멤브레인은 고유의 선택적 투과기능에 의해 다양한 산업분야에 적용되고 있다. 특히, 환경 및 에너지용 멤브레인은 최근 학계의 기초 연구와 더불어 산업체의 활발한 상업화 연구가 진행 중이다. 환경 분야에서는 수처리용 멤브레인이 상용화되어 산업적으로 널리 사용되고 있으며, 이의 기능을 더욱 최적화하기 위한 연구 및 혁신 기능을 도입하기 위한 개발이 산업체를 중심으로 활발히 진행 중이다. 또한 연료전지 및 이차전지에 폭 넓게 멤브레인 기술이 적용되고 있으며, 특히 연료전지나 레독스흐름전지는 본격 상업화를 위해 다양한 전략으로 연구가 진행되고 있다. 본 발표에서는 코오롱에서 개발하여 상업화한 수처리용 멤브레인의 최근 개발 동향 및 연료전지 및 레독스흐름전지용 멤브레인 개발 현황 및 전략을 소개하고자 한다.

Block copolymer (BCP) self-assembly has been one of attractive approach for highly size-selective and permeable membranes due to its narrow size distribution and high pore density. We produced a thermally annealed PS-b-PMMA film on a neutral substrate, where the randomly oriented PMMA cylinders were formed between two layers of perpendicular PMMA cylinders at both substrate/polymer and polymer/air interfaces. The PMMA cylinders in the BCP films processed with a selective solvent were swollen for tunable mesoporous UF membrane. The confined swelling of PMMA microdomains in PS matrix resulted in the compaction of PS matrix as well as the shrinkage of PMMA microdomains during the removal of a PMMA-selective solvent.

클로알칼리(CA) 멤브레인법은 이온전도성 고분자전해질을 이용한 염수전기분해공정을 의미하며, 전통적으로는 가성소다와 염소 생산을 목적으로 하고 있다. CA 멤브레인법은 기존 클로알칼리 공정으로 사용되어왔던 수은법 및 격막법에 비해 환경적 유해성이 낮으며, 에너지비용을 상당히 감소시킬 수 있다는 장점을 나타낸다. 본 총설에서는 멤브레인법의 기본개념 및 특징, 핵심기술에 관한 내용을 다루고자 한다. 또한 높은 에너지비용을 갖는 염수전기분해에 대한 에너지 절감효과를 달성하기 위한 시스템 집적화기술, 산소탈분극전극 기술과 이종 기술과의 하이브리드를 통한 고도 CA 시스템기술의 예로서의 이산화탄소 직접전환기술에 대해 논할 것이다. 마지막으로, 멤브레인법에 기반한 국내외 CA 기술동향을 소개할 것이다.

The Chlor-alkali (CA) process is a representative electrolysis system to produce valued chemicals such as chlorine gas and sodium hydroxide. Membrane cell process has been obtaining the largest market shares, because it is free from environmental issues and low chemicals purity. For the CA process, commercially available membrane materials are perfluorinated sulfonic acid ionomers (PFSAs) with high chemical resistance. Unfortunately, there are limited data associated with the relationships between membrane material parameters and CA performances. It prevents the CA membrane development to be difficult. In this study, the influences of PFSA membrane thickness are disclosed, considering their ion transport behaviors, gas evolution capability, and chemical/electrochemical resistances under CA operation conditions.

Perfluorinated sulfonic acid (PFSA) ionomers have been widely used as membranes in the fields of green power generation and electrolysis. In spite of their high ion-conducting properties, it is difficult to apply them in the freestanding membrane state to harsh operation conditions owing to their chemical and electrochemical degradation issues. A promising membrane concept to satisfy this purpose would be “pore-filling membrane” composed of PFSA ionomers and porous PTFE support films. In this study, the porous PTFE support film treated with a cheap hydrophilic polymer is used as a reinforced material. Interestingly, the resulting PFSA-PTFE pore-filling membranes exhibit an extremely high proton conductivity with a fairly reduced ionomer content, which may give a valuable information to design a desirable pore-filling membrane.

분리막 생물반응기(MBR)는 전통적인 수처리 방법과 비교하여 안정적인 수질확보, 처리부지 감소, 높은 유기물 제거 등의 장점으로 인하여 매우 널리 사용되고 있다. 그러나 긴 고형물 체류시간과 높은 미생물 농도로 인하여 종종 인제거에 제한이 있다. 전통적으로 인을 제거하기 위해 화학적 침전 방법이 가장 널리 사용되고 있으나 이는 과량의 응집제 주입으로 인한 비용 문제 및 대량의 슬러지 발생의 한계점을 가지고 있다. 반면 흡착공정은 상대적으로 운전이 쉽고 간단하며 슬러지 발생량을 현저히 줄일 수 있는 방법이다. 따라서 본 연구에서는 입상 금속산화물 흡착제를 개발하고 이를 이용하여 MBR처리수 내의 인을 제거하는데 적용하고 성능을 평가하였다. 본 연구는 환경부의 연구비(과제번호 2013001390002)를 지원받아 진행되었습니다.

