본 연구에서는 폴리술폰 분리막을 이용한 바이오가스 정제 공정으로 고선택성 소재를 이용한 2단 공정의 높은 회 수율 및 경제성과 동등한 수준의 회수율을 확보하기 위해 저온 고압의 분리막 공정을 설계하고 평가하였다. 폴리술폰 고분자 를 4성분계 도프를 이용하여 비용매 유도 상전이법으로 중공사 분리막을 제조하였다. 기체 분리용 중공사 분리막은 1.6 m2의 유효 막면적을 갖는 샘플을 제조하여 상온 및 저온에서 기체 투과 특성을 평가하였다. 제조된 기체분리막 모듈의 온도에 따 른 기체 투과 특성을 분석하기 위하여 온도별 단일 기체 투과도를 평가한 결과 이산화탄소와 메탄 투과도는 20°C에서 각각 412, 12.7 GPU이며, -20°C에서는 각각 280, 3.6 GPU로써 이상 선택도는 32.4에서 77.8로 향상되었다. 단일 기체 투과 테스 트 후 혼합 기체에 대한 분리 테스트를 진행하였으며, 모듈 1단 구성 및 2단 구성(막 면적비 1:1, 1:2, 1:3)을 통하여 투과 거 동을 살펴보았다. 1단 구성에서는 stage-cut이 상승함에 따라 메탄의 농도가 상승하지만, 반대로 회수율은 떨어지는 결과를 나 타내었다. 2단 구성 테스트에서는 메탄 농도 97% 기준에서 막 면적비 1:1보다 1:3이 메탄의 회수율이 더 높게 측정되었으며, 공급 기체의 온도가 낮을수록 메탄의 회수율이 높아짐을 확인하였고, 최종적으로 폴리술폰 2단 공정에서 메탄 농도 97%, 회 수율 97%의 결과를 달성하였다.

압력-분배 탈기방식으로 막접촉기를 구성하여 바이오가스 정제를 하였다. 폴리프로필렌(PP) 중공사막 모듈과 물리흡수제를 이용하여 막접촉기 성능 평가를 수행하였다. 실험은 흡수 압력, 가스의 유량, 흡수 온도 및 흡수제의 농도등 다양한 조건에서 수행하였다. 특히 CO2 흡수능이 높은 상용 흡수제인 프로필렌카보네이트(PC)와 물의 혼합흡수제를 사용하여 회수성능이 향상되었다. 탈기 방법이 개선된 압력-분배 탈기방식의 막접촉기는 50% CO2/50% CH4의 바이오가스 모사가스로부터 바이오메탄을 98% CH4 순도와 91%의 회수율로 정제하였다. 따라서 압력-분배 막접촉기를 통해 바이오가스로부터 수송용 바이오메탄의 생산이 가능함을 확인하였다.

we present a novel pressure-cascaded stripping configuration for membrane contactor biogas upgrading processes. Employing polypropylene (PP) hollow fiber membrane modules and water as physical absorbent, the effects of absorption pressure, gas-liquid flowrate, and vacuum mode were systematically studied. In addition, exploiting the solubility difference between CO2 and CH4, as well as the preferential absorption of CO2 in water, a pressure-cascaded stripping tank was implemented to recover and recycle the absorbed CH4 in high purity. The proposed configuration simultaneously enhanced the bio-methane yield (90%) and purity (97%). This project is supported by the "R&D Center for reduction of Non-CO2 Greenhouse gases (2013001690002)" funded by Korea Ministry of Environment(MOE) as "Global Top Environment R&D Program".

지구 온난화 현상은 화석연료의 사용으로 발생하고 있으며 그에 따른 심각성은 더욱 커지고 있다. 따라서 온난화 현상을 일으키는 온실가스의 감축에 큰 관심이 모이고 있다. 바이오가스의 형태로 배출되는 메탄과 이산화탄소를 분리 정제하여 온실가스를 감축 하여 신재생 에너지로 사용하기 위한 노력이 진행되고 있다. 본 연구에서는 혐기성 소화조에서 발생되는 바이오가스 내 포함된 메탄의 농도를 95%이상으로 분리 농축하기 위한 연구를 진행하였다. 혐기성 소화조에서 발생되는 바이오 가스를 처리하기 위한 다단 분리막 공정을 설계하였고 막 면적 및 막 면적 비율에 따른 성능을 알아보았다.

