고분자 분리막 재질 변화에 따른 $O_2$, $CF_4$, $SF_6$ 투과도 및 투과선택도 특성 변화에 대한 연구 Permeation and Permselectivity variation of $O_2$, $CF_4$ and $SF_6$ through Polymeric Hollow Fiber Membranes원문보기
IPCC (Intergonvernmental Pane1 of Climate Change)에서 $CO_2$의 23,900배에 해당하는 지구온난화지수를 가진 $SF_6$ (Sulphur hexafluoride) 가스와 중전기 산업에서 아크 발생에 의해 생긴 $SF_6$의 주요 분해 부산물 중 하나이며 $CO_2$의 6,300배에 해당하는 지구온난화지수를 가진 $CF_4$ (Tetrafluoromethane) 가스의 배출에 대한 규제가 적극 검토되고 있다. 본 연구는 $O_2$, $CF_4$에 대한 $SF_6$의 분리 회수의 기초 연구로써, 상용화된 PSF (polysulfone), PC (tetra-bromo polycarbonate)와 PI (polyimide) 고분자분리막을 사용하여 $O_2$, $CF_4$와 $SF_6$ 가스의 압력과 온도 변화에 따른 투과도 및 투과선택도 연구를 수행하였다. 압력 변화에 따른 $O_2$의 투과도는 PSF 중공사 분리막에서 압력 1.1 MPa일 때, 37.5 GPU로 가장 높게 나타났고, $SF_6$와 $CF_4$의 경우 압력 1.1 MPa에서 PC 중공사 분리막이 각각 2.7 GPU와 2.5 GPU로 가장 높은 투과플럭스를 나타냈다. 온도 변화에 따른 $O_2$의 투과플럭스는 막의 온도가 $45^{\circ}C$일 때 PSF 중공사 분리막이 41.2 GPU로 가장 높게 나타났고, $SF_6$와 $CF_4$는 막의 온도가 $25^{\circ}C$일 때, PC 중공사 분리막이 각각 2.4 GPU와 2.3 GPU로 가장 높은 투과플럭스를 나타냈다. 압력과 온도 변화에 따른 $O_2/SF_6$와 $CF_4/SF_6$의 투과선택도 결과, 높은 단일 기체 투과플럭스를 보인 PSF와 PC 중공사 분리막이 가장 낮은 투과선택도를 나타내고, 가장 낮은 투과플럭스를 보인 PI 중공사 분리막이 가장 높은 투과선택도를 나타냄을 확인할 수 있다.
IPCC (Intergonvernmental Pane1 of Climate Change)에서 $CO_2$의 23,900배에 해당하는 지구온난화지수를 가진 $SF_6$ (Sulphur hexafluoride) 가스와 중전기 산업에서 아크 발생에 의해 생긴 $SF_6$의 주요 분해 부산물 중 하나이며 $CO_2$의 6,300배에 해당하는 지구온난화지수를 가진 $CF_4$ (Tetrafluoromethane) 가스의 배출에 대한 규제가 적극 검토되고 있다. 본 연구는 $O_2$, $CF_4$에 대한 $SF_6$의 분리 회수의 기초 연구로써, 상용화된 PSF (polysulfone), PC (tetra-bromo polycarbonate)와 PI (polyimide) 고분자 분리막을 사용하여 $O_2$, $CF_4$와 $SF_6$ 가스의 압력과 온도 변화에 따른 투과도 및 투과선택도 연구를 수행하였다. 압력 변화에 따른 $O_2$의 투과도는 PSF 중공사 분리막에서 압력 1.1 MPa일 때, 37.5 GPU로 가장 높게 나타났고, $SF_6$와 $CF_4$의 경우 압력 1.1 MPa에서 PC 중공사 분리막이 각각 2.7 GPU와 2.5 GPU로 가장 높은 투과플럭스를 나타냈다. 온도 변화에 따른 $O_2$의 투과플럭스는 막의 온도가 $45^{\circ}C$일 때 PSF 중공사 분리막이 41.2 GPU로 가장 높게 나타났고, $SF_6$와 $CF_4$는 막의 온도가 $25^{\circ}C$일 때, PC 중공사 분리막이 각각 2.4 GPU와 2.3 GPU로 가장 높은 투과플럭스를 나타냈다. 압력과 온도 변화에 따른 $O_2/SF_6$와 $CF_4/SF_6$의 투과선택도 결과, 높은 단일 기체 투과플럭스를 보인 PSF와 PC 중공사 분리막이 가장 낮은 투과선택도를 나타내고, 가장 낮은 투과플럭스를 보인 PI 중공사 분리막이 가장 높은 투과선택도를 나타냄을 확인할 수 있다.
