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.

본 연구에서는 높은 제거성능을 가지는 분리막 개발하기 위해, 상전이법을 이용하여 이중구조의 중공사형 한외여과막을 제조하였다. 방사조건에서 에어갭, 내부응고제를 조절하여 중공사를 제조하였다. 분리막의 단면과 표면 모폴로지는 전계방출형주사현미경(FE-SEM)을 이용하여 관찰 할 수 있었으며, 수투과도와 제거성능 평가는 0.2cm2의 테스트 모듈을 제작하여 각각 측정하였다. 50nm PS latex bead를 이용하여 분리막의 공칭공경을 측정하였다. 측정결과 50nm 이하의 공칭공경을 가지는 것을 확인 할 수 있었으며, 박테리아 제거성능은 log 6 이상의 높은 값을 나타내는 것을 확인하였다.

본 연구에서는 높은 제거성능을 가지는 분리막 개발하기 위해, 상전황법을 이용하여 중공사 형태의 한외여과막을 제조하였다. 방사조건에서 고분자 농도, 에어갭, 내부응고제를 조절하여 중공사를 제조하였다. 분리막의 단면과 표면 모폴로지는 전계방출형주사현미경(FE-SEM)을 이용하여 관찰 할 수 있었으며, 수투과도와 제거성능 평가는 0.2cm2 의 테스트 모듈을 제작하여 각각 측정하였다. 50nm와 30nm PS latex bead를 이용하여 분리막의 공칭공경을 측정하였다. 측정결과 30nm 이하의 공칭공경을 가지는 것을 확인 할 수 있었으며, 미생물 제거성능은 log 6 이상의 높은 값을 나태내는 것을 확인하였다.

침지식분리막 오염을 최소화하기 위한 두 가지 공기세정방식을 비교하였다. 연속적인 공기세정과 단계별 공기량을 증가시키는 방식을 연구하였다. 15분의 여과 중에 세정공기의 증가는 5분마다 단계별로 공기량을 증가시켜주었다. 모의 여과 원수에 분말활성탄을 10 g/L 이하 그리고 카올린은 20 g/L 이하로 준비하였으며, 플러스는 80 LMH로 하였다. 단계별 공기세정방식은 연속적인 공기세정 방식보다 분리막 오염억제에 효과적이었다. 추가적으로 주입된 응집제는 분리막 오염저감을 보다 향상시켰다. 연속적인 공기세정의 오염현상은 공경막힘과 분리막 표면에 지속적인 입자의 축적에 기인하였다.

막증류(membrane distillation, MD)용 분리막의 장기 내구성능에 영향을 미치는 인자인 소수성 분리막의 젖음 현상에 대한 평가 지표로 사용되는 액체투과압력(liquid entry pressure, LEP) 측정 방법을 최적화하였다. PE (polyethylene) 분리막 및 PVDF (polyvinylidene di-fluoride) 중공사 분리막의 LEP를 측정하기 위하여 20 wt%의 고농도 염수를 제조하여 원수로 사용하고 투과수의 전도도를 모니터링하였다. PE와 PVDF 중공사 분리막의 신뢰성 있는 LEP 측정을 위해서는 5 min 이상의 holing time을 두고 주입 압력을 증가시켜야 하며, 증류수 수조의 물량대비 분리막의 면적비 또한 10 m2/m3 이상으로 부여되어야 함을 확인하였다.

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.

NF3 가스는 반도체산업 공정에서 클리닝과 에천트로서 사용되는 고가의 불소기반가스로써 높은 지구 온난화지수를 가지고 있다. 현재 국내에서 NF3 가스는 N2와 혼합된 형태로 추가 정제 과정 없이 대기 중으로 배출된다. 따라서 환경보호 및 높은 부가가치를 위해서 분리·정제를 통한 NF3 가스 재사용이 필요하다. 본 연구에서는 글리세롤과 아세톤을 첨가하여 NF3 분리용 Polysulfone 중공사막의 기공형태 변화를 관찰하였다. 그리고 PDMS, PTMSP, AF 등의 고분자를 지지체 표면에 농도별로 코팅하여 N2/NF3 투과성능을 비교하였다. PDMS, PTMSP, AF를 코팅한 중공사막에서 투과도는 각각 1.94, 6.79, 6.86 GPU를 나타냈고 선택도는 5.10, 2.53, 6.12로 측정되었다.

