본 논문에서는 Pebax-2533 판형 분리막을 1-프로판올과 n-부탄올 혼합용매를 이용하여 용해, 건조하여 제조하였고 time-lag 장치를 이용하여 CO2, N2 투과특성을 평가하였다. 제조된 분리막은 평가조건에 따라서 130-288 barrer의 CO2 투 과율을 가졌으며, CO2/N2 투과선택도는 5-8이었다. Time-lag 장치의 주입부 압력이 증가함에 따라서, 투과온도가 낮아짐에 따라서, 그리고 혼합용매의 n-부탄올 양이 증가함에 따라서 CO2 투과도는 감소하였다. 이러한 실험 자료는 Pebax-2533 분리 막의 CO2 투과율이 CO2 용해에 매우 의존할 것이라 예측과 달리, CO2 용해뿐만 아니라 CO2 확산도 매우 중요한 단계임을 의미하였다.

PEGDA/PETEDA dendrimer 막은 PEGDA에 5~15 wt%의 PETEDA dendrimer를 첨가하고 UV를 조사하여 제조하였다. 제조된 막의 특성은 FT-IR, 1H-NMR 그리고 DSC를 통해 분석하였다. PEGDA/PETEDA dendrimer 막의 유리전이온도(Tg)는 PETEDA dendrimer의 함량이 증가할수록 감소하였다. CH4에 대한 CO2 투과 특성은 PETEDA dendrimer의 함량과 압력을 변화시키며 조사하였다. 10 wt%의 PETEDA dendrimer를 포함하는 막의 투과도는 162.2 barrer였으나 CO2/CH4 이상분리 인자는 31.8로 가장 높게 나타났다.

혼합가스에서 CO2를 선택적으로 분리할 수 있는 poly (etherimide) (PEI)-poly (dimethylsioxane) (PDMS) 재질의 복합막 및 모듈을 제조하여 CO2/H2 분리특성을 확인하였다. 제조된 중공사 복합막 모듈은 모듈의 단수에 따라 25℃, 일정 압력에서 stage-cut별로 분리된 가스의 유량, 농도, H2 회수율, CO2 제거율 등의 성능을 측정하였으며, H2 회수율을 높이기 위해 1단 시험에서 2단 직렬시험과 3단 직렬 + 병렬 시험으로 단수를 증가시켜 시험하였다. 각각의 운전조건에 대한 결과들을 확인한 결과 3단 운전조건에서 stage-cut을 0.32로 하였을 때 Product가스의 H2 농도는 97%이었으며 그때의 H2 회수율은 85%이었다. 또한, CO2 제거율은 약 90%의 결과를 얻을 수 있었으며 재순환 가스의 농도는 공급 가스와 유사하게 얻을 수 있었다.

본 연구에서는 혼합기체 중의 SO2 제거를 위하여 폴리이서이미드 복합 중공사막을 이용하였으며, 지지체로 사용한 중공사막은 건-습식 상전이 법으로 제조하였다. PEBAX1657(R)과 PEG를 혼합하여 제조한 용액을 지지체 표면에 코팅하여 복합막을 제조하였다. 중공사 복합막의 기체투과 특성을 확인하기 위하여 모듈을 제작하였고, 온도와 압력변화에 따른 SO2, CO2, N2 단일 기체투과를 실시하였다. 그 결과, 운전조건에 따라서 SO2 투과도는 220~1220 GPU를 나타내었으며, SO2/N2 선택도는 100~506을 나타내었다. 그리고 혼합기체 분리거동을 관찰하기 위하여 SO2, CO2, N2로 구성된 혼합가스를 이용하여 온도, 압력, 잔류부 유량을 변화시키면서 투과기체의 유량과 각 성분의 농도변화를 측정하였다. 그 결과, 압력과 온도가 증가할수록 SO2 제거효율이 높아지는 경향을 나타내었다.