Reverse electrodialysis (RED) is a promising technology for converting salinity gradient energy into electricity. RED stacks contain alternating anion and cation exchange membranes (AEMs and CEMs) that separate salt solutions of different concentrations. Selective transport of ions through the membranes creates an electric potential across pairs of AEMs and CEMs, and large numbers of cell pairs are used in a stack to increase the total potential and drive electric current through an external circuit. In this work, parameters of the ion exchange membrane is an ion exchange capacity, membrane resistance, ion selectivity, and the like thickness. Find out how these parameters affect the RED performance. The further proposed a model of the ion exchange membrane to improve the performance on the basis of these studies RED. (No. 10047796)

기존 대상 원수를 전처리(응집, 침전, 압력식여과 장치)한 후 역삼투공정을 거쳐 순수정도의 처리수가 생산되어지는데 최근 기존 전처리 공정을 MF분리막을 이용하여 처리수의 수질을 더욱 양호하게 하여 운전효율을 높이고 있다. 도레이에서는 전처리용 MF분리막의 효율을 더욱 개선된 분리막을 연구 개발하였다. 기존 MF분리막 대비 제조법을 달리하여 물리적강도를 증가시키고, 공칭공경을 더욱 작게 하고 투과도를 높여 내오염성을 유지하며 물생산량은 큰 차이 없이 제조하였으며 특히 이러한 장점을 통해 사용기간 동안 경제성을 높일 수 있었다. 본 발표내용을 통해 이러한 내용을 파이롯트 및 실제 현장에 적용된 사례를 통해 확인해 보고자 한다.

LNG 선박에서 발생하는 슬로싱 충격하중은 다상유동 및 기체의 압축효과에 따라 CCS에서 발생하는 압력과 구조응답에 큰 영향을 미칠 수 있다. 본 연구에서는 슬로싱 운동 시 LNG의 유동에 의해 발생하는 슬로싱 충격을 시뮬레이션하기 위해서 다상유동을 적용한 수치해석 모델을 제시하였으며, 그 결과를 실험과 비교하여 타당성을 검토하였다. 또한 효율적인 구조응답 계산을 위해 분사모델을 이용한 유체구조 연성해석 방법에 대해서 검토하고 멤브레인형 Mark III 화물창의 강도평가에 적용하여 LNG 화물창의 강도평가를 위한 가능성을 검토하였다.

본 연구는 거대고리 금속 이온 착화합물과 유도체를 이용하여 미세 다공성 구조를 가지는 분리막의 제조에 관한 것이다. 고분자와 금속이온 리간드 착물 시스템을 이용함으로써 기존의 방법들에 비해 상 전이 과정을 보다 정교하게 제어할 수 있었다. 금속염, cyclohexanedione dioxime, hydroxyphenylboronic acid와의 축합 반응을 통하여 금속 clathrochelate 착물을 얻을 수 있었다. PES, PVP, BE와 금속 clathrochelate 착물을 DMF에 녹인 후 비용매 유도 상 전이법을 통하여 유무기 혼성 고분자막을 제조하였다. 제조된 분리막의 구조는 FE-SEM과 microflow permporometer로 조사하였다. p-Hydroxyphenyl group 을 가지는 Fe(II) clathrochelate 착물의 첨가는 분리막의 구조에 있어 기공 크기 분산도를 좁혀주고, 표면의 기공 밀도를 높여 주었으며 최대 기공 크기를 감소시킴을 볼 수 있었다.

304L 스테인리스강판은 멤브레인타입 LNG선 단열시스템의 1차 방벽으로 이용된다. 304L 스테인리스강은 변태유기소성(TRIP)강으로 복잡한 재료거동을 보이는데, 이는 소성변형이 발생하는 동안 상변태를 경험하기 때문이다. 본 연구에서는 304L 스테인리스 강의 비선형 기계적 거동분석을 위한 온도의존 일축인장시험을 수행하였으며 재료의 파단이나 비선형 거동을 예측하기 위한 점소성모델을 제안하였다. 수치해석의 결과와 시험 결과를 비교 분석하여 유효성을 검증하였으며 LNG 멤브레인에 대한 적용성을 검토하기 멤브레인 구조시편을 제작하여 구조해석 및 유한요소해석을 수행하였다. 재료모델은 개발 서브루틴을 이용하였으며 ABAQUS 사용자지정 재료 서브루틴을 탑재한 유한요소해석 결과와 극저온 구조인장시험을 수행한 결과를 비교하여 구조적용성을 검증하였다.

