지구온난화의 주요 원인인 CO2로 인한 대기 기온 상승은 세계적으로 큰 화두가 되고 있다. 고분자 분리막을 이용한 이산화탄소 포집용 분리막 제조는 공정의 단순화와 가격적인 측면에서 우수하며 이산화탄소 분리성능이 우수하다는 장점이 있다. 본 연구에서는 Si-PEG를 이용한 이산화탄소 포집용 기체 분리막을 제조하였다. 분리막 제조에 앞서 Si-PEG를 합성한 뒤, 1H-NMR, GPC, FT-IR을 통해 합성의 유무를 판단하였다. 복합막 제조는 지지체위에 Si-PEG를 코팅하여 제조하였다. 코팅제는 Isocyanate, Si-PEG, 촉매를 사용하여 코팅을 실시하였으며 가교를 위하여 고온공정을 진행하였다. 제조한 기체투과 복합막은 50GPU의 이산화탄소 포집값을 보이며 질소에 대한 이산화탄소의 선택도는 15의 결과를 보여 기체분리막으로의 활용 가능성을 확인하였다.

본 연구에서는 후처리 기능화를 통해 아민이 함유된 ZIF-8-A를 제조하고, 이를 이산화탄소 흡착제로 적용하였다. 첨가한 3-amino-1,2,4-triazole의 함량에 따라 15, 37, 61, 그리고 74 %의 아민기를 포함한 ZIF-8-A를 제조하였으며, 다양한 분석을 통해 이들의 물성특성을 조사하였다. 그 결과, 아민 함량에 따라 ZIF-8-A의 게이트 크기 조절되고 가스 투과도 및 선택도에 영향을 미치는 것을 확인하였다. ZIF-8-A61%는 기존 ZIF-8 대비 CO2/N2 및 CO2/CH4에 대한 선택도가 3.4 및 4.7배 증가하였으며, 이는 구조내 가스 투과를 위한 게이트 사이즈의 조절 및 아민과 이산화탄소의 상호작용에 기인한 것으로 판단하였다.

오랜 기후변화와 관련하여 지구온난화를 늦추고자 온실가스 중 대부분의 비율을 차지하고 있는 이산화탄소를 분리 및 저장 할 수 있는 연구가 활발하다. 본 연구에서는 고 투과성을 지닌 Polyhedral oligomeric silsesquioxane(POSS)와 이산화탄소에 대한 선택도를 지닌 Poly(ethylene glycol)을 이용하여 POSS-PEG 공중합체를 합성하였고 이를 다공성 지지체 위에 코팅하여 복합막을 제조하였다. 특성평가로는 NMR과 FT-IR 스펙트럼으로 합성의 유무를 확인한 뒤 복합막에 N2,O2,CO2 세 종류의 기체를 투과 특성함으로써 성능을 확인하였다. single gas를 투과시켰을 때 CO2/N2 선택도 24, Mixture gas를 투과시켰을 때 최대 70%의 CO2 분리성능을 나타내었다.

천연가스, 산업공정, 화석연료의 연소과정과 같은 대규모 고정 배출원에서 발생하는 온실가스인 CO2를 포집하기 위한 기술 개발이 전 세계적으로 활발하게 수행되고 있다. 특히, 습식 흡수 법은 비교적 낮은 CO2분압에서도 높은 제거 효율을 달성할 수 있어 많은 개발이 이루어져온 포집 기술이다. 하지만 흡수제의 재생에 필요한 에너지가 과다한 문제가 있으며, 충분한 부지가 확보되어야하기 때문에 공정 상용화에는 큰 걸림돌이 있다. 이러한 문제를 극복하고 공정 효율을 개선 할 수 있는 접촉분리막 공정 기술이 최근 주목받고 있다. 본 연구에서는 접촉분리막과 화학적 습식 아민 흡수제를 이용한 이산화탄소 제거 특성을 분석하였다.

