기체분리막에 널리 사용되는 소재인 poly(ether-b-amide)는 고분자 사슬 내 아마이드기 간의 수소결합으로 인해 crystallinity가 높아 투과도가 낮은 것으로 알려져 있다. 본 연구는 수소결합과 그에 따른 crystallinity를 줄여 투과도를 향상시키려 한다. 이를 위해 poly(ether-b-amide)의 아마이드기를 N-alkoxymethyl로 치환하여 수소결합을 방해한다. 개질된 poly(ether-b-amide)로 재조된 기체분리막의 crystallinity는 감소하고, 투과도는 향상되길 기대한다. 현재 N-methoxymethyl group이 치환된 정도에 따른 poly(ether-b-amide)들의 기체 투과특성을 평가 중이다.

Poly(ether-block-amide)(PEBA, PEBAX)는 열가소성 탄성체로서 분리 막 소재로 이용할 경우 우수한 기계적 특성, 선택도, 높은 투과도를 제공할 수 있을 것으로 기대된다. Chitosan은 키틴에서 탈 아세틸화하여 얻은 불용성 고분자 물질로 Chitosan을 넣은 고분자막은 CO2의 막 투과도가 높아지는 특징이 있다. 본 실험에서는 복합 막을 제조하고 물리화학적 특성을 IR, XRD, TGA, SEM을 통하여 알아보았다. 기체 투과 실험은 국산 Sepra Tek사재 VPA-601을 사용하여 측정하였다. 기체투과실험은 3bar의 조건에서 온도별, 첨가된 고분자의 함량별로 행하였다.

프로필렌은 석유화학제품의 기초원료이며 Naphtha Cracker에서 나오는 프로필렌/프로판 혼합물을 저온증류하여 생산된다. 이들을 분리하기 위해서는 많은 에너지가 소비되기 때문에 저소비형 공정인 막분리법이 대체법으로 연구가 진행되고 있다. 분리막 소재 중 폴리이미드는 높은 기계적 강도, 내열성, 내화학성을 가지고 있으며 특히 cardo 구조의 폴리이미드는 분별자유부피가 크기 때문에 투과도가 좋은 특징을 가지고 있다. 따라서 본 연구에서는 cardo 구조의 BAPF를 이용하여 폴리이미드 및 폴리이미드 공중합체를 합성하였고 FT-IR을 통해 합성이 이루어졌음을 확인하였다. 또한, time-lag 장치를 통해 프로필렌과 프로판의 기체투과특성을 알아보았다.

분리막 생물반응조내에 정밀여과용 중공사막을 침지시키고 운전시간에 따른 막간차압(TMP)을 측정하여 막 오염 저감효과를 확인하였다. 사용한 분리막은 유효단면적이 0.01m²이고 공칭세공크기가 0.45μm인 중공사막이었다. 운전방식은 기존 운전/휴지(F/R)방식과 연속적으로 처리수를 생산할 수 있도록 개발한 사인파형 투과유속 연속운전(Sinusoidal flux continuous operation; SFCO)방법을 적용하였다. SFCO운전방법이 기존의 F/R방식보다 투과유속이 낮을 경우 매우 효과적임을 확인하였다.

MBR 공법의 처리수 중의 총인을 흡착하는 탈인장치를 50m³/일 규모로 운영하였다. 탈인장치는 Ф1m x 2.5mH(2mEH)로 원통형 구조이며, 내부에 모래 및 흡착제가 0.7m³ 및 0.3m³ 충진되었다. MBR 처리수는 탈인장치 하부에서 상부로 이동하면서 총인이 흡착되고, 모래와 흡착제는 중심부의 원형관을 통하여 상부로 이송되고, 재생용액인 ClO2/Ca(OH)2에 의하여 재생된 후 상부로 재 보충된다. MBR 처리수의 총인은 1.0~1.8mg/L였으며, 탈인 장치 처리수 중의 총인은 0.4~0.8mg/L로 나타났다. 흡착제 재생시 발생한 세척수는 약 4% 이내로 운영되었다.