DME 제조공정에서 발생하는 혼합가스 중 CO2를 제거하기 위해서 H2 투과도보다 CO2투과도가 우수한 고무상 고분자를 분리소재로 선정하여 복합막을 제조하고 CO2/H2의 분리성능을 검증하여 보았다. 지지체 중공사막 소재로 PEI를 이용하여 지지체 중공사막을 제조하였으며, 제조된 지지체 중공사막의 기체투과도를 각 가스별로 측정하여 PDMS의 경우는 CO2 투과도 300 GPU 이상, CO2/H2의 선택도가 4.3 이상, PEBAX를 사용한 경우 CO2 투과도 120 GPU 이상 CO2/H2의 선택도가 5 이상인 복합 중공사를 제조하였다.

매립지나 유기성폐기물의 혐기성소화에서 발생되는 바이오 메탄가스 혼합물에서 이산화탄소를 제거하고 고농도의 메탄을 연료로 정제하는 기술은 온실가스의 저감과 신재생에너지 개발의 두 가지 장점을 함께 가지고 있다. 고분자 소재를 이용한 분리막기술은 메탄의 분리에 경제적으로 적용될 수 있는 기술이다. 본 연구에서는 이산화탄소/메탄의 선택도가 50, 이산화탄소의 투과도가 3.4 barrer로 알려진 폴리이서설폰[1]을 고분자 소재로 사용하고, 비용매 첨가제로 폴리이서설폰을 잘 팽윤시키는 아세톤의 함량을 달리하여 비대칭 중공사막을 제조하였다. 아세톤의 함량 9 wt%, 방사높이 10 cm, 4 wt% PDMS 코팅을 거친 폴리이서설폰 중공사막은 이산화탄소 투과도 36 GPU 및 이산화탄소/메탄 선택도 46의 우수한 성능을 나타내었다. 최적조건의 비대칭 폴리이서설폰 중공사막을 이용하여 제조된 모듈의 이산화탄소/메탄 순수가스 및 혼합가스 투과특성을 압력, 유입조성의 변화에 따라 관찰하여 분리막 공정을 구성한 결과 10 atm의 압력조건에서 95%의 메탄을 58%의 회수율로 얻을 수 있는 것으로 나타났다.

PrBa0.9Sr0.1Co2O5+δ 조성의 산화물을 고상반응법을 이용하여 합성하였다. 합성된 분말은 압축 성형 후 1,250℃에서 소결하여 치밀한 세라믹 분리막을 제조하였다. 제조된 PrBa0.9Sr0.1Co2O5+δ분리막은 XRD분석 결과 이중 페롭스카이트 (double perovskite)구조를 보였다. 밀봉재료로는 pyrex ring을 사용하여 가스누출 실험 및 산소투과 분석을 하였다. 산소투과량 분석은 850~950℃범위에서 측정되었다. 산소투과실험 결과, 투과량은 온도증가에 따라 0.15에서 0.32mL/㎠·min로 증가하였다.

팔라듐이 코팅된 V53Ti26Ni21 합금 분리막을 통해 수소 투과시 혼합가스의 영향에 대해 알아보았다. 순수 수소, 수소, 이산화탄소 및 일산화탄소의 혼합가스를 공급가스로 주입할 때, 450℃, 1-3 bar의 압력에서 팔라듐이 코팅된 V53Ti26Ni21 합금 분리막의 수소 투과 실험을 수행하였다. 수소만을 공급한 투과 실험에서 팔라듐 코팅된 V53Ti26Ni21 합금 분리막(두께: 0.5 mm)의 수소 투과량은 3 bar, 450℃ 조건에서 5.36mL/min/㎠였다. 또한 수소/이산화탄소, 수소/일산화탄소 및 수소/이산화탄소/일산화탄소를 공급한 투과실험에서 V53Ti26Ni21 합금 분리막의 수소 투과량은 각각 4.46, 5.20, 3.91mL/min/㎠였다. 따라서, 수소/이산화탄소, 수소/일산화탄소 및 수소/이산화탄소/일산화탄소 혼합가스를 각각 공급할 때 투과량은 온도와 압력에 상관없이 수소 분압 감소만큼 감소하였고 모든 경우 Sievert 법칙을 잘 만족시켰다. 투과 후 분리막의 XRD 결과로부터 V53Ti26Ni21 합금 분리막은 여러 혼합가스에 대해 안정성과 내구성이 우수하다는 것을 알 수 있었다.

