 의한 압력 강하를 고려한 유효압력차(Delta PT ; Pa), 벌크농도(CB ; %), 선속도(ω r; m/s) 등에 영향을 받으며 실험 결과에 저항 모델을 적용하여 다음과 같은 식을 유도하였다.

기체 막분리공정 기술이 점점 개발되어질수록 막분리의 성능을 이해하려는 필요성이 각 공정에서 증진될 것이며 기체 막분리 성능의 예측능 기술 발전을 위해 계속 시도되어질 것이다. 이러한 추세에 힘입어 현재 석유화학공정 배가스 중 수소를 정제하기 위한 기술 개발을 시도하고 있으며 특히 저농도의 수소를 고농도로 농축시키기 위해 막분리 공정을 적극 검토하고 있다. 본 논문에서 밝혀 본 막분리 공정의 성능 예측과 분석은 향후 공정을 설계하고 제작하는 데 크게 이바지할 뿐만 아니라 석유화학 제반 공정뿐만 아니라 관련 화학공업장치 산업에서 기체 분리를 통한 자원회수와 에너지 절약 측면에서 계속 발전해 나갈 것은 믿어 의심치 않을 것이다.

본 연구는 독성이 매우 강하여 체내에 미량이 흡수되어도 큰 영향을 미치며, 난분해성 물질로서 재래식 방법으로는 잘 제거가 되지 않고 있는 염소계 유기화학물들인 트리클로로에틸렌(TCE)과 퍼클로로에틸렌(PCE)의 효과적인 분리 제거를 위하여 고분자 복합막을 이용한 투과증발법을 적용하여 검토하여 보았다. 고분자 복합막은 염소계 유기화합물에 대한 선택층으로써 폴리이소부틸렌(PIB), 기계적 강도를 높이기 위하여 지지층으로써 부직포위에 코팅된 다공성 폴리에테르술폰으로 구성되었다. 용해도 파라미터차(Δps)를 구한 결과, TCE 및 PCE에 대한 용해도 파라미터차가 물과의 용해도 파라미터차에 비해 훨씬 작음을 알 수 있으며, 이를 통해 폴리이소부틸렌은 염소계 유기화합물에 대한 복합막의 선택층 소재로 사용하기에 적합함을 알 수 있다. 투과증발법을 이용하여 TCE 및 PCE의 분리를 실시한 결과, 폴리이소부틸렌 복합막의 경우 TCE 및 PCE의 선택적 분리에 적합함을 알 수 있으며, TCE 보다 PCE의 선택적 제거에 더 적합함을 알 수 있었다.

35℃에서 polydimethytsiloxane(PDMS)막에 의한 이소프로판올수용액의 투과증발실험을 행하여 이소프로판올의 부피분율이 0.5~0.7범위에서 이상적인 투과속도로부터 가장 크게 벗어났다. 이소프로판올의 가소화 영향은 물의 투과를 증가시키는 데 비하여 물의 존재는 이소프로판올의 투과를 감소시키는 경향을 나타내었다. 혼합물에서 농도에 의존하는 확산계수를 Vignes식으로 나타내고, Flory-Huggins열역학과 Maxwell-Stefan식을 이용하여 투과속도와 선택도를 예측하였다. 이소프로판올과 물 사이의 Flory-Huggins상호작용계수는 과잉Gibbs에너지를 이용하여 계산하였으며 각 액체 성분과 고분자 사이의 상호작용계수는 평행팽윤 실험에 의하여 결정하였다. 이론적으로 예측한 투과속도는 35%이내의 오차범위에서 실험값과 일치하였으며, 투과선택도는 전 농도 범위에서 실험값과 이론값이 잘 일치하였다.]

