본 연구는 현재 올레핀/파라핀 분리에서 사용되는 극저온 분리법을 대체하기 위한 촉진수송 분리막에 대한 연구이 다. 촉진수송 분리 막을 상업화하기 위해서는 비용 절감 또한 매우 중요한 요소이다. 하지만 많은 연구가 이루어지고 있는 AgBF4 는 상대적으로 고가인 은 염이기 때문에 이를 대체하기 위해 비교적 저렴한 AgCF3SO3를 이용하여 PEBAX-2533/AgCF3SO3/ Al(NO3)3 복합막을 제조하였다. 분리막의 특성은 SEM, FT-IR, RAMAN을 통해 분석되었으며, 이번 연구를 통해 고분자 매 트릭스가 장기 안정성에 영향을 준다는 사실을 확인하였다.

본 연구에서는 분자동역학에서 원자의 움직임을 정의하는 가장 중요한 요소인 force-field가 실제 고분자 및 기체 분자의 움직임에 어떠한 영향을 주는지 알아보고자 하였다. Repeat unit과 고분자 구조는 본 연구에서 사용된 5종의 force-field 에서 모두 정상적으로 작용을 하였고, 최종 고분자 3D 모델에서 고분자 linear chain의 분포에서도 큰 차이를 보이지 않았다. 그러나 실제 기체 분자의 움직임은 매우 다른 경향을 나타내었으며, 이는 같은 functional form을 사용하는 COMPASS와 pcff 에서도 관찰되었다. 따라서 동일한 구조라고 하더라도 기체 분자의 운동은 시간에 따라 지속적으로 force-field의 영향 하에서 움직이기 때문에, 고분자 linear chain과 같은 거대 분자에 비하여 그 영향을 훨씬 크게 받는다는 것을 알 수 있으며, 결론적으로 서로 다른 force-field의 사용 시에는 결과 비교에 있어서도 매우 신중을 기해야 할 것이다.

Cobalt tetraphenylporphyrin-benzylimidazole (CoTpp-BIm)을 산소 운반체로 이용하여 polyethersulfone (PES)와의 혼합물을 기반으로 하는 혼합 구조의 평판형 분리막의 기체 분리 성능을 조사하였다. CoTpp-BIm이 혼합된 PES막은 손가락 구조와 스폰지형 구조가 혼합된 비대칭 구조를 가졌고, 상부표면은 치밀한 형태를 보였다. 기체분리 성능 실험은 94%의 N2 기체에 6%의 O2가 혼합된 기체를 사용하여 평가하였다. 산소 및 질소 투과율은 △P가 15~228 cmHg 범위에서 실험하였고, PES막의 투과면은 진공수준으로 유지되었다. CoTpp-BIm이 혼합된 PES막의 산소 투과율은 공급 압력이 감소함에 따라 증가 하였다. 공급 압력이 15 cmHg일 때 산소 투과율(Po2)는 6676 Barrer이었고, O2/N2 선택도(α)는 6.1, 촉진인자(F)는 2.39까지 증가하였다. 이를 바탕으로 PES막에 CoTpp-BIm을 첨가하면 산소분리 특성이 향상되는 것을 확인하였다.

촉진수송막이란 특정기체의 이동을 촉진시키기 위한 운반체를 포함하고 있는 분리막을 말하며 일반적으로 올레핀/파라핀 분리에는 π-complexation을 할 수 있는 은이온이 운반체로 사용된다. 본 연구에서는 올레핀/파라핀 분리를 위해 은이온이 함침된 아민계 고분자를 이용하여 촉진수송막을 제조하였고 이들의 프로필렌/프로판 분리특성을 알아보았다. 순수가스 테스트를 통해 압력변화에 따른 투과도와 선택도를 구하였으며, 혼합가스 테스트를 통해 stage-cut에 따른 투과측 프로필렌 농도 및 회수율 변화를 알아보았다. 그 결과, 2bar, 25°C에서 95%의 프로필렌을 99.6%까지 농축 시킬 수 있음을 확인하였다.