전세계적으로 화석연료의 과다한 사용으로 인한 지구온난화 및 고유가 시대에 직면하고 있다. 이에 따라 세계 각국은 신재생에너지 개발 및 적용을 통해 지구온난화문제와 에너지 자립화를 위한 노력을 기울이고 있다. 바이오 메탄은 실현 가능성이 가장 높은 분야의 하나로, 대부분 음식물 쓰레기 처리장, 매립지, 축산폐수 및 하폐수 처리시설에서 혐기성소화공정을 통해 얻어진다. 발생된 메탄가스를 정제하여 고순도로 이용하는 기술은 설치비가 저렴하고 운전이 편리하여 유럽을 비롯한 전세계에서 상용화되어 왔으며 IEA 자료에 의하면 고순도화 플랜트의 설치사례가 2011년 이후 급격히 증가되었다. 본 발표에서는 전세계 정제플랜트의 시장규모, 국내외 기술현황, 화학연구원에서 개발중인 분리막 정제기술의 연구를 소개하고자 한다.

본 연구에서는 소수다공성 중공사막을 이용한 분리막 접촉기를 이용하여 바이오가스 내 이산화탄소를 제거하여 연료로 사용할 수 있는 고순도 바이오메탄을 생산하고자 하였다. 분리막 접촉기는 다공성 분리막의 세공을 통하여 기/액접촉이 효율적으로 이루어지므로 흡수법에 비해 작은 장치규모로도 바이오가스 정제가 가능하며, 기체와 액체의 직접접촉을 통해 흡수제에 대한 용해도가 큰 기체성분을 제거하기 때문에 빠른 물질전달 속도를 갖는 장점이 있다. 본 연구에서는 폴리프로필렌 중공사막을 이용하여 분리막 접촉기 모듈을 제작하여 시험하였다. 바이오가스 정제를 시험하기 위해 모델가스를 이용하였으며, 기체 유량, 액체 유량, 접촉기 모듈 형태, 운전압력을 변화시키며 시험하였고, 이를 통해 최적의 분리조건을 탐색하였다.

국내에서 생산되는 바이오가스는 경제적 가치를 창출하지 못하고 있어 활용 방안 확대를 위한 고효율의 바이오가스 정제 및 메탄 농축시스템 개발이 필요한 상황이다. 본 연구에서는 바이오매스 기반의 바이오가스를 도시가스로 공급하기 위한 최적의 정제 및 메탄 농축시스템 개발을 목적으로 하였다. 농축 공법으로는 멤브레인 공법이 최적의 결과를 도출하였고 다단 멤브레인 공법별 비교분석을 통하여 상황별 최적의 시스템을 개발하였다.

바이오가스의 고질화 공정에서는 필수적으로 메탄의 손실이 발생하게 된다. 특히 기체분리막을 이용한 바이오가 고질화는 타 공정에 비해 경제적이라는 장점이 있지만 메탄 손실율이 높은 편이다. 메탄 손실율이 줄이기 위해서는 고선택도의 분리막 모듈이 요구된다. 분리막을 이용한 바이오가스 고질화 공정에서 메탄손실율이 높은 이유는 CO2에 의한 가소화(Plasticization)으로 CH4의 투과도가 증가하기 때문이다. Cellulose계열의 고분자는 CO2 가소화에 대한 영향이 적기 때문에 CA(Cellulose Acetate)를 사용하여 고선택도의 분리막 개발이 가능하다. 따라서, 투과도가 높은 막을 개발하기 위해 도프용액의 농도와 에어갭(Evaporation time)을 변화시키면서, CA의 두께와 기공을 조절하여, 고선택도의 CA 분리막을 제막하였다. 비용매 유도상 분리법(NIPS, nonsolvent induced phase separation)을 이용하여 제막하였다. 실험에 사용된 Eastman사의 CA를 더 이상 정제하지 않고 그대로 사용하였으며, 도프용액은 다성계로 중합체(polymer), 용매(solvent), 비용제(nonsolvent)를 혼합하여 분리막을 방사하였다. CA의 함량이 증가할수록 active layer 층이 두꺼워지므로 분리막의 선택도가 증가하는 경향을 보였다. 하지만, CA함량이 증가할수록 support layer의 다공층이 줄어들게 되고 active layer층이 두꺼워지므로 투과도도 함께 줄어들게 된다. CA 21wt%에서의 메탄의 투과도와 선택도는 1.3 GPU 및 33.0이였으며, CA 25wt%에서의 메탄 투과도와 선택도는 0.1 GPU 및 43.6으로 고선택도 분리막을 제막하였다.

In this research, the upgrading technology and policy trends for biogas were examined with a focus on the European Union (EU). Depending on the capacity of the biogas upgrading facility investment costs are different. In addition, biogas upgrading technology-specific energy demand is lowest in the amine scrubber process. Organic waste met the sustainability criteria. Also, the energy content was four times larger, and the results showed that the utilization value was significant. Through cogeneration, and it can secure various markets. Because of these advantages, various policies are being promoted in the EU. In the future, South Korea needs to model its biogas policy after the upgrading technology and policy trends in the EU, and it should strive to create a market for biomethane.