멤브레인 드라이어는 일부의 공기와 수증기만을 상변화 없이 회수하는 기술로서 건조공정에 적용할 경우 타 제습기술 대비하여 폐열회수율을 높이고 에너지 사용율을 저감할 수 있는 기술이다. 멤브레인 드라이어의 성능은 기체분리막 의 특징에 따라 크게 달라지는데, 기체분리막은 선택도와 투과도에 Trade-off관 계가 있어 선택도가 높아지면 투과도가 낮아진다. 따라서 본 연구에서는 건조공 정에 멤브레인 드라이어를 적용하기 위한 기초 테스트로 선택도가 다른 2종의 막을 선정하여 멤브레인 드라이어의 성능을 관찰하였다. 그 결과, 선택도가 높 은 기체분리막을 사용한 경우 에어 회수율은 증가하였지만 수분제거 성능은 하락하였다. 따라서 건조공정에 적용하기 위해선 적절한 선택도를 가진 기체분리 막을 선택해야 한다.

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.

기체분리막의 기체의 투과거동은 대부분 실험적으로 계획되고 실험이나 이론 만으로 검증을 하는 수준에 머무르고 있다가, 최근에 들어서 분자동력학적인 모 사방법(Molecular Dyanmic Simulation)을 이용하여 고분자의 거동, 기체분자의 거동을 컴퓨터를 이용하여 분자수준에서 모사하고 이해하고자 하는 노기체의 확산계수와 비교를 통하여 확산거동에 대한 이해를 높이고자 시도하 였으며, 기체확산계수가 관능기 력들을 기울이고 있으며, 실험적인 결과들과 모사결과를 비교하여 고분자의 설계나 기체분자의 거동의 이해를 하는데 기여를 하고 있다. 본 연구에서는 기체분리막 으로서 사용이 되는 폴리이미드나 폴리벤즈옥사졸같은 탄화수소계 고분자분리 막의 기체 분자의 투과거동을 모사하고자 하였다. PEG를 포함하는 폴리이미드 공중합체에서 폴리에틸렌 부분과 같은 관능기그룹의 밀도로 확산계수를 계산하여 그룹이 많은 부분에서 증가하는 것을 확인하였고, 이는 기체투과 테스트의 실험데이터와 거의 일치하였다.

올레핀/파라핀 혼합 기체의 분리를 위한 올레핀 촉진 수송 분리막의 제조를 위해 amide 작용기를 가지며 glassy한 특성을 보이는 polyvinylpyrrolidone (PVP) 고분자를 분리막의 matrix로서 사용하였다. 분리막의 기체 투과 실험은 propylene 과 propane 50 : 50의 부피비로 혼합된 기체를 사용하였고, bubble meter와 gas chromatography를 사용해 투과도와 선택도를 측정하였다. 또한 SEM image와 FT-IR을 통해 막의 특성을 조사하였다. 100시간의 장시간 성능 측정 결과 선택도는 약 15, 투과도는 약 1.3 GPU 이상을 각각 유지하였다. 기존의 poly(2-ethyl-2-oxazoline) (POZ)/AgBF4/Al(NO3)3 분리막과 비교함으 로써, 고분자 matrix로서의 PVP 특성을 확인하였다.

본 연구에서는 높은 이산화탄소 분리성능을 가지는 폴리이미드의 제조를 위해 2,2-bis(3,4-carboxylphenyl) hexafluoropropane과 두종류의 아민인 2,3,5,6-tetramethyl-1,4-phenylenediamine, Poly(ethylene glycol) bis(3-aminopropyl) terminated을 이용하여 합성을 진행하였다. 합성된 고분자를 비용매 상전이법으로 비대칭 분리막을 제조하기 위하여 고분자의 용 해도 지수 추정 값과 비용매 상전이 계수 측정을 통해 용매를 선정하였고, 고분자 용액 점도 측정을 통해 분리막 제조를 위 한 도프용액 중의 고분자의 함량을 결정하여 질산리튬을 첨가제로 사용하여 최종적으로 분리막을 제조하였다. 제조된 평판형 비대칭 분리막은 전자주사현미경(SEM)을 통해 질산리튬과 휘발성 용매 함량에 변화에 따른 모폴로지의 변화를 확인하였으 며, 이의 변화에 따른 기체 투과도 변화를 확인하였다. 분리막 제조를 위한 도프용액 중의 휘발성 용매 함량이 작을수록 선택 도 변화가 없으면서 이산화탄소 투과도가 증가하는 것을 확인하였다.