해수로 부터 우라늄 분리를 위한 아미드옥심형 섬유복합재료 흡착제를 제조하였고, IR, 팽윤도 실험, CHN 원소분석, SEM 및 흡착능 실험을 통하여 그 특성을 알아보았다. AN-TEGMA 및 AN-TEGMA-DVB 공중합체의 팽윤율과 수율은 가교제의 함량이 증가할 수록 감소하였으며, 수율은 AN-TEGMA 공중합체의 경우 85-92%였고 AN-TEGMA-DVB 공중합체는 82-88%였다. 다공도도가교체의 함량이 증가할 수록 감소하였으며 AN-TEGMA-DVB 공중합체가 AN-TEGMA 공중합체보다 작았다. 또한 전자현미경 관찰 결과 제조한 섬유 복합재료 흡착제의 표면에 흡착제가 고루 분포되어 있는 것을 확인하였고, 흡착제의 최적 첨가량은 40wt%이었다. 섬유복합재료 흡착제의 우라늄 흡착량은 pH 8 부근에서 최대 였으며, 해수의 pH가 8.3임을 감안할 때 해수 우라늄 분리에 적합한 소재 임을 알 수 있었다.

폴리스티렌과 싸이클로헥산 용액으로부터 제조된 멤브레인의 미세구조 형성에 미치는 coarsening의 효과를 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 연구하였다. 고분자 용액의 열 분석은 DSC를 이용하여 행하여졌으며 demixing peak의 개시 온도로부터 binodal 곡선이 결정되었다. 열적으로 유도된 상 분리(TIPS) 공정과 freeze drying 기법을 이용하여 제조된 고분자 막의 미세 구조는 coarsening 시간과 quench 경로에 의해 큰 영향을 받음이 확인되었다. Spinodal decomposition이 상 분리 기구인 경우에는 멤브레인의 미세구조가 서로 잘 연결되고 거의 일정한 cell 크기를 갖게 되며, 용매를 제거하기 이전에 상 분리 시간을 증가시킴으로써 멤브레인의 pore 크기를 증가시킬 수 있음이 판명되었다. 또한 멤브레인의 cell 또는 pore 크기 증가는 coarsening time과 quench depth에 크게 의존함이 확인되었다. 본 연구에서는 특히 고분자 용액의 농도가 이로부터 제조되는 고분자 막의 구조에 미치는 역할을 규명하였다.

NaCl과 sucrose 용액을 역삼투용 워난틀형 모듈에 공겁하여 투과실험하였으며 Kimura-Sourirajan[8]이 제안한 방법으로 분리성능을 분석하였다. 사용한 분리막의 순수투과계수는 압력에 무관하게 2.17 × 10-6 (gmol/cm2 -sec-bar)로 일정하게 유지되었다. Sucrose 용액의 농도분극화 현상은 NaCl 용액보다 심각하였으며 40bar 이상에서는 압력이 증가함에 따라서 오히려 투과선속이 감소하였다. 용질 배제율은 NaCl 수용액의 경우 압력이 증가함에 따라서 감소하였으나 sucrose 수용액의 경우는 압력에 따라서 배제율도 증가하였다.

내부산의 탈거제로 탄산나트륨을 함유하는 유화액막의 거동을 묘사하기 위하여 수학적 모델이 제시되었다. 젖산의 회분식 추출 실험 결과가 모델의 계산 결과와 비교되었는데, 모델의 계산 결과는 담체농도, 탈거제농도, 교반속도, 처리비와 같은 변수의 영향을 잘 예측할 수 있었다. 유화액막의 주요 문제 중의 하나인 에멀젼의 팽윤을 줄이기 위하여, 액체 파라핀, n-데칸올, 사이클로헥사논, 스판-85 같은 막 첨가제가 사용되었다. 사용된 모든 첨가제는 팽윤 정도를 줄이는데 어느 정도 효과가 있었다. 사이클로헥사논은 팽윤을 줄일 뿐만 아니라, 젖산의 전달 속도를 크게 증가시키는 것으로 관찰되었다.