본 실험에서는 고분자의 농도, 첨가제의 종류 및 함량에 따라 도프 용액을 이용하여 분리막 제조하였다. 분리막의 모폴로지는 전자주사현미경(SEM)을 통해 관찰 하였으며, 막의 모폴로지와 순수투과도의 관계를 확인 할 수 있었다. 필터화 모듈을 제조하여 수투과도 및 바이러스, 박테리아 등과 같은 미생물 제거성능을 측정하였다. 제조된 중공사막의 단면은 sponge 형태로 표명으로 갈수록 치밀한 형태를 띄는 것을 확인하였으며, 수투과도는 50-70 ml/min으로 높은 값을 나타내었으며, 필터화모듈의 경우 수투과도는 1.6 LPM의 높은 투수량을 나타내며, 박테리아와 바이러스의 제거성능은 log 6의 값의 높은 수치를 보였다.

최근 온실가스로 인해 기후 이상현상이 급증하면서 이산화탄소 분리 및 포집기술에 관한 관심이 집중 되고 있다. 본 연구에서는 이산화탄소 분리를 위한 고분자 분리막 재료로 극성 기체인 CO2에 대한 높은 용해선택도를 보이는 polyethylene glycol(PEG)와 폴리설폰 공중합체를 제조하였다. 공중합체의 합성 여부는 H-NMR 및 FT-IR 분석을 통해 확인되었다. 도입된 PEG 분자량에 따른 기체 분리 특성 및 열적, 물리적 특성이 평가되었다. 도입된 PEG의 분자량이 증가할수록 이산화탄소 투과도와 CO2/N2 선택도가 증가하는 것을 확인 하였다.

PEBAX®는 폴리에테르가 우수한 CO2용해도를 나타내어 기체분리막의 소재로 주목받고 있지만 폴리아마이드의 crystallinity로 인해 투과성능면에서 제약을 받는다고 알려져 있다. 본 연구에서는 PEBAX® 막의 기체투과특성을 향상시키기 위해 합성된 aluminosilicate hollow nanoparticles를 막 내부에 고르게 분산시켜 함량별로 혼합막을 제조한다. 분산된 나노입자의 함량에 따른 CO2 용해도 증가, 확산 속도의 증가로 인하여 선택도와 투과도의 향상을 예측할 수 있다. 첨가된 나노입자의 morphology와 yield를 확인하고, 첨가량이 증가할수록 선택도의 변동없이 투과도가 증가하는 것을 알 수 있다.

In the present work, a new synthesis method has been reported for preparing high-quality NaA zeolite membrane. The present method involves pressure-driven hydrothermal gel coating method(HGCM) on seeded α-alumina support surface having pores of 0.1 and 0.7μm diameter before the secondary growth process. The experimental data revealed that the high-pressure injection of hydrothermal gel solution on α-alumina support surface helped in the pore filling and thin layer coating of gel particles, which promoted the formation of uniform, defect free, and dense zeolite layer. Pervaporative dehydration experiments were conducted for 50 wt.% ethanol-water mixture at 343K. The NaA zeolite membrane, which was prepared by HGCM process on the 0.7μm support, showed that the high total flux was 4.7 kg m-2h-1 and separation factor was more than >1000.

고상반응법을 이용하여 SrCo0.8Fe0.1Nb0.1O3-δ 조성의 산화물을 합성하였으며, 합성된 분말은 압축 성형 후 1250°C 에서 소결하여 치밀한 세라믹 분리막을 제조하였다. XRD 분석을 통해 단일상의 페롭스카이트 구조를 확인하였다. 산소 분압 이 0.21 atm, 측정 온도가 800~950°C인 조건하에서 산소투과를 분석한 결과 온도가 증가할수록 산소투과량은 증가하였고, 950°C에서 1.839 mL/min⋅cm2로 최대값을 나타내었다. 니오븀(Nb)을 포함한 세라믹 분리막의 상안정성 및 이산화탄소 내성을 확인하기 위하여 900°C에서 이산화탄소가 500 ppm이 포함된 혼합공기를 이용하여 장기투과 실험을 수행하였다. 이산화탄소에 노출된 SrCo0.8Fe0.1Nb0.1O3-δ의 상안정성은 XRD와 TG로 분석하였다. 분석 결과, 이산화탄소에 노출된 SrCo0.8Fe0.1Nb0.1O3-δ 조 성의 경우 약 8%의 SrCO3가 생성되었으나, 이 수준의 SrCO3 생성량은 분리막의 산소투과도에 큰 영향을 주지 않는 것을 확 인하였다.

