본 연구에서는 중공사형 이산화탄소 분리막 모듈을 사용하여 수소개질기 배가스로부터 이산화탄소 포집을 목적 으로 한 분리막 공정 최적화 연구를 진행하였다. 랩스케일의 소형 분리막 모듈을 사용하여 혼합기체를 대상으로 이산화탄소 순도 90% 및 회수율 90%을 달성하는 2단 공정 조건을 도출하였다. 막 면적이 정해진 모듈의 분리막 공정에서는 스테이지-컷, 주입부 및 투과부 압력에 따라서 포집 순도 및 회수율이 모두 다르게 나타나기 때문에 운전 조건에 대한 최적화가 필수적이 다. 본 연구에서는 다양한 운전 조건에서 1단 분리막에서 보이는 공정 포집 효율의 한계를 확인하고, 높은 순도와 회수율을 동시에 달성하기 위한 2단 회수 공정을 최적화하였다.

이산화탄소 포집 및 저장기술(CCS)은 인류발생적 요인에 의한 이산화탄소 배출 증가와 그로 인한 기후변화를 완화시킬 수 있는 기술 중 하나이다. 그 중, 매체 순환식 연소(chemical looping combustion, CLC)와 칼슘루핑(calcium looping) 기술은 현재 아민 스크러빙(amine scrubbing)을 대체할 수 있는 유망한 기술로 주목받고 있다. 두 방법 모두 금속 산화물을 이용한 연속적인 순환 사이클 반응에 의한 것이다. 전체적인 이산화탄소 포집 및 저장 성능의 향상을 위해서는 사이클을 거듭 하며 발생하는 소결(sintering)로 인한 안정성 저하 문제를 해결하고 금속 산화물의 구조 또한 최적화해야 한다. 금속 산화물 표면에 얇은 박막을 형성하는 것은 소결로 인한 손상을 막을 수 있는 방법이다. 이러한 박막 제조 기술로 잘 알려진 기술에는 화학기상증착법(chemical vapor deposition)과 원자층증착기술(atomic layer deposition)이 있다. 본 총설에서는 CVD, ALD 기술을 비롯하여 효과적인 반응 안정성 향상을 위한 안정제 첨가 방법, 금속 산화물 구조 개선에 대한 다양한 최근 기술들을 다루었다.

지구온난화의 주요 원인인 CO2로 인한 대기 기온 상승은 세계적으로 큰 화두가 되고 있다. 고분자 분리막을 이용한 이산화탄소 포집용 분리막 제조는 공정의 단순화와 가격적인 측면에서 우수하며 이산화탄소 분리성능이 우수하다는 장점이 있다. 본 연구에서는 Si-PEG를 이용한 이산화탄소 포집용 기체 분리막을 제조하였다. 분리막 제조에 앞서 Si-PEG를 합성한 뒤, 1H-NMR, GPC, FT-IR을 통해 합성의 유무를 판단하였다. 복합막 제조는 지지체위에 Si-PEG를 코팅하여 제조하였다. 코팅제는 Isocyanate, Si-PEG, 촉매를 사용하여 코팅을 실시하였으며 가교를 위하여 고온공정을 진행하였다. 제조한 기체투과 복합막은 50GPU의 이산화탄소 포집값을 보이며 질소에 대한 이산화탄소의 선택도는 15의 결과를 보여 기체분리막으로의 활용 가능성을 확인하였다.

천연가스, 산업공정, 화석연료의 연소과정과 같은 대규모 고정 배출원에서 발생하는 온실가스인 CO2를 포집하기 위한 기술 개발이 전 세계적으로 활발하게 수행되고 있다. 특히, 습식 흡수 법은 비교적 낮은 CO2분압에서도 높은 제거 효율을 달성할 수 있어 많은 개발이 이루어져온 포집 기술이다. 하지만 흡수제의 재생에 필요한 에너지가 과다한 문제가 있으며, 충분한 부지가 확보되어야하기 때문에 공정 상용화에는 큰 걸림돌이 있다. 이러한 문제를 극복하고 공정 효율을 개선 할 수 있는 접촉분리막 공정 기술이 최근 주목받고 있다. 본 연구에서는 접촉분리막과 화학적 습식 아민 흡수제를 이용한 이산화탄소 제거 특성을 분석하였다.

CO2 separation technology for carbon capture, which is one of the hot issues to reduce greenhouse gases from industrial flue gas, has been intensively investigated so far. Despite of several benefits, the membrane technology has some obstacles like large-scale module fabrication, membrane durability, need of pre-treatment or high pressure drive for its industrial application. Also, the power plant flue gas with normally 10~20% of CO2 content should be concentrated upto 99% for being compressed and liquefied to transportable CO2 by pipeline, indicating the need of high selective membrane process as well as high recovery. In this work, the possibility of membrane process for post-combustion treatment in terms of recent technology will be announced. The practically applicable process for CO2 capture also be suggested briefly.

