고분자 중공사 분리막을 이용한 N₂/SF₆ 혼합가스로부터 SF₆의 분리 및 회수

이현정(Hyun Jung Lee),이민우(Min Woo Lee),이현경(Hyun Kyung Lee),이상협(Sang Hyup Lee) 大韓環境工學會 2011 대한환경공학회지 Vol.33 No.1

SF6는 IPCC가 평가한 온난화 지수가 가장 큰 물질이다. 이런 SF6 가스의 처리를 위하여 현재는 고에너지의 분해 기술이 사용되고 있지만 최근 분리막을 이용한 분리 및 회수 기술이 주목을 받고 있다. SF6가 중간권으로 방출될 경우 광분해 또는 이온 반응을 일으켜 높은 독성과 부식성을 지닌 부산물을 발생시키는 문제점을 가지고 있다. 현재 분리막을 이용한 SF6 가스의 회수·분리에 관한 연구 동향을 살펴보면 다양한 분리막 재질에 대한 투과특성연구가 부족하다. 또한, 실제 폐 SF6 가스농도에 대한 연구와 에너지 효율이 높은 운전조건의 분리·회수 연구는 초기단계이다. 그러므로, 본 연구에서는 상용화된 PSF (polysulfone), PC (tetra-bromo polycarbonate)와 PI (polyimide) 중공사 분리막을 사용한 SF6, N2 단일기체의 투과도 연구 및 폐 SF6 가스 농도의 SF6/N2 혼합기체를 사용하여 상용화된 PSF, PC와 PI 중공사 분리막과 운전조건 변화에 따른 SF6 가스의 분리·회수 연구를 수행하였다. 고분자 중공사 분리막에 대한 SF6와 N2의 투과 특성 실험 결과, N2/SF6 투과선택도는 PI 중공사분리막이 가장 높고, PC 중공사 분리막이 가장 낮은 결과를 보였다. SF6/N2 혼합기체의 분리 특성연구에서 회수된 SF6의 농도를 비교할 경우, PC 중공사 분리막이 0.5 MPa일 때 95.6 vol %로 가장 높았다. SF6의 회수율에서는 PSF 중공사 분리막이 운전압력 0.3 MPa, 배출유량 150 cc/min일 때 최대 97.8%로 가장 높았다. 이상의 결과로부터 분리막을 이용한 폐 SF6 가수의 분리 및 회수 기술은 향후 SF6 가스의 대표적 친환경 기술로 활용될 수 있을 것으로 생각된다. SF6 (Sulfur hexafluoride) possesses high GWP (Global Warming Potential) as sepcified by the IPCC (Intergonvernmental Panel of Climate Change). Recently, the recovery-separtion of SF6 research area, including permeation properties studies using various membrane`s materials and the practical operation of recovery-separtion using membrane of waste SF6 gas is in the initial state. The separation efficiency of a single SF6 and waste SF6 mixture was evaluated using a PSF (polysulfone), PC (tetra-bromo polycarbonate) and PI (polyimide) hollow fiber membranes. According to the results of single gases permeation properties, PI membrane has the highest permselectivity of N2 gas in N2/SF6 gas. Under the condition of P=0.5 MPa, the highest concentration of recovered SF6 is 95.6 vol % in the separation experiment of SF6/N2 mixture gas by PC membrane. Under the operation pressure of P=0.3 MPa at a fixed retentate flow rate fixed of 150 cc/min, the maximum recovery efficiency of SF6 is up to 97.8% by PSF membrane. From the results above, it is thought that the separation and recovery technique of SF6 gas using membrane will be used as the representative eco-technology in the SF6 gas treatment in the future.

PEMFC 분리판 유로 형태가 고분자막의 전기화학적 내구성에 미치는 영향

오소형,임대현,박권필 한국공업화학회 2020 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2020 No.-

고분자 전해질 연료전지(PEMFC)의 분리판(Separator) 소재의 부식에 의한 분리판 자체의 내구성에 대해서 많은 연구가 있었지만, 분리판이 고분자막의 내구성에 미치는 영향에 대한 연구는 거의 없었다. 특히 분리판 유로형태가 고분자막의 내구성에 미치는 영향에 대해서는 보고된 바 없어 본 연구에서 검토하고자 하였다. 고분자막의 내구성은 상대습도, 온도, 가스압, 전압 등의 영향을 받는데, 분리판의 유로 형태에 따라 부분적으로 이들의 차이가 발생할 수 있다. 유로 형태가 다른 분리판을 사용해 OCV Holding 고분자 막 가속 내구평가를 한 후 그 결과를 비교 분석하였다. 가스 배출구가 전극 접촉면 밖에 위치한 유로 형태가 고분자막의 내구성을 향상시켰다. 분리판에서 가스 배출구의 위치는 핀홀 발생과 Shorting 현상에 영향을 줌을 보였다.

