본 연구에서는 침지형 평판 분리막 생물반응기에 대해 막간차압(TMP)을 효과적으로 제어 가능하는 사인파형 투 과유속 연속운전(SFCO) 모드를 개발하였다. SFCO 모드의 분리 성능을 평가하기 위해 분리막 생물반응기(MBR)의 표준 작 동 방식인 여과/이완(F/R) 모드와 비교, 평가하였다. 공칭 기공 크기가 0.15 μm인 두 개의 동일한 평판형 정밀여과막 모듈을 활성 슬러지 용액에 침지하여 사인파 유형, 투과유속 및 운전시간에 따른 TMP 변화를 측정하였다. 결과적으로 SFCO 모드는 F/R 모드에 비해 낮은 TMP를 유지하여 분리막 오염을 줄이는 데 효과가 있음을 확인하였다. 특히 사인파형의 최대 투과유속 이 15~20 L/m2·h 범위에서 막오염을 최소화하는 데 효과적이었으며, 이는 기존 MBR의 투과유속 운전 범위로서 그 응용이 기대된다.

다결정성 ZIF-8 분리막의 C3H6/C3H8 kinetic 분리 성능 향상을 목적으로 상대적으로 부피가 큰 2, 4-dimethylimidazole (dmIm)이 ZIF-8 구조 내 2-methylimidazole들을 일부 대체한 혼합 리간드 ZIF-8 유사체 분리막을 이차성장법을 이용 하여 제조하였다. 25°C, 1 bar의 feed 압력에서 C3H6/C3H8 (50/50, V/V) 혼합가스를 대상으로 측정된 분리막의 선택도는 ~180이었으며, 이는 기 보고된 대부분의 다결정성 ZIF-8 분리막들의 선택도보다 높았다. 선택도 향상의 원인인 ZIF-8 구조 내 dmIm 도입으로 인한 기공 입구 크기의 축소를 77 K에서의 질소 등온흡착실험과 Maxwell-Stefan model을 이용하여 C3H6 와 C3H8 막투과도 데이터로부터 계산된 확산계수들을 통해 증명하였다.

PIM-1 (polymer intrinsic microporosity-1)은 뒤틀린 구조에 기인한 높은 기체 투과 특성을 가지고 있기 때문에 기 체 분리막 소재 중 하나로 활발히 연구되어졌다. 높은 기체 투과 특성의 장점에도 불구하고 높지 않은 기체 선택성의 한계점 이 존재함에 따라 본 연구에서는 PIM-1 분리막에 PEG/PPG-CN을 첨가함으로써 CO2의 용해도 증가에 따른 기체 선택도를 높이고 열처리를 진행하여 PIM-1과 PEG/PPG-CN의 사이아노기가 트라이아진으로 전환되는 재배열을 유도하였다. 그 결과 2 wt%의 PEG/PPG-CN이 첨가되고 열처리된 PIM-1 분리막의 성능은 열처리만 된 PIM-1 분리막과 비교하였을 때 단일 및 혼 합 기체 조건에서 더 높은 이산화탄소의 투과도와 선택도를 가지는 것으로 측정되었다. 혼합 기체 조건에서는 단일 기체 조 건에서 보다 높은 이산화탄소 투과도와 선택도를 보이며 실제 기체 분리 공정의 적용 가능성이 높다는 것을 확인하였으며 트 라이아진의 가교에 의하여 기체 분리막이 가소화 저항성(anti-plasticization)을 가지는 것으로 확인되었다.

수전해는 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 방법으로, 재생에너지와 연계할 경우 이산화탄소 배출이 없는 청정 수소생산이 가능하다. 수전해 기술 중, 알칼라인 수전해와 음이온교환막 수전해는 알칼라인 환경에서 구동되어 저렴한 비귀 금속 전극 사용이 가능하여, 재생에너지를 연계한 대용량 수소생산에 적합한 기술로 평가받는다. 수전해 시스템에서 분리막 은 안정성과 효율성을 담당하는 핵심부품으로, 안정적이고 효율적인 수소생산을 위하여 높은 기체차단성과 높은 이온전달능 을 필요로 한다. 수전해에 사용되는 분리막은 구조 및 특성에 따라 다공막, 이온솔베이팅 분리막, 박막 복합 분리막, 음이온교 환막으로 분류되고, 각각의 분리막은 구조 및 특성이 상이하여 각각의 특성을 보완하는 방향으로 연구가 진행되고 있다. 본 총설에서는 알칼라인 수전해 및 음이온교환막 수전해에 사용되는 분리막들의 구조 및 특성과 연구 현황에 대해 소개하고자 한다.

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.