In this study, poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT-PSS) was introduced into polymer gas separation membrane. The mixed matrix membrane composed of poly(2-[3-(2H-benzotriazol –2-yl)-4-hydroxyphenyl] ethyl methacrylate)-poly(oxyethylene methacryalate) (PBEM-POEM) comb copolymer matrix and PEDOT-PSS filler. Incorporation of PBEM-POEM makes isolated PEDOT-PSS chain transform into a fiber-like interconnected structure due to hydrogen bonding interaction. This structure could act as a facilitated pathway for enhancing gas diffusivity through the membrane. The best performance of prepared PEDOT-PSS/PBEM-POEM composite membranes was CO2 permeability of 59.6 Barrer with a CO2/N2 selectivity of 77.4, being close to the 2008 Robeson upper bound.

20 여 가지의 형태의 제올라이트 중에서 8-membered ring (8 MR) 구조를 지닌 제올라이트를 다공성 지지층 위에 연속적인 분리막 형태로 제작하고자 한다. 이 때, 궁극적인 분리막의 사용처에 해당되는 배가스 및 바이오가스 조건에서 이산화탄소를 분리하는 데 적합하도록 설계한 제올라이트 분리막에 대해 기술하고자 한다. 특히, 10% 정도의 수분에 의한 악영향을 최소화할 수 있는 방법에 대해 발표하고자 한다.

CO2 separation technology for carbon capture, which is one of the hot issues to reduce greenhouse gases from industrial flue gas, has been intensively investigated so far. Despite of several benefits, the membrane technology has some obstacles like large-scale module fabrication, membrane durability, need of pre-treatment or high pressure drive for its industrial application. Also, the power plant flue gas with normally 10~20% of CO2 content should be concentrated upto 99% for being compressed and liquefied to transportable CO2 by pipeline, indicating the need of high selective membrane process as well as high recovery. In this work, the possibility of membrane process for post-combustion treatment in terms of recent technology will be announced. The practically applicable process for CO2 capture also be suggested briefly.

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.

Sludge transporting pipes in wastewater treatment plant are easy to be clogged with struvite when the digested sludge and dehydrated filtrate are transported through the pipes, which lowers the efficiency of sludge treatment system in a WWTP. pH is one of the most important factors in struvite formation, and carbon dioxide separated from biogas can be used to control pH and struvite formation. By controlling pH, the amount of dehydrating agent can be reduced by about 10%, which saves the budget for facility maintenance. As CO2 is reused and dehydrating chemicals are saved, the approach can contribute to global warming gas reduction.

We fabricated dual-phase free-standing polymeric membrane for high performance CO2/N2 separation, introducing amphiphilic, CO2-philic copolymer via one-step free radical polymerization, or (2-[3-(2H-benzotriazol-2-yl)-4-hydroxyphenyl]ethyl methacrylate)-graft-poly(oxyethylene methacrylate) (PBE). PBE filler partially interacts with Pebax polymer matrix to generate the interconnected CO2 philic network, exhibiting a microphase-separated, or dual-phase behavior in Pebax matrix. The performance of CO2/N2 separation was increased according to the PBE content, with the maximum selectivity at 5 wt%. The enhancement of Pebax/PBE CO2-philic membrane was attributed to the formation of CO2-philic channel consisting of ether oxygens and triazole groups. The best performance was CO2 permeability of 175.3 Barrer and CO2/N2 selectivity of 48.2.

본 연구에서는 PAN과 폴리설폰의 두 지지체와 PEBAX 1657, 2533 두 선택층을 형성하였고, 지지체의 투과저항으로 인한 복합 막의 기체 투과도와 선택도의 차이를 확인하였다. 투과선택도를 향상시키기 위하여 PEG를 첨가하여 20에서 50 wt% 범위에서 농도를 달리하여 막을 제조한 후 CO2, N2 기체 투과성능을 측정하였다. 투과 성능이 가장 우수한 복합막의 물성 평가로써, PEBAX 복합평막의 미세구조를 관찰하였고, PEG 함량의 증가로 인한 Polyether 유리전이온도의 변화를 확인하였다. PEG 첨가제에 의한 PEBAX 복합평막은 에틸렌옥사이드 그룹으로 이루어진 PEG가 이산화탄소에 친화성을 가지고 있어서, PEG가 증가함에 따라 이산화탄소의 투과도를 향상시킬 수 있었다.