프로필렌은 석유화학제품의 기초 연료이며, Naphatha Cracker 에서 나오는 프로필렌/프로판 혼합물을 저온증류하여 생산된다. 저온증류를 이용하여 프로 필렌/프로판을 분리할 경우 많은 에너지가 소비되기 때문에 플랜트 규모가 작고 에너지 소비가 적은 막분리법이 대체법으로 연구되고 있다. 본 연구에서는 올레핀/파라핀 분리에 우수한 성능을 가지는 아민계 고분자를 이용하여 촉진수 송막을 제조하였으며, 이들의 프로필렌/프로판 분리특성을 알아보았다. 순수가 스 테스트를 통해 압력변화에 따른 투과도와 선택도를 구하였으며, 혼합가스 테 스트를 통해 stage-cut에 따른 투과측 프로필렌 농도 및 회수율 변화를 알아보 았다. 그 결과, 2bar, 25°C에서 95%의 프로필렌을 99.6%까지 농축 시킬 수 있음을 확인하였다.

최근 온실가스로 인해 기후 이상현상이 급증하면서 이산화탄소 분리 및 포집기술에 관한 관심이집중 되고 있다. 본 연구에서는 이산화탄소 분리를 위한 고분자 분리막 재료로 극성 기체인 CO2에 대한 높은 용해선택도를 보이는 polyethylene glycol(PEG)와 폴리설폰 공중합체를 제조하였다. 공중합체의 합성여부는 H-NMR 및 FT-IR 분석을 통해 확인되었다. 도입된 PEG 분자량에 따른 기체 분리 특성 및 열적, 물리적 특성이 평가되었다. 도입된 PEG의 분자량이 증가할수록 이산화탄소 투과도와 CO2/N2 선택도가 증가하는 것을 확인 하였다.

본 연구에서는 염제거 특성을 가지는 나노여과, 역삼투 및 정삼투 폴리아마이드 TFC 삼투막의 자유부피(공극) 특성을 양전자 소멸분광법을 이용해 측정하여, 이 결과를 바탕으로 용질제거 특성을 해석해봄으로써 활성층 내 존재하는 공극 특성과 물질이동 기작과의 상관관계를 밝혀냈다. 양전자 소멸분광법으로 측정한 폴리아마이드 삼투막의 공극 크기는 약 0.48 ~ 0.62 nm (지름) 내외로, 분리막 활성층 공극의 크기와 보론 제거율은 반비례함을 확인하였다. 압력기반 여과장치에서 수투과도를 증가시켜 보론 제거 실험을 반복한 결과, 0.6 nm 내외의 상대적으로 큰 공극을 가지는 폴리아마이드 분리막에서 확산이 아닌 대류를 통한 물질이동이 주도적으로 일어남을 확인하였고, 이를 무차원수인 Peclet 수의 변화로 증명했다.

제조나노물질의 발전으로 이를 이용한 제품들이 늘어남에 따라 상수 내 나노 물질에 대한 잠재 위해성 논란이 제기되어 왔다. 응집과 같은 기존 나노물질 처리 방법에 비해 막 분리법은 2차 오염물이 없고 재사용이 가능하기 때문에 각광받고 있다. 하지만 수계환경 변화로 인한 나노물질의 특성변화에 따른 막 기 반 공정 내 나노물질 거동에 대한 연구는 미미한 실정이다. 따라서 본 연구에서 는 국내에서 사용되고 있는 대표 제조나노물질인 Ag, ZnO, TiO2의 수계 내 유 기물 존재여부에 따른 특성을 분석하고 막기반 상수처리 공정에서의 거동을 평가하고자 하였다. SR-NOM을 대표 자연유기물로 평가하였으며 상수 내 SR-NOM의 유/무에 따른 나노물질들의 응집성 등의 변화가 막기반 공정 결과에 영향을 주었음을 확인하였다.