이산화탄소를 포함하는 기체혼합물의 분리를 위해 액체막을 기반으로 하여 관련된 많은 연구가 시도되어 왔다. 폐가스로부터 이산화탄소를 분리하기 위해 본 연구에서는, 흡수제(absorbent)가 흡수(absoption)모듈과 전공조작식 탈착(desorption)모듈간을 계속 순환하는, 보다 개선된 형식의 순환식 중공사 막흡수기(circulatory HFMA)를 새로이 구성하고 분리성능에 관한 기초적인 해석을 하였다. 기-액 물질전달 모델식에 수치해를 적용하여 중공사 막 내부에서의 액상에 대한 농도분포를 정량적으로 예측하였고, 순환하는 흡수제의 유속에 따른 투과플럭스와 선택도의 변화거동을 살펴보았다. CO2/N2 원료혼합기체와 흡수제로서 반응이 없는 순수(pure water)에 대해 계산을 수행하였다. 결과로 흡수제의 유량이 증가함에 따라 투과플럭스는 증가하는 반면에 종전 방식에 비해 졸은 값을 나타낸 선택도의 경우는 점차 감소하였다. 한편 투과플럭스는 진공조작변수인 탈착모듈에서의 기상압력(p4 )에 크게 좌우됨을 보았다. 기존의 평판형 막모듈과의 비교로부터 예상했던 바와 같이 본 연구에서의 중공사 막모듈이 우수한 투과율을 나타냄을 확인할 수 있었다. Circulatory HFMA의 실제 설계를 위한 기초해석이 본 연구가 갖는 의의이다.

본 연구에서는 hollow fiber 막모듈을 통한 순수 CH4, CO2 기체와 CH4/CO2혼합기체의 투과 특성을 살펴 보고, 이를 모사값과 비교하여 보았다. 순수 기체의 투고율은 온도에 따라 Arrhenius type으로 증가하였으며, 활성화에너지는 CO2는 6.61kJ/mol, CH4는 25.26kJ/mol로 나타났다. 혼합기체의 투과에 있어서 투과부의 유량과 CO2 조성, 그리고 배제부의 CH4조성은 cut의 증가에 따라 증가하였다. 분리인자는 5~20atm의 압력과 cut이 20으로 고정된 상태에서 20~40의 범위에 있었으며, 압력이 증가하고 온도가 감소할수록 증가하는 경향을 나타내었다. 실험결과와 모사결과는 투과부 유량과 CO2조성의 경우 8% 이내에서, 배제부의 CH4조성의 경우 15% 이내에서 일치하였다.

본 연구에서는 전기투석법을 이용하여 아미노산 수용액중에 존재하는 전해질인 무기염의 분리 정제에 관하여 고찰하였다. 생물 분리기술로서 아미노산의 등전위점을 이용한 전기투석법의 적합성을 검토하기 위하여 음이온교환막, NEOSEPTA AM1(Tokuyama Soda Co. Ltd., Japan)과 양이온교환막 CM1 (Tokuyama Soda Co. Ltd., Japan)막을 사용한 전기투석조를 설계하였고 아미노산 발효공정과 유사한 계를 만들어서 무기염인 NaCl의 분리실험을 하였다. 즉, 운전조건을 설정하기 위해 pH에 따른 아미노산의 누설량, 한계전류 밀도를 측정한 후, 이를 바탕으로 회분식과 연속식 실험으로 염의 제거량과 아미노산의 누설량을 정량적으로 고찰하고 전류효율을 구하였다. 회분식 장치에서 아미노산 수용액별로 11시간동안 운전한 결과 NaCl의 제거효율은 96.1~96.2%이었고, 아미노산의 누설율은 glycine의 경우 2.5%, methionine의 경우 1.7%, alanine의 겨우 2.0%이었으며, 전류효율은 44.5~44.6% 범위이었다. 연속식 장치에서는 아미노산 수용액별로 dilution rate을 1.0~3.9h-1로 변화시켜 실험한 결과, 120~150분 사이에 정상상태에 도달하였고, 유속이 작을수록 염의 제거 효율은 증가하였으나 전류효율은 감소하였다. 이때 아미노산의 누설은 거의 없었다.