이온전도성 분리막을 이용한 산소 제조 기술은 효율적으로 산소를 제조할 수 있으며, 산소부화 연소기술, 순산소 연소기술 등에 적용 범위가 넓다. 고온에서 운전하는 특성상 열적, 화학적으로 안정적이어야 하며, 특히 이산화탄소 재순환기술을 적용하기 위해서는 이산화탄소 내성이 필수적이다. 본 연구에서는 높은 투과성능을 가지는 Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ를 상전이 및 소결법으로 중공사막을 제조하였으며 표면을 페롭스카이트-플로라이트 이중상 물질로 개질하여 이산화탄소 내성을 갖도록 하였다. 제조한 분리막을 산소 분리 모듈에 적용하여 부피당 면적에 따른 투과도 및 산소 유량 변화를 관찰하였다.

Ce0.8Sm0.2O2–δ―Sm0.1Sr0.9Cu0.2Fe0.8O3–δ dual-phase membranes were prepared with one-pot method and citric acid sol-gel process. After calcination of the powder at 850 ℃, the dual-phase membranes were prepared by uniaxially pressing the powder. The dual-phase membranes were sintered at 1150 ℃ for 5h with heating/cooling rates of 2 ℃/min. The phase structure and microstructure of the sintered membrane were studied by XRD and SEM. Elemental analysis of the membrane surface and cross section was performed. The oxygen permeation fluxes of Cu-containing dual-phase membranes were evaluated in the temperature range of 800―950 ℃ with He and CO2 as the sweep gas.

High oxygen permeability and structural stability are required in the presence of high concentrations of CO2 for application of oxygen transport membrane in the oxy-fuel combustion process. MIEC membranes based on alkaline earth metal such as Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ have low CO2 stability. Carbonates were formed over the surface of membranes including alkaline earth metal in the presence of CO2 and oxygen permeation fluxes are deteriorated. In this work, dense dual-phase hollow fiber membranes were prepared by a phase inversion spinning and sintering process. The oxygen permeation fluxes of dual-phase hollow fiber membrane were evaluated at various temperatures.

하수슬러지와 같이 수분이 많이 함유된 폐기물 소각에 있어 순산소 연소기술은 공기 중의 질소를 배제하므로 장치의 크기를 줄일 수 있고 NOX의 배출을 줄 일 수 있는 고효율 연소 기술이다. 순산소 연소는 고효율 연소의 장점은 있으나 산소 제조 비용이 고가라는 문제점이 대두되어 왔다. 최근 저가 산소를 제조하기 위한 이온전도성 분리막 및 모듈이 개발되었고, 이를 소각로의 배열을 이용하여 운전한다면 산소제조 비용을 낮출 수 있는 장점이 있지만 장시간 대기 중의 CO2 노출 시 분리막 표면에 탄산염이 형성되어 성능이 저하됨을 확인되었다. 본 연구에서는 소각로에 순산소를 공급하고 고농도의 CO2를 sweep gas로 활 용하여 이온전도성 산소 분리막을 운영할 수 있도록 CO2 내성을 갖는 중공사막을 개발하였다.

YBaCo2O5+δ조성의 산화물을 고상반응법을 이용하여 합성하였으며, 합성된 분말은 압축 성형 후 1,180℃에서 소결하여 치밀한 분리막을 제조하였다. YBaCo2O5+δ 분리막은 X-선 회절분석기(XRD)와 전자 주사 현미경(SEM)을 이용하여 분석하였다. XRD 분석결과 1,150℃ 이상에서 다른 불순물 없이 이중층 페롭스카이트 구조가 얻어졌다. 산소투과량은 분리막 양면에 산소분압 차이에 따라 750~950℃ 온도범위에서 측정하였다. 산소투과량은 온도와 산소분압이 증가할수록 증가하였고, 두께 1.0 mm의 YBaCo2O5+δ 분리막은 950℃, PO2 = 0.42 atm에서 약 0.15 mL/cm2·min의 최대 투과량을 보였다. 산소투과에 대한 활성화 에너지는 산소 분압이 감소할수록 감소하였고 PO2 = 0.21 atm의 조건에서 76.0 kJ/mol이었다.