Isopropyl alcohol (IPA)/물의 투과증발 분리특성을 알아보기 위해 상용화된 Polyetherimide (PEI) 중공사막에 Poly(dimethyl siloxane) (PDMS)로 코팅한 복합막 모듈을 이용하여 파일롯 테스트를 실시하였다. 공급액으로는 물과 IPA를 각각 85 : 15로 혼합하여 사용하였다. 실험 결과로 25°C에서 투과도 0.52 kg/m2h, IPA 농도 68.5%로 높은 수치를, 55°C에서 투과도 1.368 kg/m2h, IPA 농도 61.2%로 높은 투과도를 얻을 수 있었다. 테스트를 진행한 복합막 모듈의 내구성을 알아보기 위하여 약 100일간 반응온도를 50°C로 설정하여 장기테스트를 진행하였고 그 결과 약 1.03~1.15 kg/m2h의 투과도와 61.8~62.5%의 IPA 농도로 초기 측정량과 큰 차이가 없음을 나타내었다.

1-부탄올/물의 투과증발 분리특성을 알아보기 위해 (주)에어레인사에서 개발한 PEI 중공사막에 PDMS로 코팅한 복합막 모듈을 이용하여 랩테스트와 파일럿테스트를 실시하였다. 공급액으로는 물과 1-부탄올을 각각 99 : 1로 혼합하여 사용하였다. 실험 결과로 30°C에서 투과도 132.7 g/m2hr, 선택도 23.4로 높은 선택도를, 50°C에서 투과도 505.1 g/m2hr, 선택도 5.1로 높은 투과도를 얻을 수 있었으며 일본의 나가셉사에서 개발한 지지체가 없는 PDMS 막 모듈과 비교했을 때 (주)에어레인사에서 개발한 복합막 모듈이 약 10~20 g/m2hr의 높은 투과도를 나타내었다. 테스트를 진행한 복합막 모듈의 내구성을 알아보기 위하여 약 35일간의 장기테스트를 진행하였고 그 결과 약 510~520 g/m2hr의 투과도와 20~25의 선택도로 초기 측정량과 큰 차이가 없음을 나타내었다.

본 연구에서는 P E I 중공사막 표면에 고무상 고분자인 PDMS를 코팅한 모듈을 이용해 물-Butanol 혼합액의 분리특성을 향상시키는데 중점을 두었다. 먼저 A사에서 개발한 막 면적 890㎠ 모듈을 실험실 테스트 규모로 온도를 변화시키면서 농도 1wt.%의 1-Butanol - Water 혼합액에 대하여 투과증발 실험을 실시하였다. 반응온도 30℃에서 투과도는 58.6g/㎡hr을 나타내었고, 선택도는 9.2%를 나타내었다. 반응온도 40℃에서 투과도는 109.5g/㎡hr을 나타내었고, 선택도는 5.6%를 나타내었다. 반응온도 50℃에서 투과도는 206.9g/㎡hr을 나타내었고, 선택도는 3.0%를 나타내었다. 같은 방법으로 A사에서 개발한 막 면적 1㎡의 모듈을 파일롯 테스트에 적용하여 실험하여 본 결과 비슷한 경향을 보였다.

본 연구에서는 Chloroform에 Poly(ethylene oxide) (PEO)와 poly(ethylene-co-vinyl acetate) (EVA)를 10%(w/v)로 용해시켜 glass plate에 캐스팅한 후 상온에 방치하여 용매를 완전히 날린 후 70℃에서 24시간 이상 건조시켰다. Blend 조성은 PEO/EVAc-1(wt/wt) 80/20, 60/40, 40/60, 20/80으로 제조하였고 제조된 막의 두께는 100-150μm 이다. 사용한 PEO는 MW100,000,EVA의 VAc 함량은 40wt%이다. 기체투과 실험은 B. S. Chem 사의 GPA-2001을 사용하여 측정하였으며, 기체 투과막의 단면적은 14.7cm²이다.