매립지, 하수처리장 등 혐기성 공정에서 발생하는 바이오가스의 CO2를 제거하고 CH4를 연료로 사용하는 분리 정제 기술이 주목을 받고 있다. 매립지가스에는 35~55%의 CH4, 20~45%의 CO2 및 미량의 암모니아, 황화수소, 실록산 등 포함되어 있다. 본 연구에서는 제습, 탈황, 탈실록산 등의 전처리 과정을 통해 얻어진 가스를 PES(polyethersulfone) 중공사막을 이용하여 CO2/CH4 혼합가스의 투과특성을 관찰하였고 순도 95%의 CH4와 90%의 높은 회수율을 얻을 수 있는 분리막 공정을 설계하였다.

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.

분리막/흡수제 하이브리드 기술인 접촉막 공정은 CO2 분리 효율을 높일 수 있는 방안으로 주목 받고 있다. 기존의 고분자 분리막은 젖음 현상으로 인한 CO2 흡수 특성 감소의 문제가 제기되고 있다. 따라서 본 연구에서는 화학적, 열적 안정성이 뛰어난 세라믹 소재를 이용하여 중공사막을 제조하여 사용하였다. 또한, CO2 흡수 효율을 높이기 위하여 표면을 소수성으로 개질하고, 특성 변화를 확인하였다. 소수성 중공사막을 적용한 단일 분리막 흡수장치에서 운전 조건에 따른 CO2 흡수 특성을 확인하여 보았다.

본 실험에서는 다양한 PP를 이용하여 필름과 중공사의 형태로 압축과 사출을 통해서 제작되었다. 권취속도를 달리하여 중공사막을 제조하였으며, 코어로는 질소를 사용하였다. 제작된 필름과 중공사막은 만능재료시험기를 이용하여 응력과 변현율을 측정하였다. 그리고 시차주사열량계(DSC)를 이용하여 각각의 샘플의 Tm, Tc, 결정화도를 측정하였고, 냉각속도에 따른 결정화도의 거동을 조사하였다. 전계방출형주사현미경(FE-SEM)을 이용하여 단면, 표면의 모폴로지를 관찰하였다.

본 실험에서는 고분자의 농도, 첨가제의 종류 및 함량에 따라 도프 용액을 이용하여 분리막제조하였다. 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/min 으로 높은 값을 나타내었으며, 필터화모듈의 경우 수투과도는 1.6 LPM의 높은 투수량을 나타내며, 박테리아와 바이러스의 제거성능은 log 6 의 값의 높은 수치를 보였다.

고분자 분리막을 이용한 기체 분리는 기체의 막에 대한 투과도 차이를 이용하여 분리하는 하나의 새로운 공정 방법이다. 기체 분리용 고분자 소재로는 폴리술폰, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리카보네이트, 폴리이미드 등의 방향족 고분자들이 주로 사용되었다. 현재 이중에서도 유리상 고분자인 폴리이미드의 경우 높은 온도에서 기계적 강도가 매우 좋으며, 그 외에도 내화학성, 높은 기체 선택성을 보이는 뛰어난 소재로 많은 응용 분야에서 매우 활발하게 연구되고 있다. 본 연구에서는 기체 분리에 대해 여러 가지 장점을 가지고 있는 폴리이미드계 고분자 중 애경유화(주)에서 합성된 폴리이미드 고분자를 이용하여 상전이법에 의해 전구체 중공사막을 제조하였다. 최종적으로 제조된 기체 분리막에 대한 기체 투과 특성을 알아보고자 한다.

Flaring gas에서 CO2 제거를 위해 폴리술폰 고분자를 이용한 중공사막을 제조하였다. 제조된 중공사막은 1단과 2단 공정의 전산모사와 실제 공정을 통해서 CH4 농도 99% 이상 CO2 농도 1% 미만의 운전조건과 성능을 확인하였다. 또한 25 Nm3/h 급 bench scale CO2 분리막 연속공정에서 100시간의 운전시간 동안 CO2의 농도를 1% 미만으로 안정적으로 운전 하였고 이때의 CH4 회수율은 약 98%였다.