PrBa0.9Sr0.1Co2O5+δ 조성의 산화물을 고상반응법을 이용하여 합성하였다. 합성된 분말은 압축 성형 후 1,250℃에서 소결하여 치밀한 세라믹 분리막을 제조하였다. 제조된 PrBa0.9Sr0.1Co2O5+δ분리막은 XRD분석 결과 이중 페롭스카이트 (double perovskite)구조를 보였다. 밀봉재료로는 pyrex ring을 사용하여 가스누출 실험 및 산소투과 분석을 하였다. 산소투과량 분석은 850~950℃범위에서 측정되었다. 산소투과실험 결과, 투과량은 온도증가에 따라 0.15에서 0.32mL/㎠·min로 증가하였다.

고상반응법을 이용하여 BaCo0.7Fe0.22Nb0.08O3-δ (BCFN) 조성의 산화물을 합성하였으며, 합성된 분말은 압축 성형 후 1,200℃에서 소결하여 치밀한 세라믹 분리막을 제조하였다. 제조된 BaCo0.7Fe0.22Nb0.08O3-δ 분리막의 XRD 분석결과 단일상의 페롭스카이트 구조를 보였다. 밀봉재료로 glass ring을 사용하여 가스누출 실험 및 산소투과 분석을 하였으며, 산소투과 분석 결과 온도와 산소분압(Po2)이 증가할수록 산소투과량은 증가하였고, Po2 = 0.63 atm의 경우 950℃에서 2.3mL/min·㎠의 값을 나타내었다. 또한, 이산화탄소 300 ppm이 포함된 혼합공기를 사용할 경우 모사공기(Po2 = 0.21 atm)를 사용한 경우에 비해 산소투과량이 최대 2.9%만 감소하였다. 이는 BaCo0.7Fe0.22Nb0.08O3-δ 분리막이 다른 분리막에 비해 이산화탄소에 대해 안정하다는 것을 의미한다.

본 연구에서는 소수성 PTFE (Polytetrafluoroethylene) 분리막의 산소동위원소 분리특성을 확인하기 위해 물의 온도에 따른 수증기의 막 투과특성을 Air Cap Membrane Distillation (AGMD)과 Vacuum Enhanced Membrane Distillation (VEMD) 방법을 이용하여 각각 측정하였다. 투과된 수증기는 트랩에서 수거하여 투과플럭스 (permeation flux)를 측정하였고 H216O와 H218O의 성분비는 다이오드 레이저 흡수분광법을 이용하여 측정하였다. 분리막을 투과한 수증기에서 무거운 산소동위원소의 성분비가 감소함을 확인하였고 분리계수는 실험 조건에 따라 1.004~1.01로 측정되었다. 또한 분리막의 기공에 있는 공기가 산소동위원소의 분리에 미치는 영향을 확인하였고 기공내 공기가 없을 때 동위원소 분리계수가 증가함을 관찰하였다.

국내 K-그룹 연구소에서 제조한 폴리설폰 중공사막의 산소/질소 혼합물에 대한 압력, stage , cut , 공급기체 혼합물의 조성에 따른 분리성능을 조사하였다. 본 실험의 압력범위와 온도 30℃에서의 이상분리인자 (O2/N2)는 5.7이었으며, 유입기체 혼합물의 21mole % 산소농도가 약 50 mole%로 농축되었다. 저압측과 고압측의 압력비는 산소농축에 미치는 영향이 적었으며 이상분리인자의 영향은 매우 컸다. 그러나, 이상분리인자가 증가함에 따라 이상분리인자의 영향은 둔화되었다. 따라서, 이상분리인자가 큰 신소재 개발과 더불어 공정변수의 최적화가 필요하다. 수학적 모델링에 의한 예측치와 실험치가 잘 맞았다.

폴리이미드 고분자막을 사용한 질소부하 장치를 설계하고, 이를 CA 저장에 활용하기 위한 기술적 기본 데이터를 제시하였다. 순수 산소 및 질소의 투과특성은 dual-mode sorption 모델로서 설명될 수 있었으며, 공기 중의 산소의 투과율은 공기 중에 존재하는 질소의 영향으로 순수 산소의 투과율에 비해 크게 감소하나, 공기 중의 질소의 투과율은 산소의 영향으로 순수 질소의 투과율에 비해 증가하였다. 수행한 압력 및 온도 범위 내에서 이상분리인