배가스의 이산화탄소 농도인 14%를 기준으로 실험실규모에서 벤치스케일로 격상하였고, 랩스케일에서는 모사가스로 진행한 반면 벤치스케일에서는 실제 보일러에서 나오는 배가스로 실험을 진행하였다. 배가스의 높지않은 압력조건을 감안하여 본 연구에서는 1단 분리막 공정실험에서는 주입부 압력 2 bar, 투과부압력 0.2 bar에서 실험을 진행 하였고, 2단 막 공정에서는 1단 분리막은 동일하게, 2단 분리막 주입부 압력 1 bar, 투과부 압력 0.05 bar에서 진행하였다. 결론적으로 랩스케일에서 벤치스케일로 격상했을 경우 같은 경향성을 볼 수 없었으며 이는 실제 발전소 및 보일러에서 연소되는 배가스를 분리막공정으로 포집하는 것은 사전연구가 더욱 필요하다는 것을 확인하였다.

본 연구에서는 이산화탄소 포집 및 물 재이용을 위한 통합 시스템으로서 정삼투 공정의 적용 가능성에 대한 평가를 수행하였다. 해당 통합 공정은 이산화탄소 배출 저감을 위해 화력발전소에 적용되고 있는 습식 이산화탄소 포집설비에 정삼투 기반 공정을 추가함으로써 이산화탄소 포집뿐만 아니라 물 재이용 및 냉각수 생산을 동시에 달성할 수 있다. CO2를 흡수한 5M의 모노에탄올아민(습식용매)을 유도용액으로 적용한 결과 40 LMH (FO mode) 및 85 LMH (PRO mode)라는 매우 높은 수투과도를 얻을 수 있었다.

분자체(molecular sieve)로 알려진 제올라이트 분리막 중에 8-membered ring(8 MR) 구조를 지닌 제올라이트를 다공성 지지층 위에 연속적인 분리막 형태로 제작하고자 한다. 8 MR 구조 중에서도 소수성을 띠는 제올라이트 기반으로 높은 이산화탄소 선택적인 분리 능력을 보이고자 한다. 특히, 이산화탄소를 분자 크기가 큰 질소나 메탄으로부터 분리하는 게 아니라, 도전적인 과제로서 수분이 존재하는 feed 조건에서 높은 이산화탄소 분리 능력을 지닐 수 있도록 분리막을 제작하고자 한다. 이번 발표에서는 최근에 얻은 제올라이트 분리막을 만드는 방법과 그 방법으로 제작한 제올라이트 분리막의 이산화탄소 분리능력에 대해 발표하고자 한다.

지구온난화 문제 해결을 위하여 효율적인 CO2 포집 기술 개발이 활발히 이루어지고 있으며, 최근 분리막, 흡수 공정의 하이브리드 기술인 접촉막 공정이 주목받고 있다. 본 연구진은 2014년부터 열적, 화학적 안정성이 뛰어난 세라믹 소재의 중공사막을 적용한 접촉막 공정을 개발해오고 있다. 대규모 공정 실증을 위하여 세라믹 중공사막 기공 구조 제어 기술부터 소수성 코팅, 모듈 디자인 및 배치, 공정 구성 최적화 등을 연구하였다.

이산화탄소 전환 기술은 이산화탄소를 원료로 유용한 화합물을 생산하는 기술로서 지속적인 탄소원의 활용 및 고부가 가치의 화합물 생산을 통한 이익 창출이 가능하다. 다양한 이산화탄소 전환 기술 중에서도 전기 에너지를 이용한 이산화탄소 전환 기술은 유용 화합물 생산 외에도 신재생에너지 저장 기술로 활용할 수 있어서 최근 그 중요성이 부각되고 있다. 그러나 열역학적으로 안정한 이산화탄소의 환원 반응은 많은 에너지를 필요로 하므로 기술의 경제성 확보 및 실질적인 탄소 중립을 구현하기 위해서는 생성물에 대한 높은 선택성을 가지는 촉매 개발 및 효율적인 반응 시스템 개발이 필수적이다. 본 연구에서는 고분자 전해질 막을 이용하여 전기화학적 이산화탄소 전환을 통해 개미산염을 제조하였다.

