1970년대 중반 석유 파동 이후 대체 에너지 개발에 대한 관심이 커지면서 그 중에서 혐기성 공정에서 발생하는 바이오가스 생산과 활용 기술 개발에 대한 연구가 진행되고 있다. 바이오 가스의 주성분은 50-70%CH4/30-40%CO2으로 이루어져 있고 이 때 메탄을 > 95% 순도로 농축하면 도시가스와 자동차 연료로 사용이 가능하다. 바이오가스의 정제기술로 막 분리법은 낮은 에너지 소모량, 이동성 및 쉬운 작동성 등의 장점을 가지고 있다. 본 연구에서는 바이오가스를 95% 이상의 메탄으로 농축하기 위해 폴리설폰 중공사막과 다단 분리막 공정을 이용하였다. 분리막 공정에서 압력, 온도, 막면적 등 다양한 공정 변수에서 95% 이상의 메탄 순도를 얻기 위한 연구를 진행하였다.

Biogas produced in anaerobic digestion process has been considered as a renewable energy source. To recover biogas from the anaerobic effluent and thereby maximize the energy recovery from anaerobic processes, membrane contactor employing hydrophobic porous hollow fiber membrane has been applied. By optimizing the surface hydrophobicity and the porosity of membranes, a desirable CH4 flux could be achieved. Biogas recovered can be upgraded by applying required purification processes for the injection into natural gas grid or for the use as vehicle fuel. My group has synthesized various microporous materials including zeolites, metal-organic frameworks (MOFs) and amine-appended sorbents that are selectively transport CO2 molecule and incorporated them into polymeric films to design high performance gas separation membranes.

음식물 및 축산 폐기물 처리장 등 혐기성 공정에서 발생하는 바이오가스의 주성분은 50~70% 메탄과 20~40% 이산화탄소로 구성되어 있다. 바이오 가스 내 메탄을 95% 이상의 고순도로 농축할 경우 도시가스와 이송수단의 연료로 사용이 가능하며 온실가스 감축에도 큰 효과가 있어 신재생 에너지로써 큰 주 목을 받고 있다. 본 연구에서는 혐기성소화조에서 발생하는 바이오가스를 95% 이상의 메탄으로 농축하기 위해 폴리설폰 중공사막과 다단 분리막 공정을 이용하였다. 순수기체 투과도와 혼합기체 투과성능을 알아보았고 폴리설폰 분리막을 이용하여 3, 4 단의 분리막 공정을 설계하여 분리 농축 실험을 실시하였다.

혐기성 소화 공정에서 발생하는 바이오 가스는 주성분이 메탄으로 이루어지며 이산화탄소 및 암모니아, 황화수소 등으로 구성되어 있다. 바이오 가스를 정제하는 기술은 불순물을 제거하는 전처리 공정과 메탄과 이산화탄소를 분리하는 공정으로 나눌 수 있으며, 메탄과 이산화탄소를 분리하는 공정 중에서도 분리막을 이용한 분리 기술이 주목 받고 있다. 이에 따라 막분리 공정을 이용한 음식물 쓰레기 처리장에서 발생하는 바이오가스 중 메탄을 회수 및 농축에 관한 연구를 실시하였다. 상용화된 중공사막 모듈로 이산화탄소, 메탄의 혼합가스 분리 실험을 실시하였고, 그 결과를 통하여 공정을 설계하였다.

본 연구에서는 부분지환족 dianhydride인 5-(2,5-dioxotetrahydrofuryl)-3-methyl-cyclohexene-1,2-dicarboxylic anhydride (DOCDA)와 다섯가지 diamine (2,5-dimethyl-1,4-phenylene diamine (2M), 2,4,6-trimethyl-1,3-phenylene diamine (3M), 1,5-naphthalene diamine (NDA), 4,4-diaminodiphenyl methane (MDA), 4,4’-diaminodiphenyl ether (ODA))을 two-step 이미드화를 통해 공중합하였다. 합성된 폴리이미드 공중합체를 FT-IR, 고유점도, DSC, TGA 그리고 용해도 측정을 통해 구조분석 및 물성을 확인하였다. 또한 6FDA를 dianhydride로 한 공중합체를 같은 방법으로 합성하여 함께 비교하였다. 그 결과, 모든 공중합체는 0.32~0.58의 고유점도를 가졌으며, DOCDA계 공중합체는 6FDA를 포함한 공중합체보다 약간 낮은 값을 보이나 약 400°C까지 견딜 수 있는 열적 안정성과 여러 가지 용매에 대한 우수한 용해성을 나타내었다. 또한 얻어진 폴리이미드를 이용해 평막을 제조하여 CO2 및 CH4에 대한 기체투과도를 평가하였고 공중합체는 구조변화에 따른 투과-선택도의 상충관계를 보여주었다.