분자 시뮬레이션 기술을 활용한 에너지/환경 분야용 고분자 분리막 연구

박치훈 한국공업화학회 2014 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2014 No.1

최근 들어 고분자 분리막 적용 공정의 친환경성 및 높은 에너지 효율이 주목을 받으면서, 수소 분리/저장, 이산화탄소 분리/포집, 연료전지용 고분자 전해질막 등 다양한 분리막 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 본 발표에서는 에너지/환경 분야 관련 고분자 소재의 구조-특성 상관관계를 이해하기 위한 분자 시뮬레이션 연구를 소개하고자 한다. 현대의 급속한 컴퓨터 기술발전은 분자 시뮬레이션 분야의 대상 소재 크기 및 시간 단위를 비약적으로 증가시켰다. 따라서, 기존의 실험적인 방법만으로는 명확하게 규명하기 어려웠던 화학구조에 따른 고분자의 특성변화와 이러한 특성들이 최종적으로 성능에 어떻게 영향을 주는 지에 대하여 더 깊은 이해가 가능하게 되었다. 이러한 연구 결과들 중에서 본 연구자가 주로 진행하였던 연료전지용 고분자 전해질 막과 기체 분리용 분리막 관련 연구를 바탕으로 실제 분자 시뮬레이션 연구가 고분자 분리막 연구에 어떤 식으로 적용되어 지고 있는 지 소개하며, 분자 시뮬레이션 연구의 장단점 및 가능성/한계 등에 대하여 논의해 보는 시간을 갖고자 한다.

Pluronic F-127 첨가제를 활용한 고성능 나노분리막 연구개발

김수민,김도용,김승환,김유신,김정 한국공업화학회 2019 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2019 No.1

최근 물의 오염과 물부족 문제가 심각한 문제로 받아들여지고 있다. 오염된 물이나 바닷물을 분리막으로 정화시켜 인간이 사용하도록 만들 수 있다. 우리는 이를 위한 분리막을 연구하고 있다. 오염된 물을 통과시키기 위한 에너지원에 대해 알아봤다. 물을 통과시키기 위한 에너지의 양과 그 에너지원의 효율과 정화된 물이 어느 양만큼 보급이 가능한 지 알아봤다. 또 분리막을 만들 때 고분자의 농도를 변화시키며 농도에 따른 성능을 연구하고 있다. 여기에 첨가제를 넣어서 분리막을 만들어 보고 각각의 성능을 비교해본다. 바이러스와 세균, 이온들을 거를 수 있는 분리막을 만들어 성능검사를 실시하여 측정값들을 비교해본다. 그리고 멤브레인을 통과한 물의 순도를 측정한다. 각각의 이온들에 해당하는 calibration을 이용하여 이온들이 얼마나 걸러지는 지 측정해보고 배제율을 구해서 분리막의 성능을 측정한다. 이 모든 것들을 진행하며 가장 성능과 효율이 좋은 분리막을 만들어본다. 본 연구에서는 첨가제로 인한 분리막 성능향상에 관해서 측정하였다.

경상대학교의 고분자 분리막 특성평가 시스템

남상용,우창화 한국공업화학회 2018 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2018 No.0

본 연구에서는 고분자 분리막을 제조하여 다양한 분석기기를 통해 특성평가를 실시하였다. 먼저, 분리막의 표면개질 정도와 막의 파울링에 관한 정보를 얻을 수 있는 제타전위측정기기를 이용하여 계면동전위와 전기영동이동도를 조사하였다. 다음으로 기체분리막의 기체투과특성을 측정하기 위해서 Time-lag장비를 이용하여 분리막의 diffusivity와 solubility를 측정하였다. 또, 수분투습도 측정기(WVTR) 장비와 산소투과도 측정기(OTR)을 이용하여 수분투습도, 산소투과도를 각각 측정하였으며, 이는 일정시간동안 막을 통과하는 수증기와 산소의 양으로 측정이 가능한 장비이다. 추가로, BET, 비표면적 측정기를 이용하여 고분자 시료의 비표면적 및 기공 크기분포를 조사하였다. 위 내용 뿐만 아니라 다양한 특성평가기기를 이용하여 분리막의 특성을 측정할 수 있었다.

