[논문]Polyamide 복합막을 이용한 메탄/이산화탄소 혼합기체의 분리 특성

이재화; 이건호; 최경석; 김수룡; 오세천

doi:10.12925/jkocs.2012.29.3.15

초록
AI-Helper

고분자는 우수한 투과선택도 및 가공성으로 인하여 여러 기체 혼합물의 분리를 위한 막의 소재로 널리 이용되고 있다. 본 연구에서는 polyamide 복합막을 이용하여 $CH_4$ 및 $CO_2$ 혼합기체의 분리특성에 관한 연구를 수행하였다. 본 연구를 위한 모사 기체로는 순수 메탄과 이산화탄소를 혼합하여 사용하였으며, 서로 다른 운전조건에서의 투과실험을 수행하였다. 주입 기체의 유량은 800~1000 $cm^3/min$으로 변화시켰으며, stage cuts의 변화는 50~60 %로 하였다. 또한 분리막의 운전 온도는 $30{\sim}70^{\circ}C$에서 변화시켰으며 기체의 초기 주입압력은 6 bar로 설정하였다. 각 실험조건에서 메탄과 이산화탄소의 투과도를 평가하였고 이때 permeate에서의 이산화탄소에 대한 선택도를 함께 평가하였다. 또한 본 연구에서는 Arrhenius plots를 이용하여 메탄과 이산화탄소의 분리막에 대한 투과 활성화 에너지를 얻었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Polymers are widely used as membrane material for performing the separation of various gaseous mixtures due to their attractive permselective properties and high processability. The separation characteristics of $CH_4$ and $CO_2$ mixed gas using polyamide composite membrane has...

Polymers are widely used as membrane material for performing the separation of various gaseous mixtures due to their attractive permselective properties and high processability. The separation characteristics of $CH_4$ and $CO_2$ mixed gas using polyamide composite membrane has been studied in this work. The sample gas was prepared by mixing pure methane and carbon dioxide. Permeation tests were carried out at different operation conditions. Feed flow rates were varied between 800~1000 $cm^3/min$, and the stage cuts were varied between 50~60%. The gas inlet pressure and the temperature were varied as 6 bar and $30{\sim}70^{\circ}C$, respectively. The effects of the above mentioned parameters were investigated to estimate the permeability of $CH_4$ and $CO_2$, and the selectivity of $CO_2$ was also calculated for all conditions. The Arrhenius plots were also performed to obtaine the activation energies of $CH_4$ and $CO_2$ permeabilities.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

5의 경우 운전압력을 일정하게 유지시키기 위하여 기체의 주입유량을 변화시켰다. 그러나 실제 분리막에서 기체 분리의 경우 기체의 유입유량에 의하여 또한 영향을 받을 수 있으며, 따라서 본 연구에서는 투과도에 영향을 미치는 다른 운전변수들의 변화를 최소화함과 동시에 운전압력을 일정하게 유지시키기 위하여 stage cut을 조절하여 실험을 수행하였으며그 결과를 Fig. 6에 나타내었다. Fig.
고분자 분리막을 이용한 기체분리특성 연구는 과거부터 많은 관심의 대상이 되어 왔으며 현재 활발한 연구가 수행되고 있다[7-15]. 따라서 본 연구에서는 다공성 polyimide에 polyamide가 침적된 상용화 중공사 복합막을 이용하여 운전온도 및 기체유량과 stage cut의 변화에 따른 메탄 및 이산화탄소의 혼합기체에 대한 분리특성을 고찰하였다.
본 연구에서는 polyamide 복합막을 이용한 CH₄및 CO₂ 혼합기체의 분리특성에 관한 연구를 수행하였으며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 polyamide 복합막을 이용한 메탄 및 이산화탄소의 혼합기체에 대한 분리특성에 있어서 온도의 영향을 고찰하기 위하여 800 cm3/min의 기체 주입유량과 6bar의 초기 기체 주입압력 그리고 50 %의 stage cut 운전 조건에서 30∼70℃로 분리막의 운전온도를 변화시켜 실험을 하였으며, 그 결과를 Fig. 4에 나타내었다.
본 연구에서는 고분자 분리막을 이용하여 매립장의 LFG로부터 메탄을 회수하기 위한 분리 특성 연구를 수행하였다. 고분자 분리막을 이용한 기체분리특성 연구는 과거부터 많은 관심의 대상이 되어 왔으며 현재 활발한 연구가 수행되고 있다[7-15].