분리층 두께가 5 μm이며 Si/Al 몰비가 1.5인 Na형 faujasite 제올라이트 분리막을 이차성장 공정에 의하여 제조하였고, 투과부에 13X 제올라이트 흡착제 충진 전후의 진공모드에서의 CO2/N2 분리거동을 CO2/N2 몰비가 1인 혼합기체에 대하여 30℃에서 평가하였다. 충진된 13X 제올라이트 흡착제는 CO2 투과도와 CO2/N2 선택도를 동시에 증진시켰다. 이 현상은 13X 제올라이트 흡착제 충진이 다공성 α-알루미나 지지체의 기공채널을 통한 CO2 탈출을 증진시킴으로써 faujasite 제올라이트/α-알루미나 상계면에서의 CO2 탈착을 증진시켰기 때문으로 설명되었다. 본 논문으로부터 흡착제와 분리막의 혼성화는 일반적으로 보여지는 선택도와 투과도의 역비례 관계를 획기적으로 개선할 방법임이 확인되었다.

다양한 재료특성(Si/Al 몰비, 두께, 구조적 불완전성)을 갖는 Na형 faujasite 제올라이트 분리층을 다공성 α-알루미나 튜브 표면에 수열조건에서 이차성장 시키고 CO2/N2 분리거동을 CO2/N2 몰비가 1인 혼합기체에 대하여 30℃에서 평가하였다. 수열조건 중에서 수열용액 내의 SiO2 양은 형성된 제올라이트 분리층의 재료특성에 가장 큰 영향을 주는 변수임을 확인하였다. 즉, 수열용액 내의 SiO2 양이 증가함에 따라서 형성된 제올라이트 분리층의 Si/Al 몰비, 두께, 구조적 불완전성(discontinuity)은 동시에 증가하였다. 본 논문에서는 불완전한 치밀화에 의해 잔존하는 결정립간 공극(void), GIS Na-P1 상에 의해 형성된 균열(crack) 등 구조적 불완전성이 CO2/N2 분리에 가장 큰 영향을 주는 재료특성이며, 투과부에서의 CO2 탈착이 전체 CO2 투과의 율속단계(rate-determining step)임을 확인하였다.

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.

Biogas is a gaseous mixture produced from the microbial digestion of organic materials in the absence of oxygen. Raw biogas, depending upon organic materials, digestion time and process conditions, contains about 45 ~ 75% methane, 30 ~ 50% carbon dioxide, 0.1% hydrogen sulfide gas, and a fractional percentage of water vapor. To achieve the standard composition of the biogas, treatment techniques like absorption or membrane separation are performed for the resourcing of biogas. In this paper, the experiments are performed using biogas produced in an environmental digestion facility for food waste. The membrane module was imported from overseas, its membrane process has achieved up to 98% of the methane and 99% of the carbon dioxide separated, and it has manufactured and stored pressurized carbon dioxide. The effects of the feed pressures on the separation of CO2-CH4 by the membrane are investigated. A chelate was utilized to purify the methane from the H2S concentration of 0.1%.