MOF는 높은 표면적, 균일한 공극, 크기를 가지는 새로운 클래스의 porous material 이다. MOF는 금속과 organic linker가 coordination 결합에 의해 연결되어 있고, 온도에 대한 강한 안정성을 나타내고, 높은 표면적 때문에 촉매, 분리, 개스저장 등 다양한 분야에 적용될 수 있는 잠재력이 풍부하다. MOF는 zeolite보다 높은 표면적을 가지고 작용기를 organic linker에 따라 쉽게 바꿀 수 있는 장점 때문에 최근에 많은 관심을 받게 되었다. 다양한 MOF가 합성되었고 CO2/N2 선택도, 흡착량, 수분과 산성가스에 대한 안정성이 분석되었다. 최종적으로 선택된 MOF는 폴리머와 결합하여 하이브리드 멤브레인을 만드는 데에 사용되었다.

이산화탄소 분리막은 이산화탄소에 대한 선택성이 우수하면서도 투과성이 뛰어나야 그 성능을 제대로 발휘할 수 있는데, 대부분의 고분자 분리막들은 투과도 및 선택도에 있어 매우 뚜렷한 상충관계를 보이고 있으며, 이러한 상충관계를 극복할 수 있는 고투과성 및 고선택성을 갖는 분리막의 개발이 시급하다 할 수 있다. 근래 PEG (polyethylene glycol)가 이산화탄소에 대한 투과선택도가 뛰어난 것이 밝혀져 많은 연구가 진행되고 있으며, 본 연구는 이에 더해 내구성이 우수한 표면고착된 PEG 함유 고분자 복합막을 제조하여 이의 이산화탄소에 대한 분리에 대하여 발표한다.

Membrane-based gas separation process is one of the next generations’ gas separation processes for carbon capture and storage (CCS). Membrane process has the advantages of i) low energy consumption without a phase change during the separation, ii) small footprint and easy scale-up of membrane modules, and iii) clean process without any emission of harmful byproducts. The hollow fiber membranes used in this study shows CO2 permeance over 900 GPU (1 GPU = 10-6 cm³/cm²⋅sec⋅cmHg). Using the hollow fiber membranes and modules, we established a moveable CO2 separation system including pretreatment of flue gas and 3-stages of membrane cascade. The system was installed at the several on-site flue gas sources, and the performance of pilot plant operation will be presented in the presentation.

무분별한 이산화탄소 배출로 인한 지구온난화는 이상기후와 생태계 파괴 등을 초래함으로써 인간의 삶에 심각한 영향을 미치고 있다. 이러한 문제의 근본 원인인 이산화탄소 배출을 저감하는 방법으로 본 연구에서는 자가-가교 성질이 있는 P(GMA-g-PPG)-co-POEM) (SP) 공중합체와 상용 고분자인 polyvinylpyrrolidone (PVP)를 혼합하여 블렌드 고분자 분리막을 제조하는 방법을 제시하였다. PVP 함량에 따른 분리막의 이산화탄소/질소 투과 특성을 확인하였으며, PVP의 함량이 증가 할수록 투과도는 감소하고 선택도는 증가하는 결과를 보였다. 특히 PVP 함량이 30 wt%인 경우, 투과도는 순수 SP 고분자의 CO2 투과도인 72.9 GPU에서 12.6 GPU로 감소하였으나, CO2/N2 선택도는 28.1에서 50.4로 약 79% 증가하였다. 이는 SP 공중합체와 PVP 사이의 수소결합으로 인해 고분자 사슬이 더욱 조밀하게 배열되기 때문인 것으로 볼 수 있으며, 이를 FT-IR, TGA, XRD, SEM을 통해 분석하였다. 따라서, 본 연구에서는 SP/PVP 고분자 블렌드 내 PVP의 함량을 조절함으로써 분리막의 투과도 및 선택도를 손쉽게 조절할 수 있음을 확인하였다.