고분자 분리막을 통한 기체 분리메커니즘은 기체의 용해 및 확산으로 진행 되어진다. 따라서 기체 분리 성능은 용해도 또는 확산도에 좌우되어진다. 이에 연구자들은 산화탄소와 같은 극성 기체의 용해도를 향상시키기 위해 acylation, bromination, sulfonation과 같은 화학적 개질을 통한 연구들을 진행하였고 또한 술폰산기를 가지는 고분자에 금속이온을 치환시켜 이산화탄소 선택도를 증가시킨 연구가 진행되어 보고되었다. 본 연구에서는 biphenol기와 fluorene기를 가 지는 Sulfonated Poly(arylene ehter sulfone) (SPAES) 고분자 분리막을 제조하였 으며 술폰화 정도와 치환된 극성 그룹의 종류에 따른 기체투과특성을 알아보고자 하였다.

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

Graphene oxide (GO) has been extensively studied for membrane material for gas and liquid separation due to its outstanding features such as selective CO2 or water vapor transport properties. Although GO membranes can be easily fabricated in the form of thin-film composite membranes by using high-flux polymeric support membranes, it shows relatively low gas permeability due to high tortuosity. Here we report the way to improve gas permeation rate through porous graphene oxide by reducing the gas permeation pathway, with maintaining GO’s two-dimensional structure. We also used polymer, which has high CO2/N2 selectivity, and prepared GO/polymer composite membranes as a function of GO concentration. This study will provide a further insight on how such two-dimensional nanosheets can be harmonized with polymer and improved membrane properties.

A cost-effective, easy method for enhancing the CO2 permeance and CO2/N2 selectivity of mixed matrix membranes (MMMs) was fabricated using commercially available MgCO3 crystals. The MgCO3 crystals were homogenously dispersed in polymer matrices via mechanical stirring to prepare MMMs. In particular, an amphiphilic comb polymer (CP) consisting of poly(ethylene glycol) behenyl ether methacrylate (PEGBEM) and poly(oxyethylene methacrylate) (POEM) was shown to be ideal matrix because of the interactions between its carbonyl oxygen atoms and MgCO3. Through SEM, HR-TEM, WAXS, DSC, FT-IR, N2 adsorption-desorption isotherm measurements and Raman spectroscopies, the MgCO3 and CP/MgCO3 hybrids were characterized. The CP/MgCO3 MMM with 45 wt% MgCO3 exhibited the highest CO2/N2 selectivity of 93.8 and CO2 permeance of 30.9 GPU.

폴리이미드는 높은 기계적 강도, 내열성 및 내화학성 등 많은 강점을 가지고 있음에도 불구하고 유기용제에 대한 낮은 용해성으로 인해 막을 제조할 경우 많은 제약을 받고 있다. 따라서 본 연구에서는 구조적으로 낮은 분자간 상호작 용 및 패킹을 가지는 지환족구조의 다이안하이라이드인 DOCDA 를 이용하여 용해성 폴리이미드를 합성하였다. FT-IR을 통해 합성이 성공적으로 이루어졌음을 확인하였고 용해성 평가를 통해 여러 가지 유기용매에 대한 향상된 용해성을 확인하였다. H2, CO2, CH4에 대한 투과특성평가 결과 상용화된 폴리이미드막 과 비슷한 성능을 나타내었고 특히, CO2/CH4, H2/CH4에 대해 높은 선택도를 나타내었다.

CO2 capture technologies have been highlighted over the past decades because of global warming. Among the various technologies for CO2 capture, facilitated CO2 transport membranes show high CO2 selective performance by introducing carrier which interacts with CO2. In this presentation, we prepared and investigated facilitated CO2 transport membrane comprising potassium bis[(trifluoromethyl)sulfonylimide] (TF2N) dissolved in a polymer matrix of Pebax1657. Adding potassium salt to the membrane shows further improvement in gas permeabilities while maintaining or even improving the gas selectivity, compared to the corresponding neat polymer membrane. Therefore, we have demonstrated that KTF2N can act as dual carrier for CO2 and its facilitated transport membrane could be very effective in enhancing the CO2 separation performance.