제안 방법

또한 각 운전 조건별 실험 결과를 분석하기 위해 다음과 같이 정의된 측정변수를 이용하여 혼합기체로부터의 메탄분리 특성을 고찰하였으며, 이 때 메탄과 이산화탄소의 permeability는 다음과 같이 분리막 모듈의 압력과 표면적 그리고 permeate의 유량과 관계된다.
GC analyzer의 carrier gas로는 아르곤 기체를 사용하였으며, 본 연구에 사용된 GC analyzer의 분석조건을 Table 1에 나타내었다. 또한 본 연구에서는 polyimide 복합막을 이용한 메탄과 이산화탄소의 분리특성을 고찰하기 위하여 30~70℃의 운전온도와 800~1000 cm³/min 의 기체유량를 변화시키며 실험을 수행하였으며, 운전온도의 변화에 따른 압력변화를 보정하기 위하여 50~60 %로 stage cut을 변화시켜 일정한 운전압력 조건에서의 분리특성 연구를 수행하였다.
3으로부터 주입된 메탄과 이산화탄소의 혼합기체는 분리막 모듈을 거치면서 이산화탄소의 함유량이 높은 기체는 permeate로 그리고 메탄의 함유량이 높은 기체는 retentate로 배출되며, retentate의 기체 배출라인에 연결된 MFC를 이용하여 기체 배출량을 조절함으로써 stage cut을 조절할 수 있도록 하였다. 또한 실험과정에서 각 기체의 성분을 실시간으로 분석하기 위하여 permeate와 retentate의 배출라인에 by-pass 라인을 설치하였으며, by-pass 라인과 연결된 GC analyzer(iGC7200 DS Science)를 이용하여 각 기체의 조성을 분석하였다. GC analyzer의 carrier gas로는 아르곤 기체를 사용하였으며, 본 연구에 사용된 GC analyzer의 분석조건을 Table 1에 나타내었다.
4의 경우 온도의 변화에 의하여 분리막에 적용된 기체의 압력 또한 변화되었으며, 따라서 실제 온도에 대한 영향을 고찰하기 위해서는 압력을 일정하게 유지시킬 필요가 있다. 본 연구에서는 이러한 온도가 증가함에 따른 압력 감소현상을 보정하기 위하여 주입기체의 유량과 stage cut을 조절하여 일정한 운전압력이 유지될 수 있도록 하였으며, 주입 기체유량을 변화시킨 경우와 stage cut을 조절한 경우의 실험결과를 Fig. 5와 6에 각각 나타내었다. 이때 운전압력은 모두 138.
999%의 이산화탄소를 혼합하여 사용하였으며, 메탄의 농도가 50 %가 되도록 MFC(Mass Flow Controller)을 이용하여 주입 유량을 조절하면서 연구를 진행하였다. 순수 메탄과 이산화탄소는 MFC에 의해 유량이 조절된 후 기체 혼합기에서 완전 혼합된 후 분리막 모듈을 거치게 되며, 분리막 모듈은 운전 온도에 대한 기체 분리 특성을 고찰하기 위하여 dry oven내에 설치하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 고분자 분리막은 SepraTek Co.(Korea)에서 생산된 상용화 고분자 막으로 다공성의 polyimide 막에 polyamide가 침적된, 총 표멱적이 0.55 m²인 복합 고분자 막으로 Fig. 1에 개념도를 나타내었다. Fig.
또한 실험과정에서 각 기체의 성분을 실시간으로 분석하기 위하여 permeate와 retentate의 배출라인에 by-pass 라인을 설치하였으며, by-pass 라인과 연결된 GC analyzer(iGC7200 DS Science)를 이용하여 각 기체의 조성을 분석하였다. GC analyzer의 carrier gas로는 아르곤 기체를 사용하였으며, 본 연구에 사용된 GC analyzer의 분석조건을 Table 1에 나타내었다. 또한 본 연구에서는 polyimide 복합막을 이용한 메탄과 이산화탄소의 분리특성을 고찰하기 위하여 30~70℃의 운전온도와 800~1000 cm³/min 의 기체유량를 변화시키며 실험을 수행하였으며, 운전온도의 변화에 따른 압력변화를 보정하기 위하여 50~60 %로 stage cut을 변화시켜 일정한 운전압력 조건에서의 분리특성 연구를 수행하였다.
3에 나타내었다. 실험을 위한 LFG 모사 기체로는 순도 99.95 %의 메탄과 순도 99.999%의 이산화탄소를 혼합하여 사용하였으며, 메탄의 농도가 50 %가 되도록 MFC(Mass Flow Controller)을 이용하여 주입 유량을 조절하면서 연구를 진행하였다. 순수 메탄과 이산화탄소는 MFC에 의해 유량이 조절된 후 기체 혼합기에서 완전 혼합된 후 분리막 모듈을 거치게 되며, 분리막 모듈은 운전 온도에 대한 기체 분리 특성을 고찰하기 위하여 dry oven내에 설치하였다.