본 연구는 가축분뇨 혐기성소화에서 발생된 바이오가스 이용 활성화를 위하여 효율적인 가스성상별 분리 및 정제 방법을 모색코자 수행하였다. 바이오가스의 분리 및 정제를 위하여 폴리술폰 고분자 소재를 상분리법을 이용하여 중공사막을 제조하였고, 중공사막이 충진된 맴브레인 모듈을 제작하여 바이오 가스 분리 및 정제를 실시하였다. 이러한 특징을 가진 중공사막을 사용하여 멤브레인 모듈을 제작하였으며, 제작된 멤브레인 모듈을 사용하여 혐기성소화조에서 발생하는 바이오가스를 분리 및 정제하였다. 바이오가스의 분리 및 정제를 위해서 멤브레인 모듈에 공급한 바이오가스는 실록산 0.1 ppm 이하, H2S 3 ppm 이하, Dewpoint –20℃ 이하로 제어하여 공급하였다. 멤브레인 모듈의 운전압력은 4∼7 ㎏f/㎠, 온도의 범위는 15∼45℃이였다. 가축분뇨에서 발생하는 바이오가스를 분리 및 정제한 결과, CH4 94.2%, CO2 92.0%로 분리 및 정제되었으며, 회수율은 CH4 102.1%, CO2 83.5%가 회수되었다. 따라서 본 연구에서 제작한 멤브레인 모듈을 사용한 바이오가스의 분리 및 정제 실험을 통해서 분리 전 바이오 가스의 성분(CH4 68%, CO2 28%, O2 0.6%, H2S 1 ppm 이하, Balance 2.7%)에 대해서 CH4 94.2%, CO2 92.0%의 고농도 분리 및 정제가 가능한 것을 알 수 있었다.

바이오가스로부터 폴리설폰 분리막을 이용한 메탄 농축 특성을 수치해석 방법으로 분석하였다. 향류 흐름 분리막공정의 지배 방정식을 유도하고 무차원화 한 후 Compaq Visual Fortran 6.6 소프트웨어을 이용하여 공정모사하였다. 공급 기체의 메탄 몰분율이 0.5인 경우 주어진 전형적 운전조건 상태에서 분리막 길이에 따른 잔류 측의 메탄 몰분율은 시점에서 종점으로 이동하면서 0.5에서 0.8로 증가하였으며 공급유량 대비 잔류유량 비율은 1.0에서 0.57으로 감소하였다. 공급 메탄 몰분율을 0.9로 변화시킨 경우 잔류 측의 최종 메탄 몰분율은 0.93으로, 공급대비 잔류유량은 0.91로 증가하였다. 공급 측 압력이 증가하여 투과 측 압력 대 공급 측 압력 비 값이 0.33에서 0.17로 변경될 경우 단 수율이 0.1과 같이 낮은 영역에서는 잔류 측 메탄 농도 변화가 거의 없는 반면, 단 수율이 0.3과 같이 높은 영역에서는 증가함을 확인할 수 있었다. 분리막 면적이1.14 m2에서 2.57 m2로 증가되면 단 수율의 변화에도 불구하고 잔류 측 메탄 농도가 비교적 높게 유지됨을 알 수 있었다.

자동차 연료용 바이오가스의 고순도 메탄 분리정제를 위해 2단 재순환 분리막 공정을 연구하였다. 2단 재순환 분리막공정을 개발하기 위해 폴리설폰(Polysulfone) 중공사 모듈을 채택하여 이산화탄소, 메탄의 순수투과도를 측정하였다. 또한 모델 혼합가스를 대상으로 모듈의 메탄농도와 압력에 대해 투과실험을 수행하여 메탄의 농도와 회수율에 대한 연구를 수행하였다. 그 결과를 토대로 2단 재순환 분리막 파일럿 플랜트를 제작하였으며 현장에서 발생되는 바이오가스를 대상으로 공정변수에 대한 메탄 회수율과 농도에 관한 투과실험을 수행하였다. 제습기와 탈황설비 등의 전처리설비를 거쳐 가스 내의 수분을 500 ppm 이하, 바이오가스내의 황화수소 농도를 20 ppm 이하로 제거하였으며 그 정제된 혼합가스를 대상으로 파일럿 분리막 공정의 막면적비에 따른 운전결과를 알아보기 위하여 1, 2단의 막면적비가 각각 1:1, 1:3, 2:2가 되도록 구성하여 실험을 진행한 결과, 1단의 막면적은 1 m2로 동일하고 2단의 면적비가 1 m2에서 3 m2로 증가하였을 경우 최종 공급유량은 6.6 L/min에서 80.7 L/min로 그리고 메탄 회수율은 메탄순도 95%에서 47.1%에서 92.5%로 증가하였다. 또한, 막 면적비가 1:1로 동일한 경우 전체 면적이 2배로 증가함에 따라서 유량은6.6 L/min에서 100.8 L/min로 회수율은 47.1에서 88.3%를 나타내었다. 1:3 면적비에서 공급유량이 증가하는 경우, 최종 메탄 순도는 감소하고 메탄 회수율은 증가하는 것을 알 수 있었다. 운전압력이 증가할수록 공급유량은 증가하고 회수율은 다소 감소하는 것으로 나타났다. 실험을 통해 유효막면적, 공급압력과 공급유량의 변화가 공정 성능향상에 중요한 영향을 미친다는 것을 확인하였다.