하수슬러지와 같이 수분이 많이 함유된 폐기물 소각에 있어 순산소 연소기술은 공기 중의 질소를 배제하므로 장치의 크기를 줄일 수 있고 NOX의 배출을 줄 일 수 있는 고효율 연소 기술이다. 순산소 연소는 고효율 연소의 장점은 있으나 산소 제조 비용이 고가라는 문제점이 대두되어 왔다. 최근 저가 산소를 제조하기 위한 이온전도성 분리막 및 모듈이 개발되었고, 이를 소각로의 배열을 이용하여 운전한다면 산소제조 비용을 낮출 수 있는 장점이 있지만 장시간 대기 중의 CO2 노출 시 분리막 표면에 탄산염이 형성되어 성능이 저하됨을 확인되었다. 본 연구에서는 소각로에 순산소를 공급하고 고농도의 CO2를 sweep gas로 활 용하여 이온전도성 산소 분리막을 운영할 수 있도록 CO2 내성을 갖는 중공사막을 개발하였다.

Cu nanoparticles generated by redox reduction with Fe2+ ions and porous KIT-6 were utilized for high selectivity and permeance. When positively polarized Cu nanoparticles were generated and porous KIT-6 materials were incorporated into ionic liquid 1-butyl-3-methyl imidazolium tetrafluoroborate (BMIM BF4), these membranes showed the selectivity for CO2/N2 and CO2/CH4 was largely enhanced to 16.4 and 23.4, respectively while neat BMIMBF4 was 5.0 and 4.8, respectively. Furthermore, the CO2 permeance was also enhanced to 50.7 GPU. It was thought that these enhancements of separation performance was attributed to both the facilitated transport by polarized CuNPs and the increase of diffusivity by porous materials. Therefore, highly selective and permeable membrane for CO2 separation was successfully prepared.

대기 중 이산화탄소 (이하 CO2) 농도 증가가 왕담배나방(Helicoverpa armiger)의 성페로몬 인식과 합성에 미치는 영향을 조사하였다. 성페로몬 유인제에 대한 왕담배나방 수컷 성충에 대한 풍동실험과 전기촉각전도법(EAG) 실험 결과, 대기 중 CO2 농도가 증가하면 곤충 안테나의 페로몬 감각기에 영향을 미쳐 페로몬성분에 대한 페로몬 감각기의 반응이 감소하였고, 행동반응은 1,000 ppm에서 유의하게 감소하였다. 암컷의 성페로몬 생산은 오히려 CO2 농도가 증가하면 더 많이 생산되었다. 이 두 가지 현상, 수컷의 페로몬 인식과 암컷의 페로몬 생산, 의 상호작용에 의해 교미율은 600 ppm에서 가장 높아졌다가 1,000 ppm에서 감소하였다. 대기 중 CO2 농도에 따른 성페로몬 인식과 생산의 변화는 머리에 있는 CO2 감각기와 관련된 것으로 여겨진다. 성페로몬 인식과정에서 CO2 감각기는 페로몬 감각기로부터 온 페로몬 신호의 해석과 관련된 것으로 보인다. 실제로 CO2 감각기가 제거된 수컷 성충은 정상 수컷보다 성페로몬 루어에 대한 유인 행동이 유의하게 감소하였다.

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.