성능/효과

1. 분리막의 운전온도가 증가함에 따라 retentate에서 회수되는 메탄의 농도는 증가하였으며 permeate로 배출되는 메탄 및 이산화탄소의 투과도 또한 모두 증가함을 볼 수 있었다. 또한 온도가 증가함에 따라 본 연구에 사용된 polyamide 복합막의 경우, 용해도 감소에 의한 영향에 비하여 기체의 확산속도 증가에 의한 영향이 보다 크게 작용함을 볼 수 있었으며, 이는 용해도 및 확산계수에 있어서 확산계수의 온도 의존성이 보다 크게 작용하기 때문으로 판단되었다.
2. 온도가 증가함에 따른 압력변화를 보정하기 위하여 주입 기체유량과 stage cut을 조절변수로 하여 수행한 실험결과로부터 두 경우 모두 온도가 증가함에 따라 permeate의 이산화탄소 및 메탄의 투과도는 모두 증가하였으나, 분리막을 통한 이산화탄소의 선택도에 있어서는 주입 기체의 유량을 조절한 경우에 있어서 선택도가 증가한 반면에, stage cut을 조절한 경우에 있어서 거의 일정한 선택도를 얻을 수 있었다. 그러나 실제 분리막에서 기체 분리의 경우 기체의 유입유량 또한 분리특성에 영향을 미칠 수 있으며, 따라서 stage cut을 조절한 경우의 실험결과가 이산화탄소와 메탄의 분리특성에 있어서의 온도 의존성에 대한 영향을 보다 정확히 나타낼 수 있다고 판단된다.
3. 이산화탄소 및 메탄의 분리막에서의 투과 활성화 에너지를 얻기 위한 Arrhenius plots로부터 이산화탄소의 경우 81.4 J/mol의 분리막 투과 활성화 에너지를 그리고 메탄의 경우 74.7 J/mol의 투과 활성화 에너지의 값을 각각 얻을 수 있었다. 또한 이산화탄소와 메탄에 대하여 7.
즉 온도의 증가에 따라 용해도 계수는 감소하고 고분자 사슬의 유동성 증가로 인하여 확산계수의 값은 증가한다[2]. 따라서 온도가 증가함에 따라 기체의 투과도가 증가한 실험결과로부터 본 연구에 사용된 polyamide 복합막의 경우 온도의 증가에 따른 용해도 감소에 의한 영향에 비하여 기체의 확산속도 증가에 의한 영향이 보다 크게 작용함을 볼 수 있었으며, 이는 용해도 및 확산계수에 있어서 확산계수의 온도 의존성이 보다 크게 작용하기 때문으로 판단된다. 또한 온도가 증가함에 따라 permeate에서의 이산화탄소의 선택도는 증가하였으며, 이는 온도가 증가함에 따라 이산화탄소의 투과도가 메탄의 투과도에 비하여 보다 크게 증가하였기 때문으로 판단된다.
분리막의 운전온도가 증가함에 따라 retentate에서 회수되는 메탄의 농도는 증가하였으며 permeate로 배출되는 메탄 및 이산화탄소의 투과도 또한 모두 증가함을 볼 수 있었다. 또한 온도가 증가함에 따라 본 연구에 사용된 polyamide 복합막의 경우, 용해도 감소에 의한 영향에 비하여 기체의 확산속도 증가에 의한 영향이 보다 크게 작용함을 볼 수 있었으며, 이는 용해도 및 확산계수에 있어서 확산계수의 온도 의존성이 보다 크게 작용하기 때문으로 판단되었다.
또한, Fig. 4로부터 온도가 증가할수록 permeate로 배출되는 메탄 및 이산화탄소의 투과도는 모두 증가함을 볼 수 있다. 막을 통한 기체의 투과도는 온도에 따른 확산속도 및 용해도에 의하여 영향을 받으며, 일반적으로 온도가 증가함에 따라 확산속도는 증가하나 기체의 막에 대한 용해도는 감소하며, 두 상호작용에 따라 기체 분리막에서의 기체 투과도는 결정된다.