석유화학제품의 기초연료인 프로필렌은 Naphtha Cracker에서 나오는 프로필 렌/프로판 혼합물을 저온증류하여 생산되며, 이 공정은 많은 에너지를 소비한다. 따라서 에너지 소비가 작은 막분리법이 대체법으로 많은 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 올레핀/파라핀 분리에 우수한 성능을 가진 촉진수송막을 이용하여 프로필렌/프로판 분리특성을 알아보았다. 순수가스 테스트를 통해 압력변화에 따른 투과도와 선택도를 구하였으며, 자체개발된 전산모사 프로그램을 통해 혼합가스 테스트에 대한 feed 및 압력 변화에 따른 stage-cut 및 투과도측 프로 필렌 농도와 회수율 변화를 알아보았다.

CO2 capture technologies have been highlighted over the past decades because of global warming. Among the various technologies for CO2 capture, facilitated CO2 transport membranes show high CO2 selective performance by introducing carrier which interacts with CO2. In this presentation, we prepared and investigated facilitated CO2 transport membrane comprising potassium bis[(trifluoromethyl)sulfonylimide] (TF2N) dissolved in a polymer matrix of Pebax1657. Adding potassium salt to the membrane shows further improvement in gas permeabilities while maintaining or even improving the gas selectivity, compared to the corresponding neat polymer membrane. Therefore, we have demonstrated that KTF2N can act as dual carrier for CO2 and its facilitated transport membrane could be very effective in enhancing the CO2 separation performance.

가교는 사슬 간격과 사슬 내 외부의 유동성을 감소시켜 분리막의 선택도, 내화학성 등을 증가시키는 것 과 같이 기체분리막의 성능을 향상시키기 위한 여러 방법 중 하나이다. 본 연구에서는 지방족 가교제 중 선형가교제를 사용하여 폴리이미드 분리막의 기체 분리 성능을 높이고자 하였고, 선형가교제의 알킬 길이에 따른 영향 또한 비교 분석 하였다. 가교 여부는 이미드 그룹의 특성피크 증가와 이미드 그룹의 특성피크 감소를 통해 확인하였다. 기체분리특성은 CH4, N2, O2, CO2 단일 기체에 대해서 측정하였으며 가교제 및 가교도에 관계없이 가교 후 기체의 확산 감소로 인해 네 기체 모두 투과도가 감소하였다. 반면 CO2/CH4, O2/N2 기체상의 선택도는 가교 전보다 향상된 결과를 나타내는 것을 확인하였다.

올레핀/파라핀 분리 기술로 silver nanoparticles(AgNPs)를 운반체로 사용하여 보다 효과적으로 올레핀을 분리하는 고성능 올레핀 촉진수송 분리막을 제조하고자 하였다. 기존에 성능이 밝혀진 PVP/AgNPs/TCNQ 나노복합체 막에 추가적으 로 할로겐 물질을 첨가하여 AgNPs의 표면을 더 양극화시킴으로써 성능을 향상시키고자 하였다. 제조한 용액을 TEM과 EDS 로 분석해서 AgNPs의 형성과 iodine의 존재를 확인하였다. Propylene/propane 혼합기체의 분리 성능 실험을 통해 기존 PVP/AgNPs/TCNQ 나노복합체 분리막과 기체 분리 성능을 비교하였고, long-term stability 실험을 통해 분리막의 안정성을 조사하였다.

연구에서는 Poly(ethylene oxide) (PEO)/Ag Nanoparticles (NPs)/7,7,8,8-Tetracyanoquinodimethane (TCNQ) 분 리막 시스템을 제조하여 기존의 PEO/Ag NPs/p-Benzoquinone (p-BQ) 복합체 분리막보다 더 향상된 성능을 보이는 고투과성 올레핀 촉진수송 나노복합체 분리막을 얻고자 하였다. 고분자 지지체 PEO와 은 나노 입자 전구체 AgBF4는 1 대 0.4 몰비로 고정하고 전자 수용체인 TCNQ 함량은 다양하게 조절하였으며 1/0.4/0.004 몰비에서 가장 높은 올레핀 분리막 성능을 확인하 였다. 따라서 이 비율에서 long-term test를 진행하였고 초반에는 투과도 약 23 GPU, 선택도 약 6 (프로필렌/프로판)의 수치를 보였으나 32시간 만에 투과도는 약 6 GPU, 선택도는 약 2 (프로필렌/프로판)로 감소하는 것을 확인하였다.