최근 에너지 효율이 높은 분리 공정기술의 수요가 증가하면서 분리막을 이용한 기체 분리가 큰 관심을 모으고 있다. 현재 분리막에 의한 기체 분리 시장은 고분자막이 독점하고 있으며, 고분자 재료 물성의 한계로 탄화수소와 같은 응축 기체분리보다는 비응축 기체 분리에 제한되고 있다. MOF 재료는 금속 이온과 유기 리간드가 결합하여 형성하는 결정성 나노 기공 구조로, 높은 비표면적과 기공 구조 제어, 기능성 부여가 가능해 분리막 재료로 큰 관심을 끌고 있다. 본 총설에서는 다양한 MOF 분리막의 합성 방법과 MOF 분리막을 통한 기체 분리 응용에 대해 살펴보고자 한다.

MOF는 큰 비표면적과 조절 가능한 기공구조로 요즘 분리막 소재로 큰 관심을 받고 있다. ZIF-8은 MOF의 일종으로 높은 화학적 열적 안정성으로 최근 많은 연구가 진행되고 있다. ZIF-8 나노기공의 다공성 물질로 Zn이온이 2-메틸이미다졸로 연결되어 있는 유-무기 하이브리드 구조를 가진다. 본 연구에서는 디스크 모양의 α–알루미나 지지체 위에 in situ 방법으로 잘 상호 성장한 ZIF-8 분리막을 합성했다. In situ 방법은 오토클레이브 내에 지지체와 전구체 용액을 넣고 용매열 합성법으로 막을 합성하는 방법이다. 합성시간을 조절하여 막의 두께를 조절했고, 두께 변화에 따른 H2/CO2 기체 투과 특성을 조사했다. 합성된 ZIF-8 분리막은 XRD와 SEM를 통해 결정 및 표면, 두께 분석했다.

이산화탄소를 분리하기 위한 한 방법으로 고분자 기체 분리막을 이용한 기술이 발전하고 있다. 다양한 폴리머 막 재료 중에서도 폴리이미드(PI) 는 우수한 열 및 기계적 특성, 좋은 화학적 안정성과 높은 가스 수송 특성 을 가지고 있다. 하지만 고분자 분리막은 아직 낮은 투과, 선택성을 가지고 있기 때문에 이를 높이기 위해 많은 연구가 이루어지고 있다. 한편 고무상 고분자인 폴리에틸렌글리콜 (PEG)은 이산화탄소에 대한 높은 친화성으로 우수한 이산화탄소 분리성능을 가지고 있다. 본 연구에서는 높은 자유 체적을 가지는 durene group을 포함한 PI과 PEG를 공중합 시켜 높은 물성과 이산화탄소 분리성능을 가지는 분리막을 제조하였다.

본 연구는 둘 이상의 기체혼합물에서 높은 이산화탄소 분리성능을 위해 Poly(ethylene glycol)로 개질된 Graft copolymer로 film을 제조 하였다. 높은 기체 선택성을 가져 분리막으로 널리 사용되는 Polysulfone을 클로로메틸화하고, 구조적으로 이산화탄소에 높은 친화성을 가지는 Poly(ethylene glycol)을 사용하였다. 분자량이 5000인 Poly ethylene glycol을 사용하였고 합성된 공중합체는 TGA와 DSC로 고분자의 열적특성을 확인하고 FT-IR 과 1H-NMR을 이용하여 화학구조를 분석하였다. Time lag 기계를 사용하여 Film의 기체투과 성능을 조사하였으며, Poly(ethylene glycol)의 분자량에 따른 효과를 알아보았다.

본 연구에서는 bulky하면서 큰 자유체적을 가지는 플루오렌기를 도입하여 새로운 폴리술폰(PSf)고분자를 합성하고 해당 고분자에 PEG를 공중합시켜 분리막을 제조하였다. PEG 특성 피크 (2950 cm−1,1110cm−1)의 확인을 통해 PEG가 도입을 확인하였으며. PSf-PEG 분리막이 단일 유리전이온도를 가지는 것을 확인 하였다. 분자량 6000 PEG가 10 mol%가 포함된 PSf-PEG분리막에서만 60 °C 부근에서 용융점이 나타났다. PSf-PEG 분리막의 CO2기체투과도는 PEG함량에 따라 감소하는 거동을 보였지만 CO2/N2선택도는 증가하는 경향을 보였다. 비슷한 함량에서 PEG의 분자량이 증가함에 따라 CO2투과도는 증가하는 경향을 보였다.