현재 사용되고 있는 대표적인 분리막은 다양한 재질로 사용하여 만든 가운데가 빈 가는 실과 같은 중공사막(hallow fiber membrane)이다. 이러한 막의 대표적인 직경은 100㎛, 즉 0.1mm이다. 이는 보통 가정에서 사용하는 실의 굵기의 1/10 정도로 매우 가는 것으로 이러한 실의 다발을 묶어서 모듈로 만들어 이산화탄소를 분리하는 기본 장치로 사용한다. 그러나 일반적으로 분리막을 통과하는 기체의 양이 많아지면 이산화탄소의 상대적인 분리도는 낮아지는 상충적(tradeoff) 경향을 나타낸다. 또한 기존의 가는 분리막은 모듈의 구성과 그 모듈을 이용한 시스템 설계라는 매우 어려운 난제를 해결해야 하고 그 후에도 오염물질에 대한 분리막 장치와 재질의 내구성 문제가 대두되고 있다. 본 연구에서는 활용하고자 하는 튜브형 분리막은 기존의 분리막에 비해 100배 큰 1cm 크기의 직경을 갖고있기 때문에 압력변화 및 유량변화 등에 탄력적으로 적용이 가능하여 투과량이나 분리도 설정과 조절에 용이하다는 점이 절대적으로 유리한 조건으로 작용한다. 본 연구는 다양한 환경기초 시설의 CO2 분리에 적용하기 위한 튜브형 분리막에 대한 기초연구로써 분리막에 대한 이론연구를 수행하고, 분리막의 직경, 길이, 압력을 변수로 하여 각 조건의 최대 유속에서 주입부의 압력에 따른 압력강하와 압력강하에 따른 출구에서의 속도 변화를 고찰하였다. 이 계산은 pip flow calculator라는 상용코드를 이용하여 계산을 수행하였다. 2012년 RTI 실증시스템에서 수행된 최종 연구결과 향후 분리막의 직경을 100㎛에서 150㎛로 50% 증가하고 분리막의 길이를 36인치에서 24인치로 줄이는 것을 강력히 추천한 바 있다. 본 연구의 계산 결과 RTI는 100㎛의 중공사막에 대한 최대 유량으로 0.0001m³/hr의 조건에 압력 4.5기압을 사용하는 경우 압력손실이 0.46기압, 즉 약 10% 정도의 손실이 발생한 반면 유속은 출구에서 약 10% 입구유속보다 증가한 것으로 나타났다. 그러나 권장 직경 150㎛으로 직경을 증가하고 길이를 36인치에서 24인치로 감소한 경우 압력손실은 약 0.056기압으로 나타나 100㎛ 직경일 때 압력손실의 약 1.2%만 발생한 것으로 나타났다. 이와 같이 직경의 증가와 길이의 감소는 압력 강하와 밀접한 관계가 있음을 알 수 있다. 그러나 직경이 증가할 때 분리막의 단위체적당의 물질전달 면적 감소와 함께 두께가 얇은 분리막 모듈의 제작상의 어려움 등을 동시에 고려해야 할 것이다.

대기 중의 이산화탄소(CO2) 농도는 지속적으로 상승하고 있으며 전세계적으로 지구온난화에 대한 관심이 매우 높은 상태이다. 또한 환경 기초시설의 곳곳에서도 온실가스를 방출하는 여러 공정들이 있으며 그중 환경 기초시설인 하폐수처리장 및 매립지 등에서도 메탄과 이산화탄소를 포함하는 다량의 온실가스가 배출되고 있으며 이를 분리 회수하기 위한 다양한 공정에 대한 연구들이 이루어지고 있는 실정이다. 바이오가스를 분리정제하는 공법에는 흡수법(absorption), 흡착법(adsorption), 심냉법(cryogenics) 그리고 막분리법(membrane) 등이 있다. 현재 사용되고 있는 대표적인 분리막은 다양한 재질로 사용하여 만든 가운데가 빈 가는 실과 같은 중공사막(hallow fiber membrane)이다. 이러한 막의 대표적인 직경은 100㎛, 즉 0.1mm이다. 이는 보통 가정에서 사용하는 실의 굵기의 1/10 정도로 매우 가는 것으로 이러한 실의 다발을 묶어서 모듈로 만들어 이산화탄소를 분리하는 기본 장치로 사용한다. 그러나 일반적으로 분리막을 통과하는 기체의 양이 많아지면 이산화탄소의 상대적인 분리도는 낮아지는 상충적(tradeoff) 경향을 나타낸다. 또한 기존의 가는 분리막은 모듈의 구성과 그 모듈을 이용한 시스템 설계라는 매우 어려운 난제를 해결해야 하고 그 후에도 오염물질에 대한 분리막 장치와 재질의 내구성 문제가 대두되고 있다. 본 연구에서는 활용하고자 하는 튜브형 분리막은 기존의 분리막에 비해 100배 큰 1cm 크기의 직경을 갖고 있기 때문에 압력변화 및 유량변화 등에 탄력적으로 적용이 가능하여 투과량이나 분리도 설정과 조절에 용이하다는 점이 절대적으로 유리한 조건으로 작용한다. 본 연구는 다양한 환경기초 시설의 CO2 분리에 적용하기 위한 튜브형 분리막에 대한 기초연구로써 분리막에 대한 이론연구를 수행하고 분리막의 직경 변화 및 배기가스 유량 변화에 따른 압력강하에 대한 다양한 변수연구를 수행하고자 한다. 이러한 자료를 바탕으로 향후 운전조건에 따른 분리막의 투과량(P)와 분리도(S)에 대한 상관관계 및 최적 운전변수를 설정하는데 일조하고자 한다.

