청정 연료인 수소를 생산하기 위해 현재 가장 널리 사용되는 기술인 증기 개질이다. 이 방법으로 생산된 수소는 일산화탄소와 같은 불순물을 함유하고 있어, 이를 연료전지와 같은 응용분야에 사용하기 위해서는 적절한 정제 과정을 반드 시 거쳐야 한다. 최근 효과적인 정제 방법으로 분리막 기술이 각광받고 있다. 본 연구에서는 수소와 일산화탄소 혼합가스에서 수소 분리 및 회수를 위해 바이오가스 고질화용(biogas upgrading) 상용 폴리설폰(polysulfone) 고분자막의 활용 가능성에 대 해서 평가하였다. 먼저, 사용한 상용막의 물리화학적 특성에 대해서 평가하였고, H2/CO를 이용하여 stage-cut, 운전압력과 같 은 다양한 조건에서의 상용막 모듈의 성능 평가를 진행하였다. 마지막으로, 평가 결과를 바탕으로 공정설계를 위한 시뮬레이 션을 진행하였다. 본 연구에서의 상용 분리막 공정의 최대 H2 투과도와 H2/CO 분리계수는 각각 361 GPU와 20.6을 기록하였 다. 또한, CO 제거 효율은 최대 94%를 나타내었으며, 생산 수소 농도는 최대 99.1%를 달성하였다.

본 연구에서는 유기용매에 저항성이 뛰어난 소재인 polyketone 고분자를 사용하여 열유도 상분리법(TIPS)으로 유기용매 저항성 중공사 분리막을 제조하였다. 희석제는 green solvent로 알려진 PEG300, DMSO2, glycerine을 사용하였으며, 이때 사용된 diluent에 따라 나타나는 구정형 구조를 가지는 고-액 상분리와 bicontinuous한 구조를 가지는 액-액 상분리를 관 찰하였다. 전반적인 분리막의 특성은 SEM, 수투과도, 기계적 강도, 내화학실험을 사용하여 고찰하였으며, 본 연구에서는 다양한 희석제가 적용된 polyketone 중공사 분리막의 제조와 그 상호관계에 대해 심도 있게 연구하였다.

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.

본 연구에서는 정삼투 중공사막 모듈에서 중공사막의 가닥을 비틀어 배치하였을 때의 효과를 알아보기 위해 CFD 전산 유체 역학 프로그램을 통해 5개의 다른 각도로 비틀린 중공사막 모듈을 설계하고 시뮬레이션하여 비틀리지 않은 모듈과 비교하였다. 실험 결과, 중공사막이 비틀렸을 때, 모듈 내부의 유도 용액의 농도가 비틀리지 않을 때에 비해 고르게 분포하였 다. 모듈 입구의 압력은 중공사막의 비틀림과 관계없이 일정한 값을 보였지만 출구의 압력은 중공사막이 비틀린 정도가 커질 수록 증가하는 추세를 보였다. 출구의 압력이 높아짐에 따라 막 내부의 유체 속도가 감소하고 모듈 체류 시간이 증가하여 막 사이의 물질 교환이 원활하게 이루어질 것으로 예측된다. 이는 결과적으로 막이 비틀려 있을 때의 모듈 플럭스가 투과 수량 이 차지하는 비율이 그렇지 않을 때에 비해 2배 증가하였다.