본 연구에서는 폴리술폰 분리막을 이용한 바이오가스 정제 공정으로 고선택성 소재를 이용한 2단 공정의 높은 회 수율 및 경제성과 동등한 수준의 회수율을 확보하기 위해 저온 고압의 분리막 공정을 설계하고 평가하였다. 폴리술폰 고분자 를 4성분계 도프를 이용하여 비용매 유도 상전이법으로 중공사 분리막을 제조하였다. 기체 분리용 중공사 분리막은 1.6 m2의 유효 막면적을 갖는 샘플을 제조하여 상온 및 저온에서 기체 투과 특성을 평가하였다. 제조된 기체분리막 모듈의 온도에 따 른 기체 투과 특성을 분석하기 위하여 온도별 단일 기체 투과도를 평가한 결과 이산화탄소와 메탄 투과도는 20°C에서 각각 412, 12.7 GPU이며, -20°C에서는 각각 280, 3.6 GPU로써 이상 선택도는 32.4에서 77.8로 향상되었다. 단일 기체 투과 테스 트 후 혼합 기체에 대한 분리 테스트를 진행하였으며, 모듈 1단 구성 및 2단 구성(막 면적비 1:1, 1:2, 1:3)을 통하여 투과 거 동을 살펴보았다. 1단 구성에서는 stage-cut이 상승함에 따라 메탄의 농도가 상승하지만, 반대로 회수율은 떨어지는 결과를 나 타내었다. 2단 구성 테스트에서는 메탄 농도 97% 기준에서 막 면적비 1:1보다 1:3이 메탄의 회수율이 더 높게 측정되었으며, 공급 기체의 온도가 낮을수록 메탄의 회수율이 높아짐을 확인하였고, 최종적으로 폴리술폰 2단 공정에서 메탄 농도 97%, 회 수율 97%의 결과를 달성하였다.

본 연구에서는, 혐기성 처리수에 용해된 바이오가스의 회수를 위해 불화 실리카/고분자 중공사 복합막을 제조하 고 막접촉기에서의 성능을 평가하였다. 복합막은 상용 폴리에테르이미드인(PEI) Ultem®을 이용하여 만든 중공사막 표면에 불 화 실리카를 강력한 공유 결합을 통해 코팅하는 방법으로 제조되었다. 막접촉기는 바이오가스로 포화된 수용액을 중공사의 외부에 공급하고, 중공사 내부로 기체를 투과시키는 방법으로 운전하였다. 높은 공극률을 가진 중공사막(PEI-fSiO2-A)은 액상 속도가 0.03 m/s일 때 메탄 회수 유량이 8.25 × 10-5 cm3 (STP)/cm2⋅s에 달했고 불화 실리카에 의해 표면 소수성이 매우 높 아져 물과의 접촉각이 75.6°에서 120~122°로 향상되었다. 본 연구에서 제조된 복합막은 바이오가스의 투과 속도와 소수성 모 두에서 탈기용으로 제조된 상용 폴리프로필렌 막보다 우수한 성능을 나타냈다.

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.

메탄은 중요한 온실가스 중의 하나이며, 바이오가스의 주 성분이다. 이러한 바이오가스로부터 메탄의 몰분율 농도 를 0.95 이상으로 회수하기 위하여 폴리설폰 중공사 분리막 모듈을 3단으로 연결하여 회수율을 99% 이상으로 얻을 수 있도 록 공정을 설계하고 전산 모사하였다. 수치 해석 시 이산화탄소 투과도와 선택도를 이산화탄소의 부분증기압 함수로 나타내어 전산 모사를 수행하여 정확도를 높이고자 하였다. 공급 기체 압력, 공급 기체 내 메탄 농도, 그리고 분리막 모듈 내 분리막 면적이 클수록, 생성물 내 메탄 몰분율 농도가 증가함을 알 수 있었다. 그러나 생성물 내 메탄 몰분율 농도를 0.95 이상, 동시 에 메탄 회수율을 99% 이상 얻기 위해서는 분리막 모듈의 분리막 면적을 적절히 선택하여야 하며, 선정된 분리막 모듈을 다단 공정으로 구성함에도 불구하고 공급 기체 압력, 공급 기체 유속, 그리고 공급 기체 메탄 농도를 제한적 범위 내에서 조절 하여야 함을 알 수 있었다.

압력-분배 탈기방식으로 막접촉기를 구성하여 바이오가스 정제를 하였다. 폴리프로필렌(PP) 중공사막 모듈과 물리흡수제를 이용하여 막접촉기 성능 평가를 수행하였다. 실험은 흡수 압력, 가스의 유량, 흡수 온도 및 흡수제의 농도등 다양한 조건에서 수행하였다. 특히 CO2 흡수능이 높은 상용 흡수제인 프로필렌카보네이트(PC)와 물의 혼합흡수제를 사용하여 회수성능이 향상되었다. 탈기 방법이 개선된 압력-분배 탈기방식의 막접촉기는 50% CO2/50% CH4의 바이오가스 모사가스로부터 바이오메탄을 98% CH4 순도와 91%의 회수율로 정제하였다. 따라서 압력-분배 막접촉기를 통해 바이오가스로부터 수송용 바이오메탄의 생산이 가능함을 확인하였다.

1970년대 중반 석유 파동 이후 대체 에너지 개발에 대한 관심이 커지면서 그 중에서 혐기성 공정에서 발생하는 바이오가스 생산과 활용 기술 개발에 대한 연구가 진행되고 있다. 바이오 가스의 주성분은 50-70%CH4/30-40%CO2으로 이루어져 있고 이 때 메탄을 > 95% 순도로 농축하면 도시가스와 자동차 연료로 사용이 가능하다. 바이오가스의 정제기술로 막 분리법은 낮은 에너지 소모량, 이동성 및 쉬운 작동성 등의 장점을 가지고 있다. 본 연구에서는 바이오가스를 95% 이상의 메탄으로 농축하기 위해 폴리설폰 중공사막과 다단 분리막 공정을 이용하였다. 분리막 공정에서 압력, 온도, 막면적 등 다양한 공정 변수에서 95% 이상의 메탄 순도를 얻기 위한 연구를 진행하였다.

Biogas produced in anaerobic digestion process has been considered as a renewable energy source. To recover biogas from the anaerobic effluent and thereby maximize the energy recovery from anaerobic processes, membrane contactor employing hydrophobic porous hollow fiber membrane has been applied. By optimizing the surface hydrophobicity and the porosity of membranes, a desirable CH4 flux could be achieved. Biogas recovered can be upgraded by applying required purification processes for the injection into natural gas grid or for the use as vehicle fuel. My group has synthesized various microporous materials including zeolites, metal-organic frameworks (MOFs) and amine-appended sorbents that are selectively transport CO2 molecule and incorporated them into polymeric films to design high performance gas separation membranes.