본 연구에서는 α-Al2O3 중공사 지지체 위에 γ-Al2O3, SiO2 산화막 및 Pd 금속막을 각각 증착하여 수소 분리막을 제작하고, 암모니아 열분해 반응 후 생성되는 혼합기체(H2, N2, NH3)에 대한 투과 성능을 비교⋅분석하였다. scanning electron microscope과 atomic force microscope 분석 결과, 산화막 코팅을 통해 표면 조도가 크게 개선되어 Pd 무전해도금 시 결 함 억제에 기여할 수 있음이 확인되었다. 기체투과실험은 450°C, 0.5~2.0 barg 조건에서 수행되었으며, 산화막 기반 분리막은 기공 투과 메커니즘에 의해 최대 수소 순도가 82%에 머무른 반면 금속막 기반 분리막은 용해–확산 기반의 bulk diffusion 메 커니즘을 통해 97% 이상 순도의 수소를 안정적으로 분리하였다. 특히 Pd/α 중공사막은 2 barg에서 15 mL/min 이상의 수소 flux와 1900 이상의 H2/NH3 seperation factor을 기록하며 산화물 기반 분리막보다 월등한 성능을 보였다. 결론적으로 산화물 막은 단독 분리 성능은 제한적이지만 Pd 증착을 위한 전처리 및 중간층으로서 유효함이 확인되었으며, Pd 중공사막은 고온 수소 정제 공정에 가장 적합한 선택지임을 입증하였다.

메탄화 공정은 탄소 포집 및 활용(CCU) 기술의 하나로, 탄소중립 달성을 위한 핵심 기술이다. 본 연구는 메탄화 반응기 배출가스에서 생성가스인 메탄과 미반응 수소를 분리하기 위한 가스 분리 시스템 설계를 위한 사전 연구로, 소형 막 모듈을 이용한 2단 분리막 시스템을 설계⋅제작하고 시험 가스인 질소-수소 혼합가스에 대한 분리 성능을 실험적으로 평가하 였다. 1단 막 모듈에서는 질소-수소 혼합가스에 대한 혼합 가스 선택도를 측정하였으며, 1단 및 2단 막 모듈 모두에서 잔류 측과 투과 측의 목표 가스 회수율 및 순도를 분석하였다. 본 연구에서 수행한 국내 A사 막 모듈의 성능 분석 결과는 향후 메 탄화 반응 가스 분리 시스템 설계 및 최적화 연구의 기초자료로 활용될 수 있다.

폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF) 기반의 중공사막은 뛰어난 열적, 기계적, 화학적 안정 성을 통해 분리 응용을 위한 유연한 플랫폼을 제공한다. 본 총설에서는 PVDF 중공사막의 생산 및 표면 처리 기술의 최신 발 전과, 이를 담수화 및 염료/염 분리 공정에 적용한 사례를 검토하였다. 딥 코팅 기술과 화학적 접목, 그리고 TiO2, MXene, MoS2와 같은 나노소재를 혼합층 형성을 통해 첨가하는 것은 소수성, 습윤 방지 성능 및 투과성에서 뚜렷한 향상을 가져왔으 며, 야누스 트라이보어 및 이중층 막은 막 증류 공정을 장기간 수행할 때 내오염 저항성과 기계적 강도에서 우수한 성능을 보였다. 그리고 혼합 매트릭스 막에서 MOF와 rGO 같은 탄소 기반 충전재를 결합하면 높은 염 거부 수준(> 99.9%)과 물 유 속(> 25 kg/m2·h)을 달성하여 해수 및 산업 폐수 처리에 적합하였다. 본 총설에서는 투과증발, 나노여과, 진공 막 증류 (vacuum membrane distillation, VMD) 방법이 PVDF 막과 어떻게 시너지 효과를 발휘하는지를 검토하였으며, 첨가제 최적화 및 표면 기능화와 함께 막 구조를 설계함으로써 막 성능을 향상시킬 수 있으며 이를 통해 PVDF 중공사막이 실험실 규모의 연구에서 산업 규모 생산으로 확장될 수 있음을 보였다.

막 분리 기술은 이산화탄소(CO2) 포집을 위한 가장 효과적인 기술 중 하나로, 운영이 간단하고 화학적 배출이 없 다는 장점이 있다. 수증기와 같은 불순물은 고분자 막의 성능에 큰 영향을 미친다. 다양한 산업 분야의 배가스 농도에 따라, PDMS/PSF 중공사막을 이용한 가스 분리 실험이 수행되었다. PDMS/PSF 막에서의 습도의 영향을 확인하기 위해, 상대습도 0%와 96% 조건에서 CO2 농도를 달리하며 실험을 진행하였으며, 공급 유량은 300 ccm, 온도는 50°C로 유지하였다. 실험 결 과, 수증기는 막의 CO2 투과도는 다소 감소시키는 반면, CO2/N2 선택도는 소폭 증가시키는 것으로 나타났다. 이러한 선택도 향상은 CO2의 흡착 증가에 기인한 것으로 해석된다. 50°C에서 20 d간의 연속 실험 후, 막의 CO2 투과도는 소폭 감소하였으나, CO2/N2 선택도는 증가하였다. 이 결과는 PDMS 코팅된 PSF 막이 가혹한 조건에서도 안정적인 성능을 유지함을 보여준다.

본 연구에서는 열유도상분리법으로 제조한 polyvinylidene fluoride (PVDF) 중공사막의 오염성과 화학적 세척에 대한 실험을 진행하였다. 오염수는 소 혈청 단백질(bovine serum albumin, BSA)과 카올린(kaolin)을 이용해 제조하였으며, 차아 염소산나트륨(NaOCl), 구연산(citric acid), 황산(H2SO4)으로 화학적 세척을 진행한 후 뒤 표면 전하 분석기, 주사전자현미경 (scanning electron microscope, SEM) 그리고 에너지 분산 X선 분광법(energy dispersive X-ray spectroscopy, EDX)을 통해 세 척 효율을 평가하였다. PVDF 분리막은 높은 내화학성과 열적 안정성을 가지는 분리막으로 화학적 세척을 진행한 결과 가장 좋은 효율은 차아염소산나트륨으로 세척한 것으로 그 결과 투과도는 793.2 L/(m2.h.bar)로 초기 투과량인 945.3 L/(m2.h.bar) 값과 비교하였을 때 약 84% 회복률을 보여주었다. 이는 수처리 공정에서의 막 오염 방지 및 세척의 중요성을 제시한다.