In this study, we tried to observe the permeation on the single $O_2$, $CF_4$ and $SF_6$ gas using a PSF (polysulfone), PC (tetra-bromo polycarbonate) and PI (polyimide) hollow fiber membranes. We also observed the permselectivity on the $O_2/SF_6$ and
In this study, we tried to observe the permeation on the single $O_2$, $CF_4$ and $SF_6$ gas using a PSF (polysulfone), PC (tetra-bromo polycarbonate) and PI (polyimide) hollow fiber membranes. We also observed the permselectivity on the $O_2/SF_6$ and $CF_4/SF_6$. According to the results of single gases permeation for different pressures, PSF membrane has the highest $O_2$ permeation of 37.5 GPU and PC membrane has the highest $SF_6$ permeation of 2.7 GPU and the highest $CF_4$ permeation of 2.5 GPU at 1.1 MPa. According to the results of single gases permeation for different temperatures, PSF membrane has the highest permeation of $O_2$ at $45^{\circ}C$ and PC membrane has the highest permeation of $SF_6$ and $CF_4$ at $25^{\circ}C$. From the result of $O_2/SF_6$ and $CF_4/SF_6$ permselectivity for different pressures and temperature, the highest permeation and the lowest permselectivity were observed in the PSF and PC membrane. On the contrary, the lowest permeation and the highest permselectivity was observed in the PI membrane.
In this study, we tried to observe the permeation on the single $O_2$, $CF_4$ and $SF_6$ gas using a PSF (polysulfone), PC (tetra-bromo polycarbonate) and PI (polyimide) hollow fiber membranes. We also observed the permselectivity on the $O_2/SF_6$ and $CF_4/SF_6$. According to the results of single gases permeation for different pressures, PSF membrane has the highest $O_2$ permeation of 37.5 GPU and PC membrane has the highest $SF_6$ permeation of 2.7 GPU and the highest $CF_4$ permeation of 2.5 GPU at 1.1 MPa. According to the results of single gases permeation for different temperatures, PSF membrane has the highest permeation of $O_2$ at $45^{\circ}C$ and PC membrane has the highest permeation of $SF_6$ and $CF_4$ at $25^{\circ}C$. From the result of $O_2/SF_6$ and $CF_4/SF_6$ permselectivity for different pressures and temperature, the highest permeation and the lowest permselectivity were observed in the PSF and PC membrane. On the contrary, the lowest permeation and the highest permselectivity was observed in the PI membrane.
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문제 정의
본 연구에서는 PSF, PC와 PI 고분자 중공사 분리막을 사용하여O2, SF6와 CF4의 압력과 온도 변화에 따른 투과 특성에 대하여 연구하였고, 이를 통해 얻은 결과를 바탕으로 O2/SF6와 CF4/SF6의 투과선택도를 확인하였다. 또한 기존 연구결과의 N2/SF6 투과선택도 결과와 비교하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
제안 방법
Table 3에서는 Figs. 5~8의 결과를 종합하여 SF& 에대해 O2 CF4의 투과선택도가 가장 높은 조건을 선택하여 기존 연구결과 중 동일 조건의 NVSFs 투과선택도와 비교하였다. WSF6와(WSF6의 투과선택도는 N2, O2 및 SF6 단일기체의 투과도가 낮은 PI 중공사 분리막에서 가장 높은 투과선택도를 확인할 수 있었고, CF4/SF6는 PSF, PC 및 PI 중공사 분리막에서 거의 비슷한 투과선택도를 확인할 수 있다.