본 연구에서는 석유화학공정 중에서 많은 에너지를 소비하는 NCC(Naphtha Cracking Center) C3 splitter를 대신하여 에너지 소비가 적고 친환경 공정인 막분리법을 이용하여 프로필렌/프로판의 분리특성을 예측하고자 한다. 막소재로는 프로필렌/프로판 분리에 대하여 우수한 성능을 나타내는 것으로 잘 알려진 촉진수송막을 사용하였다. 실험에 사용된 촉진수송막은 한양대학교에서 제조한 은나노입자가 함유된 VP/AgBF4/TCNQ 용액을 에어레인에서 다공성 폴리이서이미드 중공사에 얇게 코팅하여 소형 중공사 막모듈로 제작하였다. 제작된 촉진수송막 모듈의 투과성능을 평가하기 위하여 프로필렌과 프로판에 대한 단일기체 테스트를 진행하였다. 분리막의 투과현상을 예측하기 위하여 전산모사 프로그램을 개발하였다. 개발된 전산모사 프로그램에 단일기체 테스트를 통해 얻어진 투과도와 선택도를 이용하여 95/5 vol% C3H6 / vol% C3H8 혼합가스를 공급하였을 경우, 공급측 및 투과측 압력 변화에 따른 투과측 프로필렌의 농도가 99.5 vol%를 유지하는 단일 분리막 공정을 설계하였다.

본 연구에서는 LSCF/GDC (20 : 80 vol%) 복합 분리막 표면에 LSC/GDC (50 : 50 vol%) 활성층을 코팅한 후 활성층의 열처리 온도, 두께, 침투법을 이용한 STF 도입이 산소투과 특성에 미치는 영향을 고찰하였다. 활성층 도입은 복합 분리막의 산소 투과 유속을 급격히 증진시켰으며 이는 활성층 성분인 LSC/GDC (50 : 50 vol%)가 전자 전도성 및 표면 산소 분해 반응을 증진시켰기 때문이었다. 활성층의 열처리 온도가 900˚C에서 1000˚C로 증가한 경우, 산소 투과 유속은 증가하였고 이는 분리막과 활성층 사이 그리고 활성층의 결정입간 접촉이 증진하여 산소이온과 전자 흐름을 증진시켰기 때문으로 설명되었다. 코팅층의 두께가 약 10μm에서 약 20μm로 증가한 경우, 산소 투과 유속은 오히려 감소하였는데 이는 코팅층의 두께가 증가할수록 기공을 통한 공기 중의 산소 유입이 어려워지기 때문으로 설명되었다. 또한, 코팅층에 침투법을 이용하여 STF를 도입한 경우가 STF를 도입하지 않은 경우 보다 높은 산소 투과 유속을 보였는데 이는 도입된 STF가 산소 분해하는 표면 반응 속도를 촉진시키기 때문이다. 본 연구로부터 LSC/GDC (50 : 50 vol%) 활성층 코팅 및 특성 제어는 LSCF/GDC (20 : 80 vol%) 복합 분리막의 산소투과 증진에 매우 중요함을 확인하였다.

폴리아미드계 역삼투 분리막의 투과성능을 비교하기 위하여 NaCl과 NaOCl을 함유하는 혼합용액을 공급수로 사용하여 연속운전과 단속운전 하에서 실험하여 보았다. 이 결과를 가지고 막 이동 모델의 선택적 적용이 가능함을 제시하고자 하였으며 투과 성능 분석 결과, 용액 확산 모델과 선흡착-모세관이동 모델이 운전 모드에 따라 상대적으로 유용함을 볼수 있었다. 연속 운전에서는 선흡착-모세관이동 모델을, 단속 운전에서는 용액 확산 모델을 따름을 알 수 있었다 NaOCl에 의한 표면 변화를 SEM 사진을 통하여 확인 할 수 있었다. 연속운전 후의 막은 염소 투과 결과 표면에서 부분적인 ridge and valley 구조가 나타났으며 단속 운전 후의 막은 표면 전반에서 변성이 일어난 것을 볼 수 있었다.