본 연구에서는 PVDF 중공사막을 열유도상분리와 연신의 복합공정에 의해 제조하였으며, 연신비에 따른 분리막의 구조 및 물성을 분석하였다. 이 분리막 제조의 메카니즘은 액-액 상분리에 기초하며, 최종 중공사막은 bicontinuous한 구조와 연신에 의해 fibrill 구조를 가지게 되어, 구정(spherulite)구조를 갖는 고-액 상분리막과 bicontinuous한 구조만을 갖는 액-액상분리막과 차별화된다. 우선, TIPS공정을 통해, gamma-butyrolacton, dimethyl phthalate (DMP), diethyl phthalate (DEP), di-butyl phthalate (DBP) 등을 단일 혹은 이들을 조합한 혼합 diluent로 사용하여, 냉각조건, PVDF와 희석제의 함량을 조절하면서 중공사막 전구체를 제조하고, 후속공정인 연신에 의해 최종적으로 중공사막의 외부표면을 porous하게, 혹은 dense하게 만들 수 있었다. 연신된 중공사막을 에탄올에 추출, 건조한 후 SEM을 통하여 pore 구조의 변화를 관찰하였으며, 수투과량, 다공도, 기공 크기, 표면 거칠기, 인장강도 등의 변화를 분석하였다.

Poly (vinylidene fluoride) (PVDF)의 소수성 중공사막 표면에 계면중합하여 복합막을 제조하였다. Piperazine (PIP)과 trimesoyl chloride (TMC)의 농도변화, polyethylene glycol (PEG)의 함량변화에 따라 막을 제조하였으며, 막의 특성평가를 위해 100 ppm의 NaCl, CaSO₄, MgCl₂ 용액과 NaCl과 CaSO₄를 혼합하여 제조한 300 ppm의 공급액에 대한 막의 투과도와 배제율을 알아보고자 하였다. TMC를 사용하여 계면중합하였을 때 막의 투과도와 배제율이 가장 높게 나타났으며, 0.1~1 wt%로 TMC 농도를 변화시켜 가며 실험을 수행한 결과 0.1 wt%일 때 NaCl 100 ppm에 대해 투과도 48.3 LMH (L/m²·hr)와 배제율 59%로 가장 높은 값을 나타내었다. 또한, 투과도를 향상시키기 위해 annealing처리와 piperazine에 PEG를 첨가하여 실험을 수행하였다. 실험결과 처리하지 않은 막에 비해 투과도는 전체적으로 향상되는 모습을 나타냈지만배제율이 감소하는 경향을 나타내었다.

Poly vinylidene fluoride (PVDF) 중공사막을 polyethylenimine (PEI)와 p-xylylene dichloride (XDC)를 이용해 친 수화 시킨 후 poly(vinyl alcohol) (PVA)과 가교제인 poly(acrylic acid-co-maleic acid) (PAM) 혼합용액을 코팅하여 막을 제조 하였다. 중공사막 표면의 코팅여부는 scanning electron microscope (SEM)을 통해 관찰하였으며, 막의 특성평가를 위해 물/에 탄올 혼합액에 대한 투과증발 실험을 수행하였다. 공급액 조성은 90 wt% 에탄올 수용액을 사용하였으며, 가교제 농도, 공급 액과 반응온도 변화에 따른 투과도 및 선택도를 측정하였다. 투과도는 반응온도 100°C, PAM 농도 3 wt%, 공급액온도 70°C 에서 1,480 g/m 2 hr, 그리고 선택도는 반응온도 100°C, PAM 농도 15 wt%, 공급액온도 25°C에서 αW/E = 82의 결과를 얻을 수 있었다.