이 실험에서는 α-Al2O3 지지체 위에 진공 코팅(vacuum coating)과 딥 코팅(dip-coating) 기법을 사용하여 GO/γ -Al2O3 중간층을 형성하였고, 무전해도금 방식을 통해 Pd-Ag 수소 분리막을 제작하였다. Pd와 Ag는 각각 무전해도금을 통해 지지체 표면에 증착되었으며, 합금화를 위해 도금 과정 중 H2 분위기 하에서 500°C에서 18 h 동안 열처리를 진행하였다. 제 조된 분리막의 표면과 단면은 SEM을 통해 분석되었으며, Pd-Ag 분리막의 두께는 1.88 μm, GO/γ-Al2O3 중간층을 가진 Pd-Ag 분리막의 두께는 1.07 μm로 측정되었다. EDS 분석을 통해 Pd-77%, Ag-23%의 조성으로 합금이 형성된 것을 확인하 였다. 기체투과 실험은 H2 단일가스와 H2/N2 혼합가스를 이용하여 수행되었다. H2 단일가스 투과실험에서 450°C, 4 bar 조건 하에서 Pd 분리막의 최대 H2 플럭스는 0.53 mol/m²·s로, Pd-Ag 분리막의 경우 0.76 mol/m²·s로 측정되었다. H2/N2 혼합가스 실험에서 측정된 분리막의 separation factor는 450°C, 4 bar 조건에서 Pd 분리막이 2626, Pd-Ag 분리막이 13808로 나타났다.

분리막 공정 설계에 있어 응용 분야에 적합한 막 소재 및 물성 선택은 중요하다. 특히 다공성 막의 경우, 분리 메 커니즘이 투과 종 크기에 따라 선별되는 원리에 기반함에 따라 기공 크기와 같은 기공 특성을 확인하는 막 소재 스크리닝이 우선되어야 한다. 하지만 일반적으로 분리막 매질 내의 기공들은 불균일하게 형성된다. 본 논문에서는 이러한 불균일성을 정 규화한 기공 크기 분포도 분석 기법들에 대해 중점적으로 다루고 각 기법들이 기반한 Young-Laplace, Kelvin 그리고 Gibbs- Thomson 식에 대해 소개하고자 한다.

높은 내화학성과 소수성 특성을 갖는 polymethylpentene (PMP) 소재는 polypropylene 소재 대비 결정성이 낮아 dense skin층을 갖는 비대칭 분리막을 제조하기 수월하지만 녹는점이 높아 가공이 용이하지 않다. 본 연구에서는 비용매 유도 상분리법(NIPS)과 열유도 상분리법(TIPS)을 혼합한 N-TIPS 법을 활용하여 polymethylpentene (PMP) 고분자 분리막을 제조 하고 성능과 특성을 평가하였다. Cyclohexane을 용매로 사용하여 PMP 도프용액을 제조하였으며, 상전이조로 물, EtOH, IPA 를 사용하였다. Cyclohexane과 섞이지 않는 물을 비용매로 상전이한 분리막은 TIPS 영향으로 인해 큰 기공과 높은 기체 투과 도를 보였으나, 표면이 거칠고 구조가 불안정한 특성을 보였다. 반면, cyclohexane과 혼합될 수 있는 알코올류(ethanol, isopropanol) 를 상전이조로 사용한 경우 NIPS 효과로 인해 dense skin층이 형성됨을 확인하며, 높은 기계적 강도를 보였다. 추가 적인 기공형성을 위해 polyethylene glycol (PEG)를 첨가한 경우 기체투과도가 높아지는 결과를 얻을 수 있었다.

본 연구는 폴리케톤(PK) 지지체를 이용한 유기용매 역삼투(OSRO) 분리막 제조를 목적으로 하였다. 비용매 유도 상분리 방법(NIPS)을 통해 PK 지지체를 제작하였고, PK 지지체 위에 polyamide layer를 계면 중합하여 thin-film composite (TFC) 형태로 OSRO 분리막을 완성하였다. 이후 OSRO 분리막의 표면과 단면 구조 및 표면의 화학적 구조를 분석하였고 수 투과도와 염 제거율은 각각 약 1.28 LMH/bar와 99.0%의 결과를 얻었다. 또한 OSRO 분리막의 polyamide layer는 유기용매 침지 1일 동안 매우 안정적이었고, 단일 유기용매 투과도 경향성은 유기용매 나노여과(OSN) 분리막의 투과도 모델과 일치하 였다. OSRO 분리막의 MWCO는 MeOH 상에서 240 g/mol이었다. OSRO 분리막의 MeOH-toluene 혼합용액에 대한 투과도 와 separation factor는 상용 OSN 분리막보다 각각 200%와 60%의 높은 결과를 얻었다.

기체 분리막의 상업적 발전은 CO2 분리 효율을 향상시키는 데 중요한 역할을 한다. 고분자량 PEO (high-Mw PEO)는 높은 CO2 용해도, 가격 경쟁성 및 견고한 기계적 특성을 가져 분리막 제조용 고분자로 유력하지만 그 특유의 결정성 으로 인해 기체 분리막에 응용이 어렵다. 본 연구에서는 결정성 감소를 위해 다양한 고분자 첨가제를 고분자량 PEO에 혼합 하는 방법을 제시하였다. 폴리에틸렌글리콜(PEG), 폴리프로필렌글리콜(PPG), 폴리아크릴산(PAA) 및 폴리비닐피롤리돈(PVP) 과 같은 상업적으로 이용 가능하고 섞임성이 좋은 수용성 고분자를 첨가제로 사용하여 PEO 결정성을 감소시킴으로써 가스 분리 성능을 향상시키고자 하였다. PEG 및 PPG의 경우 PEO의 결정 구조를 억제하지 못하고 분리막의 결함을 초래하였으나, PAA 및 PVP는 PEO의 결정 구조를 바꿔 결함이 없는 분리막을 제조하는 데 성공하였다. 고분자량 PEO 혼합막의 결정 구조 변화와 기체 분리 성능의 상관관계를 조사하여 본 연구의 결과와 이전에 기록된 결과를 바탕으로 고분자량 PEO에 대한 첨가 제 고분자의 설계 및 선택에 대한 통찰력을 제공하며, 이를 통해 비용 효율적이고 상업적으로 실용적인 CO2 분리막을 제조하 고자 하였다.

대부분의 국가들은 온실가스 배출량을 줄이고 기후변화에 적응하기 위한 행동계획인 NDC (National Determined Contribution)를 법률화 했다. NDC 목표 달성을 위해 다양한 기술이 개발되고 있으며, 특히 가스상의 온실가스나 에너지원의 정화를 위해 분리막 수요가 증가하고 있다. 따라서, 본 논문은 다양한 재료 중 실현 가능한 제조 공정과 쉬운 스케일업의 장 점을 가지고 있는 고분자 막의 기술 동향을 제공할 것이다.