가교는 사슬 간격과 사슬 내 외부의 유동성을 감소시켜 분리막의 선택도, 내화학성 등을 증가시키는 것 과 같이 기체분리막의 성능을 향상시키기 위한 여러 방법 중 하나이다. 본 연구에서는 지방족 가교제 중 선형가교제를 사용하여 폴리이미드 분리막의 기체 분리 성능을 높이고자 하였고, 선형가교제의 알킬 길이에 따른 영향 또한 비교 분석 하였다. 가교 여부는 이미드 그룹의 특성피크 증가와 이미드 그룹의 특성피크 감소를 통해 확인하였다. 기체분리특성은 CH4, N2, O2, CO2 단일 기체에 대해서 측정하였으며 가교제 및 가교도에 관계없이 가교 후 기체의 확산 감소로 인해 네 기체 모두 투과도가 감소하였다. 반면 CO2/CH4, O2/N2 기체상의 선택도는 가교 전보다 향상된 결과를 나타내는 것을 확인하였다.

고분자 분리막을 통한 기체 분리는 기체의 용해 및 확산으로 진행되며 따라서 기체 분리 성능은 기체의 용해도 또는 확산도에 좌우된다. 이산화탄소와 같은 극성 기체의 용해도를 향상시키기 위해 acylation, bromination, sulfonation과 같은 화학적 개질을 통한 연구들이 진행되었으며 또한 술폰산기를 가지는 고분자에 금속이온을 치환시켜 이산화탄소 선택도를 증가시킨 연구가 보고되었다. 본 연구에서는 biphenol기와 fluorene기를 가지는 Sulfonated Poly(arylene ehter sulfone) (SPAES) 고분자 분리막을 제조하였으며 술폰화 정도와 치환된 극성 그룹의 종류에 따른 기체투과특성을 알아보고자 하였다.

In this study, novel mixed matrix membranes (MMMs) with hollow zeolite imidazole frameworks (H_ZIF-8) were introduced with regard to CO2/CH4 gas separation. H_ZIF-8 nanoparticles (low density and large BET surface area) and amphiphilic PVC-g-POEM (poly(vinyl chloride)-g-poly(oxyethylene methacrylate)) graft copolymer showed good interfacial properties and uniform distribution, which resulted in improved gas permeation properties interacted with PVC-g-POEM by secondary bonding interactions. Two Tg values expressed the glassy PVC chains and the rubbery POEM chains, suggesting that the copolymer had a well-defined and microphase-separated structure. We observed that H_ZIF-8 interrupted the mobility of polymer chain, contributing to the increased Tg, was dispersed homogeneously in the coopolymer matrix without noticable aggregation.

분리막의 기체에 대한 선택투과성을 이용하여 혼합 가스 또는 유기증기 중의 특정성분을 분리하는 방법이 기체분리막 법이다. 최초로 실용화 된 것은 비대칭막이 개발되고 충분히 기체 투과량이 확보된 최근의 일이다. 기체분리막법의 최초 응용은 수소회수였으며, 최근에는 질소 분리, 제습, 산소농축, 메탄농축 등에 적용되고 있다. 최근 들어 기체분리막 공정은 천연가스, 비전통 가스, 바이오가스의 분리 정제 등에 적용되며. 에너지 분야로 응용이 확대되어가고 있다. 에너지 분야는 혹독한 운전조건, 높은 신뢰성을 요구 하는 분야이기 때문에 분리막에 대한 요구도가 높은 분야이다. 따라서 분리막의 신뢰성을 확보하기 위한 노력이 필요하다. 본 강연에서는 향후 분리막의 에너지 산업응용과 기체분리막의 해결과제에 대한 언급을 한다.

Gas separation is one of the major chemical processes to manufacture petrochemicals and to recover the valuable chemicals from mixtures. However, the conventional gas separation processes requires enormous energy consumption and high costs. Membrane-based gas separation has been a major separation technology for various applications including natural gas sweetening, nitrogen generation, olefin/paraffin separation, CO2 capture, and biogas upgrading, etc. Most commercial gas separation membranes have been prepared using polymeric materials (e.g. cellulose acetate, polyimide, polyamideimide, polysulfone, and poly(dimethyl siloxane)(PDMS), etc.) as the form of hollow fiber membrane or thin film composite (TFC). In this presentation, polymeric gas separation membranes will be briefly introduced in terms of materials and fabrication methods.