In this work, the separation characteristics of CO2 from CO2 and CH4 mixed gas was studied using pressure swingadsorption (PSA) process. Zeolite 13X was used as an adsorbent to adsorb CO2 from gaseous stream in a fixed-bed ofadsorbent. The adsorption experiments were performed with various gas flow rates, adsorption pressures and temperatures.The deactivation model was used to analyze the adsorption kinetics of CO2 using the experimental breakthrough data.From this work, it was found that the activation energies of adsorption and deactivation were 29.15 and 13.0 kJ/mol,respectively. And the experimental breakthrough curves were agree very well with the adsorption isotherm models basedon Freundlich equation.

Biogas from anaerobic digestion of biological wastes is a renewable energy resource. It has been utilized to provideheat and electricity. Raw biogas contains about 55~65% methane, 30~45% carbon dioxide, 0.5% of hydrogen sulfidegas and fraction of water vapor. The presence of CO2 and H2S in biogas affects less caloric value of raw biogas andcorrosion of engine etc.. Reducing CO2 and H2S contents improves a quality of fuel. In this paper, the absorption processusing aqueous monoethanol amine has been investigated as one of the leading technologies to purify the biogas. Liquidabsorbent is circulated through the reactor, contacting the biogas in countercurrent flow. The experimental results of themethane purification in simulated biogas mixture consisted of methane, carbon dioxide and hydrogen sulfide werepresented. It was shown that using aqueous solution used is effective in reacting with CO2 in biogas and it was possibleto achieve the purification of methane from the concentration of 55% up to 98%. This technique proved to be efficientin enriching and purifying of biogas, and has to be used to improve process efficiency.

제철산업은 대표적인 에너지 다소비업종으로 포스코는 국내 전체 에너지소비량의 10% 이상을 차지하고 있으며 연간 약 7,000만 톤가량의 이산화탄소(CO₂)를 배출하고 있다. 2015년부터 국내에서도 ‘온실가스 배출권 거래제’가 시행될 예정이어서 제철업체는 대내외적으로 온실가스 감축에 대한 요구를 지속적으로 받고 있다. 전 세계는 지금 온실가스인 CO₂ 를 줄이고자 노력하여 포집기술이 가시적인 성과를 보이고 있으나 기업의 입장에서는 환경적인 측면 뿐 아니라 경제적인 측면도 간과할 수는 없다. 산업체에서 나오는 이산화탄소가 포집/재활용되어 부가가치창출의 구조를 만든다면 향후 많은 기업의 자발적 포집과 재활용이 있을 것이다. 이는 환경규제에 앞서 대응함과 동시에 성장 신사업의 기회로서 적극 활용될 수 있으며, OCED 국가 중 탄소배출량 증가 속도가 가장 빠른 우리나라의 CO₂ 의무감축에도 기여하게 될 것이다. 고로부생가스(BFG : Blast Furnace GAS)는 고로에서 코크스가 연소해 철광석과 환원작용을 할 때 발생하는 무색무취의 유독성 가스로 공기보다 무거운 기체이다. 포스코는 철강 제조 공정에서 발생하는 BFG를 전량 회수해 공정 에너지원으로 바로 재사용하거나, 자가발전에 활용하고 있다. 본 연구에서는 고로부생가스(BFG)에서 분리된 CO₂를 재활용하기 위해 성분분석과 순도향상 process를 구축하고 CO₂ 용도 개발의 일환으로 드라이아이스 세정작업 적용 기술을 개발하였다.