지구온난화에 대한 현사시나무의 적응반응을 구명하기 위해서, CO2농도 및 기온 상승된 조건에서 80 일간 생장한 현사시나무 삽목묘의 수분생리특성을 조사하였다. 대조구는 기온이 주간 22℃, 야간 17℃ 이고, CO2농도는 주간 380ppm, 야간 400ppm이다. CO2농도 및 기온을 상승시킨 처리구는 기온이 주 간 27℃, 야간 22℃이고, CO2농도는 주간 770ppm, 야간 790ppm이다. 처리구는 잎이 전개된 개수, 개 엽의 평균면적, 전체 엽면적이 대조구에 비해서 낮은 값을 나타냈다. 그리고 처리구는 대조구에 비하여 지상부의 건중량이 적고, 지하부의 건중량이 많았으며, 지하부에 대한 바이오매스의 분배율이 높았다. 이러한 결과로 CO2농도 및 기온이 상승되면 수분을 필요로 하는 동화기관의 면적이 감소되고, 수분을 흡수하는 지하부에 대한 바이오매스 분배율이 높아짐을 확인할 수 있었다. 또한 처리구는 광도 및 CO2 농도의 변화에 상관없이 기공전도도와 증산속도가 대조구에 비하여 낮게 유지되고 광합성에 대한 수분 이용효율이 대조구보다 높게 나타냈다. 이 결과를 통하여 동화기관의 수분손실 억제반응과 수분이용효 율이 증대반응을 확인할 수 있었다. 그리고 처리구는 절단한 잎이 건조공기에 노출되어도 상대함수율이 대조구에 비하여 천천히 감소하는 경향을 나타내 동화기관의 수분손실 억제반응이 재확인되었다.

A novel CO2 soluble azide cross-linker was used for fabrication of cross-linked 6FDA-durene membrane (AIM-PIs) and studied along the cross-linking density changed for high performance CO2-separation. The synthesis, characterization of these materials, together with the properties of the corresponding polymer membranes, including gas separation properties, will be discussed in detail.

Membrane technology for CO2 capture from flue-gas has been intensively considered due to their energy efficiency, small footprint and process accessibility for large-scale up without any by-products. There are many world-score membrane materials has been developed so far, and large-scale modulation and process design are key issues for industrial application in carbon capture technology. To reach the goal of high purity as well as high recovery, configuration and operation parameter should be optimized in aspect of process design. In this study, single membrane module performance for process design and the multi-stage membrane configuration has been suggested to optimize operating parameter for high purity and recovery. Operation parameters such as stage-cut and pressure ratio will also be discussed for high purity and recovery.

폴리설폰 분리막을 이용한 바이오 메탄 가스 농축 특성을 수치 해석적 방법으로 분석하였다. Compaq Visual Fortran 6.6 소프트웨어를 사용하여 분리막 모듈 2단 공정을 수치 해석하였다. 전산 모사 결과 다음과 같은 결과들을 얻을 수 있었다. 공급측 압력이 높고 분리막 면적이 넓고 공급 유량이 적고 공급 기체 내 메탄 몰분율이 낮을수록 메탄의 순도는 높아지고 회수율은 감소함을 알 수 있었다. 주어진 전형적인 메탄 공급 농도 0.5 몰분율 조건에서는 2단 공정으로는 메탄 순도 95%와 메탄 회수율 95%를 얻기 어려우므로 이와같은 목적을 충족시키기 위해서는 3단 공정으로 구성하거나 공급 기체 내의 메탄 순도를 어느 수준 높일 필요가 있을 것으로 판단된다.

매립지에서 발생되는 바이오 가스를 정제하여 고순도 메탄을 얻음으로써 높은 열량을 갖는 가스로 전환 시킬 수 있다. 이를 자동차 연료나 도시가스로 활용할 경우 경제적 효과가 매우 클 것으로 예상된다. 본 연구에서는 다양한 조건의 공급기체 변화와 그에 따른 공정조건의 변화를 통해 최종 메탄농도 95%와 회수율 95%를 만족하는 3단 중공사막 모듈 재순환 공정에 대하여 메탄과 이산화탄소 혼합기체 투과실험으로 얻은 메탄 분압의 함수로 나타낸 투과도를 이용하여 메탄농도 75%∼80%, 공급유량 30 L/min∼100 L/min, 공급압력 5 atm∼15 atm, 막면적 0.85 m²∼3.42 m²으로 변화시켜 전산모사를 수행하였으며, 이러한 조건 변화들에 따른 메탄순도와 회수율의 변화를 전산모사 하고자 하였다.