sec), Ap 는 막을 통해 생기는 압력 차이(transmembrane pressure difference, ctnHg/cm), V 투과 부피 (calibrated permeate volume, cm3), N는 막의 유효면적(membrane effective surfece area, cm2), F는 투과 시간(permeate time, sec)을 나타내는 것이다. 그러나, 본 연구에서 사용된 PSF, PC, 그리고 PI 중공사 분리막은 Fig. 1의 결과에서 보듯이 비대칭 구조로서 선택층의 두께를 정확히 측정하는 것이 불가능하므로 막 두께를 배제한 GPU (Gas Permeation Unit)을 이용하였다[17-19].
기체 투과 실험장치는 오븐에 모듈을 장착하여 막의 온도를 조절하였고, 중공사막 모듈의 교체가 가능하도록 이루어져 있다. 단일 기체의 공급압력을 조절하기 위해 미세압력 조절기를 사용하였고, 모듈 앞 단에 수분제거용 트랩(moisture trap)을 설치하여 수분이 유입되는 것을 방지하였다. 배출부에는니들 벨브(needle val.
연구에 사용된 기체 분리막 소재로는 상용화되어 시판되고 있는 중공사 분리막 중에서 높은 내압성과 내구성을 갖는 폴리 설폰(polysulfbne, PSF), 테트라-브로모 폴리카보네이트(tetra-bromo polycarbonate, PC)와 폴리 이미드(polyimide, PI) 재질의 것을 사용하였으며, 이를 이용하여 압력과 온도 변화에 따른 SF6와 02, CF4의 투과도 특성을 실험하였다. 또한 (WSFs CF”SF6의 투과선택도와 기존 N2/SF6 투과선택도[16]에 대한 연구결과를 비교하였다.
또한 기존 연구결과의 N2/SF6 투과선택도 결과와 비교하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
단일 기체의 공급압력을 조절하기 위해 미세압력 조절기를 사용하였고, 모듈 앞 단에 수분제거용 트랩(moisture trap)을 설치하여 수분이 유입되는 것을 방지하였다. 배출부에는니들 벨브(needle val.,e)를 설치하여 기체가 배출부로 배출되지 못하도록 하였으며, 투과부에는 압력계와 기체 유량계를 설치하여 투과된 기체의 압력과 유량을 측정하였다. 단일기체의 투과도 변화에 미치는 온도의 영향을 평가하기 위해서 온도는 25~45℃까지 변화를 주었다.
유리 상고 분자는 고분자 사슬의 경직도와 밀집도가 높고 자유 부피가 작아 확산으로 인한 투과도는 감소하지만 선택도는 향상시키므로 혼합 기체의 분리에 적합한 소재이다. 이러한 특성의 고분자 중공사 분리막을 이용하여 폐 SF6 가스의 성분가스에 대한 각각의 투과도를 실험하였다. 일정온도 25℃에서 압력 변화에 따른 PSF, PC 및 PI 중공사 분리막에 대한 단일기체 0上 SF6, CF4의 투과도 결과를 Fig.
회수의 기초 연구로써, 상용화된 고분자 분리막을 사용하여 02, CF4와 SFs 가스의 압력과 온도 변화에 따른 투과도 및 투과선택도 연구를 수행하였다. 분해 부산물 중 SO2는 독성 가스로 고분자 분리막에 흡착되어 막에 손상을 주기 때문에 전처리 공정에 의해 처리되어 고분자 분리막을 이용한 본 연구에서는 고려되지 않았다.
대상 데이터
1에 나타내었다.O2, CF4와 SF6 단일 기체는 순도 99.999% 이상으로서, 고압용 실린더에 저장되어 있는 것을 사용하였다. 또한, O2, CF4와 SF6 기체의 특성은 Table 2에 나타내었다.