상 전이 공정을 이용하여 polysulfone계 비대칭 정밀 여과막을 제조하였다. Polysulfone/N-methyl-2-pyrrolidone/ polyvinylpyrrolidone/phosphoric acid계로 이루어진 casting 용액을 사용하였으며 응고조로는 물을 사용하였다. 멤브레인 제조공정에 적용된 상 전이 공정으로 증기 유도 상 전이 공정을 적용하였으며 상대습도 74%에서 캐스팅 판의 온도와 노출 시간을 조절한 결과 기공의 크기와 구조에 있어 변화를 관찰할 수 있었다. 제조된 멤브레인의 구조는 SEM과 microflow permpor-ometer를 사용하여 조사하였다. Phosphoric acid의 첨가는 조밀한 스펀지 형태의 멤브레인을 느슨한 스펀지 형태의 멤브레인으로 변화시켰으며 촉매량의 Phosphoric acid 첨가로도 평균 기공크기는 거의 0.2 µm 정도 커지고 유량도 약 3,000 LMH가증가하였다. 캐스팅 판의 온도와 노출 시간의 변화는 표면층의 구조, 기공의 크기 및 공극률에 큰 변화를 가져옴을 확인할 수있었다.

일반적으로 액체가스운반선은 인화성 화물이나 독성물질을 운반한다. 이러한 화물들은 폭발, 화재 및 인명손상을 가져올 수 있기 때문에, 액체가스운반선의 거주구역, 서비스 구역 및 통제실은 가스의 유입이 원천적으로 차단되도록 설계한다. 이러한 이유로, IMO IGC 코드의 멤브레인형 LNG선박의 화물탱크에 설치되는 벤트 출구의 높이는 노출갑판상 B/3 또는 6m 중 큰 것 이상으로 하고 작업구역 및 전후부 통행로, 갑판상의 저장탱크 및 화물설계 액위보다 6m 이상 높게 설치하여야 한다라고 규정하고 있다. 또한 LNG 시장이 점진적으로 증가하면서, LNG선박의 크기도 증가해 왔다. 때문에 현 규정에 의하면 LNG선박의 벤트의 높이는 선박 폭(B)에 비례하기 때문에 상당히 높아져야 할 것이며, 이는 높은 벤트 마스트(Mast)로 인하여 작업의 어려움 및 전방 시야를 방해하는 등 항해의 어려움을 초래한다. 본 연구에서는 멤브레인형 LNG선의 Sea-trial시에 측정하였던 데이터 및 CFD유동해석을 통해 LNG선박 화물탱크의 벤트 출구의 높이에 대한 적합성 평가를 수행한다.

로켓 추진기관의 해체 시 발생하는 고농도 암모늄 퍼클로레이트(AP)를 액상소각 처리 후 추가로 발생하는 저농도의 AP처리를 위해 NF/RO 멤브레인 공정을 적용하였고, 이때 AP제거 특성에 영향을 미치는 인자를 도출하기 위해 다양한 수리화학적 조건에서 전량여과방식으로 실험을 진행하였다. 고체 추진제에서 추출된 용액을 GC/MS와 FTIR분석을 통해 규산염 계열의 실록산 등을 검출하였으나, 이는 극미량이 포함되어 NF/RO 멤브레인 공정에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 판단되었다. 상대적으로 낮은 압력의 운용조건에서는 높은 압력조건과 비교하여, 회수율 증가에 따라 농축된 AP의 삼투압 기작이 투과플럭스에 영향을 미치게 되어 13~17% 가량 플럭스가 감소됨을 확인하였다. 또한 AP의 제거율은 수리화학적 운영조건의 변화(압력 및 교반 속도 등)에 따라 크게 좌우됨을 알 수 있었고, 이 경우 NF와 RO 멤브레인 제거율은 각각 10~70%와 26~87% 가량 크게 달라짐을 확인하였다. 본 논문을 통해 NF/RO 멤브레인 공정을 적용한 AP 제거 기작에서 수리화학적 운영조건의 변화에 따른 농도분극, 멤브레인 선택성 및 삼투압 영향이 중요 지배 기작이었으며, 이는 'NF/RO 멤브레인의 물질이동과 선택성'의 기존 이론적 모델과 부합하였다.

내열성, 용매 저항성의 특징을 갖는 다공성 세라믹 소재를 이용한 무기 멤브레인이 기체분리(수소 분리, 이산화탄소 분리 등), 액체 분리(수처리, 폐수처리, 유기용매 분리 등) 등 여러 가지 분야로 그 응용이 확대되고 있다. 본 논문에서는 다공성 세라믹 멤브레인의 소재, 제조 방법에 따른 멤브레인의 구조 제어 및 성능 평가에 관한 연구를 소개하고, 멤브레인의 세공 크기에 따른 구조, 멤브레인의 특성을 이용한 여러 가지 기체 분리 및 액체 분리에 관한 연구 동향을 정리하였다.