The stereotype of flexible MOFs(Amino-MIL-53) and carbonized porous carbon prepared from renewable resources is successfully synthesized for CO2 reduction application. The textural properties of these microporous materials are investigated, and their CO2 storage capacity and separation performance are evaluated. Owing to the combined effects of CO2-Amino interaction and its flexibility, a CO2 uptake of 2.5 mmol g−1 is observed in Amino-MIL-53 at 20 bar 298 K. In contrast, CH4 uptake in Amino-MIL-53 is very low up to 20 bar, implying potential sorbent for CO2/CH4 separation. Carbonized samples contain a small quantity of metal residues(K, Ca, Mg, S), resulting in naturally doped porous carbon. Due to the trace metal, even higher CO2 uptake of 4.7 mmol g−1 is also observed at 20 bar 298 K. Furthermore, the CH4 storage capacity is 2.9 mmol g−1 at 298 K and 20 bar. To evaluate the CO2 separation performance, the selectivity based on ideal adsorption solution theory for CO2/CH4 binary mixtures on the presented porous materials is investigated.

배가스의 이산화탄소 농도인 14%를 기준으로 실험실규모에서 벤치스케일로 격상하였고, 랩스케일에서는 모사가스로 진행한 반면 벤치스케일에서는 실제 보일러에서 나오는 배가스로 실험을 진행하였다. 배가스의 높지않은 압력조건을 감안하여 본 연구에서는 1단 분리막 공정실험에서는 주입부 압력 2 bar, 투과부압력 0.2 bar에서 실험을 진행 하였고, 2단 막 공정에서는 1단 분리막은 동일하게, 2단 분리막 주입부 압력 1 bar, 투과부 압력 0.05 bar에서 진행하였다. 결론적으로 랩스케일에서 벤치스케일로 격상했을 경우 같은 경향성을 볼 수 없었으며 이는 실제 발전소 및 보일러에서 연소되는 배가스를 분리막공정으로 포집하는 것은 사전연구가 더욱 필요하다는 것을 확인하였다.

본 연구에서는 이산화탄소 포집 및 물 재이용을 위한 통합 시스템으로서 정삼투 공정의 적용 가능성에 대한 평가를 수행하였다. 해당 통합 공정은 이산화탄소 배출 저감을 위해 화력발전소에 적용되고 있는 습식 이산화탄소 포집설비에 정삼투 기반 공정을 추가함으로써 이산화탄소 포집뿐만 아니라 물 재이용 및 냉각수 생산을 동시에 달성할 수 있다. CO2를 흡수한 5M의 모노에탄올아민(습식용매)을 유도용액으로 적용한 결과 40 LMH (FO mode) 및 85 LMH (PRO mode)라는 매우 높은 수투과도를 얻을 수 있었다.

지구온난화 문제 해결을 위하여 효율적인 CO2 포집 기술 개발이 활발히 이루어지고 있으며, 최근 분리막, 흡수 공정의 하이브리드 기술인 접촉막 공정이 주목받고 있다. 본 연구진은 2014년부터 열적, 화학적 안정성이 뛰어난 세라믹 소재의 중공사막을 적용한 접촉막 공정을 개발해오고 있다. 대규모 공정 실증을 위하여 세라믹 중공사막 기공 구조 제어 기술부터 소수성 코팅, 모듈 디자인 및 배치, 공정 구성 최적화 등을 연구하였다.

Membrane-based gas separation process is one of the next generations’ gas separation processes for carbon capture and storage (CCS). Membrane process has the advantages of i) low energy consumption without a phase change during the separation, ii) small footprint and easy scale-up of membrane modules, and iii) clean process without any emission of harmful byproducts. The hollow fiber membranes used in this study shows CO2 permeance over 900 GPU (1 GPU = 10-6 cm³/cm²⋅sec⋅cmHg). Using the hollow fiber membranes and modules, we established a moveable CO2 separation system including pretreatment of flue gas and 3-stages of membrane cascade. The system was installed at the several on-site flue gas sources, and the performance of pilot plant operation will be presented in the presentation.

기체분리용 기능소재에 대한 세계적인 시장의 요구가 증가함에 따라 광범위한 연구개발이 진행되고 잇다. 본 연구는 둘 이상의 기체혼합물에서 높은 이산화탄소 포집성능을 목적으로 하는 복합막의 제조이다. Isocyanate와 SI-PEG, 소 량의 촉매를 사용하여 코팅액을 제조한 뒤 PAN지지체 위에 코팅하여 복합막을 제조하였다. SEM기기를 활용하여 복합막의 코팅층을 확인하였고 Bubble flowmeter를 사용하여 기체투과특성평가를 실시하였다. 기체복합막의 두께는 3 um 이하로 고른 분포를 보이며, 50 GPU의 이산화탄소 투과값과 질소에 대한 이산화탄소 선택도는 15의 결과를 보였다.