새로운 구조를 가진 공중합체 폴리이미드를 이용하여 고투과, 고선택성 기체 분리막을 제조하였다. 기체투과도와 용해도를 높이기 위해 무수물인 2,2-bis(3,4-carboxylphenyl) hexafluoropropane과 두 종류의 아민인 2,4,6-Trimethyl-1,3-phenylenediamine과 4,4-Methylenedianiline을 사용하여 신규 폴리이미드를 합성하였다. Triethylamine과 Acetic anhydride를 사용하여 화학적 이미드화 방법으로 공중합체를 합성하였으며, 평균분자량은 100,000 g/mol 이상을 나타내었다. 합성된 고분자의 열적 특성을 분석을 하기 위해 시차주사열량계(DSC)와 열중량분석기(TGA)로 측정을 하였으며, 유리전이온도(Tg)는 300°C, 열분해 온도는 500°C가 넘는 뛰어난 내열성을 나타내었다. 기체투과도 특성은 time-lag 장비를 사용하였으며 그 결과, 일반적인 폴리이미드의 경우 대부분 기체투과도가 1 barrer 이하의 수치를 보이지만, 합성된 고분자의 경우 산소투과도 10.10 barrer과 산소/질소 선택도의 경우 5.3으로 고투과, 고선택도를 나타내어 기체 분리막 분야에 적용 가능성을 확인할 수 있었다. 합성된 고분자 중 기체투과특성이 더 우수한 공중합 폴리이미드를 사용하여 중공사를 제조하였고, 이를 이용하여 기체투과특성을 측정하였다.

이산화탄소를 분리하기 위한 한 방법으로 고분자 기체 분리막을 이용한 기술이 발전하고 있다. 다양한 폴리머 막 재료 중에서도 폴리이미드(PI) 는 우수한 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 폴리에틸렌글리콜 (PEG)은 이산화탄소에 대한 높은 친화성으로 우수한 이산화탄소 분리성능을 가지고 있다. 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 확인하였다.

기체분리막의 성능을 향상시키기 위한 여러 개질 방법 중 가교는 사슬 간격과 사슬 내 외부의 유동성을 감소시켜 분리막의 선택도, 내화학성, 내가소성등을 증가시키는 장점을 지닌다. 본 연구에서는 선형의 지방족 가교제를 사용하여 폴리이미드 분리막의 기체 분리 성능을 향상시키고자 하였으며, 가교제의 알킬길이에 따른 영향 또한 알아보았다. 가교 여부는 이미드 그룹의 특성피크 증가와 이미드 그룹의 특성피크 감소를 통해 확인하였다. 기체분리특성은 CH4, N2, O2, CO2 단일 기체에 대해 측정하였으며 가교제 및 가교도에 관계없이 가교 후 기체의 확산 감소로 인해 네 기체 모두 투과도가 감소하였다. 반면 CO2/CH4, O2/N2 기체상의 선택도는 가교 전보다 향상된 결과를 나타내었다.

고분자 분리막을 통한 기체 분리는 기체의 용해 및 확산으로 진행되며 따라서 기체 분리 성능은 기체의 용해도 또는 확산도에 좌우된다. 이산화탄소와 같은 극성 기체의 용해도를 향상시키기 위해 acylation, bromination, sulfonation과 같은 화학적 개질을 통한 연구들이 진행되었으며 또한 술폰산기를 가지는 고분자에 금속이온을 치환시켜 이산화탄소 선택도를 증가시킨 연구가 보고되었다. 본 연구에서는 biphenol기와 fluorene기를 가지는 Sulfonated Poly(arylene ehter sulfone) (SPAES) 고분자 분리막을 제조하였으며 술폰화 정도와 치환된 극성 그룹의 종류에 따른 기체투과특성을 알아보고자 하였다.

The newly combined zeolite imidazole frameworks-8 (ZIF-8) and poly(vinyl chloride)-g-poly(oxyethlyene methacrylate) (PVC-g-POEM) graft copolymer mixed matrix membrane (MMM) is developed for gas separation. PVC-g-POEM graft copolymer, synthesized by atom transfer radical polymerization (ATRP) process, plays a pivotal role as a soft matrix to provide good permeation, uniform distribution of ZIF-8, and better interfacial interaction with inorganic filler. Moreover, addition of ZIF-8 in MMM enhances gas diffusion through pore in framework as well as gas solubility in organic linker. These synergetic functionalities dramatically improve gas separation performance, which MMMs loading ZIF-8 exhibited enhanced permeability and selectivity compared to neat graft copolymer membrane as measured via the time-lag method.