회수연구 결과를 통해 이미 보고된 적이 있다[16]. 연구에 사용된 기체 분리막 소재로는 상용화되어 시판되고 있는 중공사 분리막 중에서 높은 내압성과 내구성을 갖는 폴리 설폰(polysulfbne, PSF), 테트라-브로모 폴리카보네이트(tetra-bromo polycarbonate, PC)와 폴리 이미드(polyimide, PI) 재질의 것을 사용하였으며, 이를 이용하여 압력과 온도 변화에 따른 SF6와 02, CF4의 투과도 특성을 실험하였다. 또한 (WSFs CF”SF6의 투과선택도와 기존 N2/SF6 투과선택도[16]에 대한 연구결과를 비교하였다.
데이터처리
외에서 시판되고 있는 유리 상 고분자인 A사의 폴리설폰(polysulfone, PSF) 중공사 분리 막, B사의 테 트라-브로모 폴리카보네이트(tetrabromo polycarbonate, PC) 중공사 분리막, 그리고 C사의 폴리이미드(polyimide, PI) 중공사 분리막이다. 고분자 중공사 분리막들의 특성은 주사현미경 (Scanning Electron Microscope, SEM : HITACHI S-4100, Japan) 분석을 통하여 확인하였고 측정 결과는 Table 1과 Fig. 1에 나타내었다.O2, CF4와 SF6 단일 기체는 순도 99.
성능/효과
Fig. 3의 (a) 에서알 수 있듯이, 압력 변화에 따른O2의 투과도 결과는 동일 압력 1.1 MPa에서 PSF 중공사 분리막이 37.5 GPU로 가장 높게 나타났으며, PI 중공사 분리막이 8.2 GPU로 가장 낮게 나타났다. 또한, Fig.
또한, Fig. 3의 (b)와 (分에서 보듯이, 압력 변화에 따른 SF6와 CF4의 투과도 결과는 동일 압력 1.1 MPa에서 PC 중공사 분리막이 각각 2.7 GPU와 2.5 GPU로 가장 높았으며, PI 중공사 분리막이 각각 0.027 GPU와 0.026 GPU로 가장 낮게 나타났다. 위의 결과에서 보듯이 압력변화에 따른 단일기체의 투과도는 고분자 중공사 분리막과 기체의 특성에 따라 각기 조금씩 다른 결과를 보여준다.
1) 압력 변화에 따른 Ch의 투과도는 PSF 중공사 분리막에서 압력 1.1 MPa일 때, 37.5 GPU로 가장 높게 나타났고, SF<s와 CF4의 경우 압력 1.1 MPa에서 PC 중공사 분리막이 각각 2.7 GPU와 2.5 GPU로 가장 높은 투과도를 나타냈다. 압력변화에 따른 단일기체의 투과도는 고분자 중공사 분리막과 기체의 특성에 따라 각기 조금씩 다른 결과를 보여주는데, 02, SF6와 CF4 모두 PSF, PC 및 PI 중공사 분리막에 대해서 압력이 높아질수록 투과도가 소폭 증가하였다.
2) 온도 변화에 따른 O2의 투과도는 막의 온도가 45 ℃일 때, PSF 중공사 분리막이 41.2 GPU로 가장 높게 나타나 온도가 증가할수록 투과도가 증가함을 확인할 수 있었다. 반면에, SF6와 CF4는 막의 온도가 25℃일 때, PC 중공사 분리막이 각각 2.
3) 압력과 온도 변화에 따른O2/SF6와 CFQSF6의 투과선택도 결과를 보면 단일 기체 투과도에서 상대적으로 가장 높은 투과도를 보인 PSF와 PC 중공사 분리막이 가장 낮은 투과선택도를 나타내고, 가장 낮은 투과도를 보인 PI 중공사 분리막이 가장 높은 투과선택도를 나타냄을 확인할 수 있었다. 이것은 투과도와 선택 도의 상반 관계를 나타내는 통계적으로 고투과성 고분자는 선택도가 낮아지고, 고선택성 고분자는 투과도가 낮아지는 trade-off 관계로 설명할 수 있다.