차세대 수처리용 박막 복합체 분리막

이정현 한국공업화학회 2019 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2019 No.1

역삼투 혹은 나노여과 등의 수처리용 분리막은 다공성 지지체 위에 박막 선택층이 놓여있는 박막 복합체의 구조를 가지고 있다. 분리막의 성능(수투과도 및 용질 제거율)과 내오염성을 향상시키기 위한 다양한 연구가 진행되어왔으나, 근본적으로 분리막의 구조, 특히 선택층의 물리적, 화학적 구조를 제어하는 것이 어려워, 성능 및 내오염성을 향상시키는데 한계가 존재해왔다. 본 발표에서는 새로운 물질 및 제조 기술을 활용하여, 분리막의 물리화학적 구조를 효과적으로 제어함으로써, 분리막의 성능과 내오염성을 향상시킨 연구를 소개하고자 한다. 층상박막조립, 듀얼슬랏코팅 기술을 이용한 나노박막 선택층 조립기술을 비롯하여, 다기능성 빌딩블록을 합성하고 이를 선택층 제조에 사용함으로써, 기능화된 박막 복합체 분리막에 대해서도 소개하고자 한다. 또한, 지지체의 구조를 제어하여 정삼투 및 압력지연 삼투 분리막의 성능을 극대화시킨 연구결과를 보고하고자 한다.

팔라듐 복합막을 이용한 잠수함 연료전지용 메탄올 개질가스 수소정제에 관한 연구

이은한,김태우,변세기,서두원,황효정,김한성,이신근 한국청정기술학회 2022 청정기술 Vol.28 No.1

This study examined the use of palladium (Pd)-composite membranes for hydrogen purification from methanolreforming gas for the operation of air independent propulsion (AIP) submarines. Since submarines utilize low-temperaturepolymer electrolyte fuel cells (LT-PEMFC) and one of the requirements of these fuel cells is high-purity (99.999%) hydrogen, adense membrane without pinholes is an essential requirement for a Pd-composite membrane. A Pd-composite membrane formethanol reformed gas purification was made by electroless plating an Inconel 600 support coated with yttrium stabilizedzirconia (YSZ) as a diffusion barrier layer using the blowing coating method (BCM). The membrane was tubular with a length of 450 mm and a diameter of 12.7 mm (surface area of 175 cm2). Hydrogen purification tests were carried out with simulatedmethanol reformed gas containing approximately 67% hydrogen at 400 ℃, a hydrogen permeation pressure of 2.5 bar,which is that of LT-PEMFCs used for AIP submarines, and a feed pressure of 25 bar. The purification tests showed that theapproximately 67% hydrogen of the methanol reformed gas could be purified up to 99.999% with 80.1% hydrogen recoverywhen the reformed gas feeding rate was 0.53 Nm3/h. These results indicated that the hydrogen purification capacity of themembrane was 0.29 Nm3/h. After the high-pressure purification tests, the Pd-composite membrane was disassembled fromthe module and the surface condition and thickness were analyzed. Membrane analysis showed no membrane damage andthe palladium thickness was 11 to 12 μm meaning that the plating efficiency was approximately 92%. From the purificationtests and the membrane analysis, we could conclude that the developed Pd-composite membrane can be used as a hydrogenpurifier for the fuel supply system of AIP submarines. 본 연구는 팔라듐계 복합막을 사용하여 메탄올개질을 통한 on-site 제조 수소를 air independent propulsion (AIP)용 잠수함 운용에 활용하기 위한 수소 정제에 관한 것이다. 잠수함용 연료전지는 저온형 고분자전해질연료전지(low-temperature protonexchange membrane fuel cell, LT-PEMFC) 이며, 잠수함 운용 특성상 99.999% 고순도 수소가 필요하기 때문에 팔라듐 복합막은 핀홀(pinhole)이 없는 치밀막이 필수요구사항이다. 메탄올 개질가스 정제에 사용한 분리막은 blowing coating method(BCM) 법으로 yttrium stabilized zirconia (YSZ) 확산방지층을 코팅한 길이 450 mm, 직경 12.7 mm인 (표면적 175 cm2) 인코넬600 지지체에 무전해도금법으로 팔라듐을 코팅하여 제조하였다. 제조된 팔라듐계 복합막을 사용하여 수소농도가 ~ 67%인메탄올개질 혼합가스를 공급하면서 운전온도 400 ℃, 잠수함 사용에 적합하도록 LT-PEMFC에 수소를 공급하기 위한 수소투과측 압력 2.5 bar, 그리고 분리막측 공급압력 25 bar에서 수소정제실험을 진행하였다. 메탄올개질 혼합가스 정제실험 결과 분리막 1개당 0.53 Nm3/h까지 메탄올 개질가스 정제가 가능하였는데 수소농도는 99.999% 이상 정제가 가능하였고, 이때 수소회수율은 80.1%에 달하였다. 이는 분리막 1개 당 메탄올 개질 가스로부터 99.999% 이상 수소를 생산할 수 있는 용량이 0.29Nm3/h임을 의미한다. 고압실험 후 분리막은 모듈에서 해체하여 표면상태, 두께 등을 분석하였는데 고압운전에도 분리막 손상은 없었고, 두께는 11-12 μm임을 확인하였다. 측정한 두께로 도금효율이 약 92%에 달하는 수치임을 확인하였다. 개발한 팔라듐계 복합막을 이용한 수소정제실험 및 분리막 분석을 통하여 고압운전이 필요한 AIP용 잠수함 운용에 필요한 연료공급장치에 수소정제기로 활용 가능함을 알 수 있었다