We present a method of graphene synthesis with high thickness uniformity using the thermal chemical vapor deposition (TCVD) technique; we demonstrate its application to a grid supporting membrane using transmission electron microscope (TEM) observation, particularly for nanomaterials that have smaller dimensions than the pitch of commercial grid mesh. Graphene was synthesized on electron-beam-evaporated Ni catalytic thin films. Methane and hydrogen gases were used as carbon feedstock and dilution gas, respectively. The effects of synthesis temperature and flow rate of feedstock on graphene structures have been investigated. The most effective condition for large area growth synthesis and high thickness uniformity was found to be 1000˚C and 5 sccm of methane. Among the various applications of the synthesized graphenes, their use as a supporting membrane of a TEM grid has been demonstrated; such a grid is useful for high resolution TEM imaging of nanoscale materials because it preserves the same focal plane over the whole grid mesh. After the graphene synthesis, we were able successfully to transfer the graphenes from the Ni substrates to the TEM grid without a polymeric mediator, so that we were able to preserve the clean surface of the as-synthesized graphene. Then, a drop of carbon nanotube (CNT) suspension was deposited onto the graphene-covered TEM grid. Finally, we performed high resolution TEM observation and obtained clear image of the carbon nanotubes, which were deposited on the graphene supporting membrane.

This study was carried out to investigate the performance of individual sewage treatment facilities with MBR(membrane bioreactor). After ratio of influent distribution of aerobic reactor to anoxic reactor from 4 : 6 to 7 : 3, the effluent quality is improved 5.3 mg/L as BOD, 3.8 mg/L as SS, 5.6 mg/L as T-N, and 1.6 mg/L as T-P, respectively. The removal efficiency rate of effluent increased upto 98% as BOD, 99% as SS 94%, as T-N as 93% and T-P, respectively. To maintain SS concentration of the effluent less than 1 mg/L, the washing and differential pressure of membrane management were required, the wasted activated sludge periodically discard to the sludge storage tank in order to meet standard criteria. The capacity of this individual facilities was overestimated, when low loading occur, an alternative is considered

가스분리막을 이용한 분리공정은 기존의 분리공정을 대체할 공정으로서 수십 년간 발전이 되어 왔다. 특히 분리막 공정은 가스분리에 있어서 기존공정에 비해서 에너지 소모가 적고 설치에 필요한 공간이 간소하며, 스케일업이 간단한 장점이 있다. 최근에는 기체분리막 공정은 질소발생장치, 수소발생장치, 막제습기, 선박이나 항공기용 불활성기체충진장치, 천연가스 정제, 바이오가스 정제, 연료전지분야에서 널리 사용이 되고 있으며, 향후에는 이산화탄소의 분리에도 강력한 대체공정으로 사용이 될 수 있다. 이러한 가스분리막 공정을 좀 더 널리 보급하기 위해서는 로베슨 플롯의 한계를 넘어설 수 있는 새로운 소재의 개발이 절실하며, 이러한 한계를 돌파하기 위하여 많은 연구자와 회사들이 카도그룹이나 스피로 구조를 가지는 고분자나 PIMs 같은 소재의 개발에 박차를 가하고 있다.

본 연구에서는 비용매 첨가제 BE와 습도 및 노출 시간이 정밀여과막의 구조, 투과특성에 미치는 영향을 살펴보았다. 멤브레인은 PES/DMF/TSA/PVP/BE 혼합 용액을 물에 침지하여 제조하였다. 다양한 농도의 BE가 첨가된 캐스팅 용액들을 공기 중의 수분이 흡착될 수 있도록 상대습도 60%와 80%로 달리하여 40초와 90초 동안 노출시켰으며, 그 결과로 만들어진 멤브레인 투과 성능과 표변 및 단면 구조와의 연관성을 조사하였다. 멤브레인의 특성은 capillary flow porometer, FE-SEM 및 순수 투과 장치를 이용하여 이루어졌다. PES 멤브레인의 표면 구조는 상대 및 노출 시간에 의해 크게 영향을 받는다. 또한 BE의 첨가는 특정한 습도와 노출 시간에서 표면 및 내부의 구조의 조절이 용이함을 확인할 수 있었다.

Disk type porous nickel membrane was fabricated by in-situ reduction/sintering process using compacted NiO/PMMA (PMMA; Polymethyl methacrylate) mixture at 800℃ in hydrogen atmosphere. The porosity (4958%) of these membrane was investigated as an amount of PMMA additive. The thermal decomposition and reduction behavior of NiO/PMMA were analyzed by TG/DTA in hydrogen atmosphere and the activation energy for the hydrogen reduction of NiO and thermal degradation of PMMA was calculated as 61.1 kJ/mol, evaluated by Kissinger method. Finally, the filtering performance and pressure drop were measured by particle counting system.