3 MPa에서 온도 변화에 따른 PSF, PC 및 PI 중공사 분리막에 대한 단일기체 Ch, SF6, CF4의 투과도 결과이다. Fig. 4의 (a)에서, 02는 막의 온도가 45℃일 때, PSF 중공사 분리막이 41.2 GPU 로 가장 높은 투과도를 나타냈고, PI 중공사 분리막이 12.5 GPU로 가장 낮은 투과도를 나타내어 온도가 증가할수록 투과도가 증가함을 확인할 수 있었다. 반면에, SF6와 CF4는 막의 온도가 25℃일 때, PC 중공사 분리막이 각각 2.
6의 CF4/SF6의 투과선택도 결과를 통해 PSF, PC 및 PI 중공사 분리막에서 SF6와 CF#의 선택적 분리가 어렵다는 것을 확인할 수 있다. WSF6와 CF4/SF6의 투과선택도 결과를 보면 단일 기체 투과도에서 상대적으로 가장 높은 투과도를 보인 PSF와 PC 중공사 분리막이 가장 낮은 투과선택도를 나타내었고, 가장 낮은 투과도를 보인 PI 중공사 분리막이 가장 높은 투과선택도를 나타냄을 확인할 수 있었다. 이것은 투과도와 선택도의 상반관계를 나타내는 통계적으로 고투과성 고분자는 선택도가 낮아지고, 고 선택성 고분자는 투과도가 낮아지는 trade-off 관계로 설명할 수 있다[20, 22].
5~8의 결과를 종합하여 SF& 에대해 O2 CF4의 투과선택도가 가장 높은 조건을 선택하여 기존 연구결과 중 동일 조건의 NVSFs 투과선택도와 비교하였다. WSF6와(WSF6의 투과선택도는 N2, O2 및 SF6 단일기체의 투과도가 낮은 PI 중공사 분리막에서 가장 높은 투과선택도를 확인할 수 있었고, CF4/SF6는 PSF, PC 및 PI 중공사 분리막에서 거의 비슷한 투과선택도를 확인할 수 있다. PI 중공사 분리막을 사용하여 저압 고온 조건에서 운전할 경우, SF6에 대한 N2와O2의 투과선택도를 높일 수는 있지만 전체공정의 투과도는 낮게 유지되어 시간당 회수율이 낮아질 수 있다.
2 GPU로 가장 높게 나타나 온도가 증가할수록 투과도가 증가함을 확인할 수 있었다. 반면에, SF6와 CF4는 막의 온도가 25℃일 때, PC 중공사 분리막이 각각 2.4 GPU와 2.3 GPU로 가장 높은 투과도를 나타내어 온도가 증가할수록 투과도가 소폭으로 감소하거나 변화가 없음을 확인할 수 있었다.
5 GPU로 가장 낮은 투과도를 나타내어 온도가 증가할수록 투과도가 증가함을 확인할 수 있었다. 반면에, SF6와 CF4는 막의 온도가 25℃일 때, PC 중공사 분리막이 각각 2.4 GPU와 2.3 GPU로 가장 높은 투과도를 나타냈고, PI 중공사 분리막이 각각 0.022 GPU와 0.022 GPU로 가장 낮은 투과도를 나타내어 온도가 증가할수록 투과도가 소폭으로 감소하거나 변화가 없음을 확인할 수 있었다. O2, SF6와 CF4의 동력학적인 분자 크기(kinetic diameter)는 각각 3.
5 GPU로 가장 높은 투과도를 나타냈다. 압력변화에 따른 단일기체의 투과도는 고분자 중공사 분리막과 기체의 특성에 따라 각기 조금씩 다른 결과를 보여주는데, 02, SF6와 CF4 모두 PSF, PC 및 PI 중공사 분리막에 대해서 압력이 높아질수록 투과도가 소폭 증가하였다.
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