폴리다이메틸실록산 코팅을 통한 다결정성 UiO-66 분리막의 비선택적 결정립계 결함 캡핑

김익지,권혁택 한국청정기술학회 2023 청정기술 Vol.29 No.1

In general, the presence of non-selective intercrystalline (grain boundary) defects in polycrystalline metal-organic framework (MOF) or zeolite membranes, which are known to be ca. 1 nm in size, causes lower membrane performance (selectivity) than the intrinsically expected. In this study we show that applying a thin polymeric coating of polydimethylsiloxane (PDMS) on a polycrystalline MOF membrane is effective to cap the non-selective intercrystalline defects and therefore improve membrane performance. To demonstrate the concept, first, polycrystalline UiO-66, one of Zr-based MOFs, membranes were prepared by an in-situ solvothermal growth. By controlling membrane growth condition with respect to growth temperature, we were able to obtain polycrystalline UiO-66 membranes at 150 o C with intercrystalline defects of which the quantity is not significant, so it can be plugged by the suggested PDMS deposition. Second, their performances were compared before and after the PDMS deposition. As expected, the PDMS deposition ended up with a noticeable increase in CO2/N2 ideal selectivity from 6 to 14, indicating successful intercrystalline defect plugging. However, the enhancement in CO2/N2 selectivity was accompanied by a significant reduction in CO2 permeance from 5700 to 33 GPU because the PDMS deposition not only plugs defects but also forms a continuous coating on membrane surface, adding an additional transport resistance. 다공성 결정물질(예: 금속유기골격체(Metal-Organic Framework, MOF), 제올라이트(zeolite))로 만들어진 다결정성 분리막의 선택도는 일반적으로 크기가 1 nm 혹은 그 이상으로 알려진 비선택적 결정 간 결함, 즉 결정립계의 존재 때문에 저하된다. 본 논문에서는 다결정성 MOF 분리막 위에 폴리다이메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS)의 코팅이 결정립계를 캡핑하여 분리막의 선택도를 향상시키는데 효과적임을 증명하였다. 제안된 개념을 증명하기 위해서 in-situ 용매열 합성법을 통해 제조된 지르코늄 기반의 MOF의 일종인 UiO-66 분리막 위에 PDMS를 코팅한 후, 코팅 전후의 성능변화를 관찰하였다. PDMS 코팅 후 UiO-66 분리막의 CO2/N2 단일 기체 분리 선택도는 6에서 14로 증가하였고, 동시에 CO2 투과도는 5700 GPU에서 33 GPU로 감소하였다. 선택도의 증가는 PDMS 코팅이 결정립계 결함을 효과적으로 메웠음을 의미하며, 동반된 투과도의 감소는 PDMS 코팅이 결함을 메우는 동시에 분리막 위에 연속적인 층을 형성하여 추가된 투과 저항에서 비롯되었다고 판단된다.

규조토를 활용한 비용매 유도 상분리 공정에 의한 고분자 분리막 제막 연구

오종민(Jongmin Oh),Abouelanwar Ali Mahmoud Mohame,김준영(Joonyoung Kim),김영진(Youngjin Kim) 대한환경공학회 2022 대한환경공학회 학술발표논문집 Vol.2022 No.11

2P-498 친수성 고분자를 이용한 중공사 분리막 제조 및 투과 특성 평가

임광섭,우승문,조진우,남상용 한국공업화학회 2017 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2017 No.1

본 연구에서는 친수성고분자으로 중공사형 분리막을 개발하기 위해 상전이법을 이용하여 제조하였다. 고분자는 PAN을 사용하여 고분자용액을 제조하였고, PVP, PEG와 같은 첨가제를 사용하였다. 방사조건에서 에어갭을 조절하여 표면의 기공구조를 확인하였으며, 내부응고제의 조성을 조절하여 내부표면 및 전체적인 모폴로지에 영향을 확인하였다. 분리막의 단면과 표면 모폴로지는 전계방출형주사현미경을 이용하여 관찰하였으며, 0.2㎠ 의 테스트용 Lab. 모듈을 제조하여 수투과도 평가를 진행하였다.