본 연구는 가축분뇨 혐기성소화에서 발생된 바이오가스 이용 활성화를 위하여 효율적인 가스성상별 분리 및 정제 방법을 모색코자 수행하였다. 바이오가스의 분리 및 정제를 위하여 폴리술폰 고분자 소재를 상분리법을 이용하여 중공사막을 제조하였고, 중공사막이 충진된 맴브레인 모듈을 제작하여 바이오 가스 분리 및 정제를 실시하였다. 이러한 특징을 가진 중공사막을 사용하여 멤브레인 모듈을 제작하였으며, 제작된 멤브레인 모듈을 사용하여 혐기성소화조에서 발생하는 바이오가스를 분리 및 정제하였다. 바이오가스의 분리 및 정제를 위해서 멤브레인 모듈에 공급한 바이오가스는 실록산 0.1 ppm 이하, H2S 3 ppm 이하, Dewpoint –20℃ 이하로 제어하여 공급하였다. 멤브레인 모듈의 운전압력은 4∼7 ㎏f/㎠, 온도의 범위는 15∼45℃이였다. 가축분뇨에서 발생하는 바이오가스를 분리 및 정제한 결과, CH4 94.2%, CO2 92.0%로 분리 및 정제되었으며, 회수율은 CH4 102.1%, CO2 83.5%가 회수되었다. 따라서 본 연구에서 제작한 멤브레인 모듈을 사용한 바이오가스의 분리 및 정제 실험을 통해서 분리 전 바이오 가스의 성분(CH4 68%, CO2 28%, O2 0.6%, H2S 1 ppm 이하, Balance 2.7%)에 대해서 CH4 94.2%, CO2 92.0%의 고농도 분리 및 정제가 가능한 것을 알 수 있었다.

Biogas from anaerobic digestion of biological wastes is a renewable energy resource. It has been utilized to provideheat and electricity. Raw biogas contains about 55~65% methane, 30~45% carbon dioxide, 0.5% of hydrogen sulfidegas and fraction of water vapor. The presence of CO2 and H2S in biogas affects less caloric value of raw biogas andcorrosion of engine etc.. Reducing CO2 and H2S contents improves a quality of fuel. In this paper, the absorption processusing aqueous monoethanol amine has been investigated as one of the leading technologies to purify the biogas. Liquidabsorbent is circulated through the reactor, contacting the biogas in countercurrent flow. The experimental results of themethane purification in simulated biogas mixture consisted of methane, carbon dioxide and hydrogen sulfide werepresented. It was shown that using aqueous solution used is effective in reacting with CO2 in biogas and it was possibleto achieve the purification of methane from the concentration of 55% up to 98%. This technique proved to be efficientin enriching and purifying of biogas, and has to be used to improve process efficiency.

Biogas is a clean environment friendly fuel that is produced by bacterial conversion of organic matter underanaerobic condition. Raw biogas contains about 55~65% methane, 30~45% carbon dioxide, 0.5% of hydrogensulfide gas and fraction of water vapor. Pure methane has a caloric value of 9,800 kcal/m3, but the caloric value ofraw biogas is about 5,000kcal/m3. To achieve the standard composition of the biogas the treatment techniques likeabsorption or membrane separation must be applied. In this paper the experimental results of the methane purificationin simulated biogas mixture consisted of methane, carbon dioxide and hydrogen sulfide were presented. It was shownthat the using the hollow fiber module with polysulfone membrane it was possible to achieve the purification ofmethane from the concentration of 55% up to 97%. The membrane material was resistant to the small concentrationsof sour gases and for the prevention of methane losses the membrane system has to be used to improve processefficiency.