Amphiphilic comb copolymers composed of poly(ethylene glycol) behenyl ether methacrylate (PEGBEM) and poly(oxyethylene methacrylate) (POEM) were synthesized via facile free radical polymerization. The structure of PEGBEM-g-POEM comb copolymer was confirmed by fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) spectroscopy, gel permeation chromatography (GPC) and nuclear magnetic resonance (1H NMR). Due to great solubility in ethanol, the PEGBEM-g-POEM comb copolymer could be directly coated onto the polysulfone supporting layer to prepare composite membranes. The maximum CO2/N2 selectivity of the PEGBEM-g-POEM membrane reached 84.7 together with a high CO2 permeance of 21.9 GPU (1 GPU = 10-6cm³(STP) / (s×cm²×cmHg).

The carbon capture and storage (CCS) technology from industrial flue-gas is an important environmental issue these days. Membrane process can be competitive technology for its relatively small footprint and eco-friendly system. Many membrane modules with high selectivity and excellent flux have been developed so far. However, the high purity and recovery for CO2 capture can be achieved by optimization of operating conditions such as membrane area, feed/permeate pressure ratio and humidity of flue gas as well as membrane permeance or selectivity. In this study, we discuss the effect of operating parameters for high CO2 purity and recovery at permeate side. Using polymeric hollow fiber membrane, the single membrane process was tested to figure out the effect of feed flow rate, pressure ratio, membrane area and moisture content.

Metal organic framework (MOF)는 높은 표면적, 균일한 공극, 크기를 가지는 새로운 클래스의 porous material 이다. MOF는 금속과 organic linker가 coordination 결합에 의해 결합되고, 열적 안정성을 나타내고, 높은 표면적 때문에 촉매, 분리, 가스저장 등 다양한 분야에 적용될 수 있다. 본 연구에서는 높은 CO2/N2 선택도를 가지는 MOF를 빠르게 분석하기 위해, high-throughput 가스흡착 시스템을 개발하였고, 수십 개의 MOF를 합성하여 선택도, adsorption capacity, diffusivity, 물, 산성가스에 대한 안정성을 분석하여, 선택된 MOF를 폴리머와 결합하여 mixed matrix 멤브레인을 제조 하였다.

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.

지난 수십 년 동안, 고분자막은 기체 분리 분야에서 큰 역할을 해왔다. 온실가스의 주범인 이산화탄소를 분리하기 위해서는 더 높은 투과선택도와 장수명 및 대면적 등을 요구한다. 하지만 기존 고분자 분리막들은 투과도와 선택도의 역상관 관계 특징을 지니고 있으며, 무기물질은 투과성능이 우수하지만 가격이 비싸다는 단점이 있다. 최근 많은 연구가 진행되어온 혼합 매질 분리막은 고분자와 무기물질의 이점들을 혼합하여 기체 분리막의 차세대로서 큰 이목을 이끌고 있다. 혼합 매질 분리막은 대칭적인 구조 또는 비대칭적인 구조를 가지고 있으며, 투과량을 증가시키기 위해서는 비대칭적인 구조가 바람직하 다. 혼합 매질 분리막에서 가장 중요한 변수로는 무기입자의 균일한 분산과 무기물과 고분자 사이의 좋은 계면을 형성하는 것이다. 최근에 새로운 분류의 다공성 결정성 물질인 금속 유기 구조체(MOF)는 이산화탄소 분리용 소재로써 많은 관심을 끌 고 있다. MOF의 한 종류 중, zeolitic imidazolate frameworks (ZIF)는 가장 흔하게 사용되는 무기입자이며 이는 입자의 크기 를 작게 만들 수 있으며, CO2를 분리하기에 적절한 기공의 크기를 가지고 있기 때문이다. 이 밖에 혼합 매질 분리막에 사용 되는 특정 물질들을 적용하기 위해서는 선택도와 크기, 호환성, 안정성 등을 동시에 최적화시켜야 한다. 이와 같이 본 총설에 서는, 혼합 매질 분리막에 관련된 주요 연구내용과 이러한 연구를 수행하는 대표적인 전략들을 소개하였다.