PEBAX[poly(ether-block-amide)는 soft flexible polyether부분과 hard rigid polyamide 부분으로 이루어진 열가소성 탄소체이다. 부드러운 polyether 부분은 기체투과에 있어 높은 투과도를 제공하고 단단한 polyamide 부분은 기계적 강도가 좋고 기체 선택성 또한 우수하다. GO(Graphene oxide)는 자연계에 널리 존재하는 흑연으로부터 제조되는데 기체투과에 있어 선택적 배리어로서 작용할 수 있다. 본 연구에서는 PEBAX-GO 복합막을 GO 함량을 달리하여 제조하고 제조된 막의 물리화학적 특성, 기체투과도, 선택성에 대해 연구하였다.

본 연구에서는 보다 플루오렌기를 포함한 폴리술폰 (PSf)과 PEG를 공중합시켜 분리막을 제조하였다. PEG 특성 피크 (2950 cm−1,1110cm−1)의 확인을 통해 PEG가 도입을 확인하였다. PSf-PEG 분리막이 단일 유리전이온도를 가지는 것을 확인 하였으며 분자량 6000 PEG가 10 mol%가 포함된 PSf-PEG 분리막에서만 60 °C 부근에서 용융점이 나타났다. PSf-PEG 분리막의 CO2기체투과도는 PEG함량에 따라 감소하였지만 CO2/N2선택도는 증가하는 경향을 보였다. 비슷한 함량에서 PEG의 분자량이 증가함에 따라 CO2투과도는 증가하는 경향을 보였다.

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

본 연구는 선행연구된 DOCDA-ODA 와 DOCDA-MDA에 벌키한 메틸치환기를 가지는 다이아민을 추가하여 기체투과도를 향상시키고자 하였다. 5-(2,5-dioxotetrahydrofuryl)-3-methyl-3-cyclohexene-1,2-dicarboxylic anhydride(DOCDA)는 부분적으로 지환족을 가지고 있는데, 이러한 비대칭구조는 용해성을 향상시킨다. 이와 같은 DOCDA를 m-TDA, p-DMPD, m-TrMPD(50mol%) : ODA 또는 MDA(50mol%)로 하여 one-step법으로 폴리이미드 공중합체를 합성하였다. 합성된 폴리이미드 공중합체는 FT-IR 구조분석을 통해 합성여부를 확인하였고, 여러 가지 물성 분석 및 CO2, O2, N2, CH4에 대한 기체투과도를 측정하였다.

석유화학제품의 기초 원료인 프로필렌은 Naphtha Cracker에서 나오는 프로필렌/프로판 혼합물을 저온증류하여 생산되며 이들을 분리하기 위해서는 많은 에너지가 소비된다. 따라서 플랜트규모가 작고 에너지 소비가 작은 막분리법이 대체법으로 연구가 진행되고 있다. 분리막 소재 중 폴리이미드는 높은 기계적 강도, 내열성, 내화학성을 가지고 있으며 특히 cardo 구조의 폴리이미드는 분별자유부피가 크기 때문에 투과도가 좋은 특징을 가지고 있다. 따라서 본 연구에서는 cardo 구조의 BAPF를 이용하여 폴리이미드 및 폴리이미드 공중합체를 합성하였고 FT-IR을 통해 합성이 이루어졌음을 확인하였다. 또한, time-lag 장치를 통해 프로필렌과 프로판의 기체투과특성을 알아보았다.

산소 분리를 위한 세라믹 중공사막을 상전이 방적기술을 통해 제조하였다. Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ 선구 물질을 고분자 용액에 분산시킨 후 이중관형 노즐을 통해 사출한 후 상전이, 건조한 후 분리막의 한쪽 끝을 밀봉하였다. La0.6Sr0.4Ti0.3Fe0.7O3-δ 코팅 층은 dip coating 방법으로 제조되었으며 최종적으로 고온에서 소결하여 La0.6Sr0.4Ti0.3Fe0.7O3-δ로 코팅된 one end-closed type Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ 중공사막을 제조하였다. 산소투과실험은 대기 중 공기를 사용하였으며 진공펌프를 연결하여 투과된 산소 유량 및 순도를 측정하였다.