75 cmHg로 유지될 수 있도록 주입 기체유량은 800∼1000 cm3/min으로, 그리고 stage cut은 50∼60 %의 범위에서 조절하였다. 일정한 운전압력을 유지시키기 위하여 기체의 주입유량을 변화시켜 실험한 Fig. 5의 경우, Fig. 4와 같이 온도가 증가함에 따라 permeate의 이산화탄소 및 메탄의 투과도는 모두 증가하였으며, 따라서 앞에서 언급한 바와 같이 온도가 증가함에 따른 분리막을 통한 기체의 확산속도의 증가 영향이 용해도의 감소 영향에 비하여 보다 크게 나타남을 확인할 수 있었다. 또한 permeate에서의 이산화탄소의 선택도에 있어서도 Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	메탄과 이산화탄소가 지구 온난화 영향의 몇 %를 차지하고 있는가?	매립지에서 발생되는 LFG(Landfill Gas)의 조성은 메탄, 이산화탄소, 질소 및 산소 그리고 미량의 황화수소, 암모니아, CFCs (Chlorofluorocarbons) 및 VOC(Volatile Organic Compounds) 등의 기체성분으로 구성 되어 있다. 이중 메탄과 이산화탄소는 주요 온실가스로 지구 온난화 영향의 50 %이상을 차지하고 있으며, 특히 메탄은 지구 온난화를 일으키는데 가장 중요한 인자로 이산화탄소에 비해 온난화지수가 약 21배 정도 크다. 또한 1996년 IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change) 에 따르면 연간 2∼3 % 정도 대기 중의 메탄양이 증가하고 있는 것으로 보고되어 있다[1-3].
	LFG의 조성은?	현재 우리나라는 급속한 경제 발전과 함께 인구증가에 따른 소비증가에 의하여 폐기물의 발생량 또한 계속적으로 증가하고 있으며, 따라서 많은 양의 도시 폐기물이 매립되고 있다. 매립지에서 발생되는 LFG(Landfill Gas)의 조성은 메탄, 이산화탄소, 질소 및 산소 그리고 미량의 황화수소, 암모니아, CFCs (Chlorofluorocarbons) 및 VOC(Volatile Organic Compounds) 등의 기체성분으로 구성 되어 있다. 이중 메탄과 이산화탄소는 주요 온실가스로 지구 온난화 영향의 50 %이상을 차지하고 있으며, 특히 메탄은 지구 온난화를 일으키는데 가장 중요한 인자로 이산화탄소에 비해 온난화지수가 약 21배 정도 크다.
	Landfill Gas로부터 메탄을 분리하는 방법은?	매립장에서 발생되는 LFG는 50 % 이상의 메탄이 함유되어 있어 LFG에서 메탄가스를 분리 회수하여 에너지원으로 이용할 경우 온실가스 감축 등의 환경적인 문제를 해결함과 동시에 신재생에너지를 확보할 수 있다는 효과가 있어 그 중요성은 매우 크다고 할 수 있다[1,4,5]. LFG로부터 메탄을 분리하는 방법으로는 흡수액에 대한 용해도 차이를 이용하는 흡수법, 압축‧냉각공정을 이용하는 심냉법, 흡착제 표면과 흡착되는 흡착질 상호간의 작용력에 의하여 특정 성분을 분리하는 흡착법 그리고 분리 막을 사용하여 특정한 성분을 선택적으로 투과하여 기체를 분리하는 막 분리 공정 등이 있다. 이러한 여러 가지의 메탄 분리기술에 있어서 막을 이용한 분리 공정은 에너지 소비가 적고 상온에서 조작이 가능하며 분리 시 상변화가 수반되지 않아 열에 불안정한 물질의 분리가 가능하다.

참고문헌 (16)

M. Harasimowicz, P. Orluk, G. Zakrzewska-Trznadel, and A. Chmielewski, Application of Polyimide Membranes for Biogas Purification and Enrichments, J. Hazard. Mater., 144(3), 698 (2007).

상세보기
B. R. Park, D. H. Kim, G. W. Lee, T. S. Hwang, and H. K. Lee, A Study on the Permeance Through Polymer Membranes and Selectivity of CH4/N2, Korean Chem. Eng. Res., 49(4), 498 (2011).

원문보기 상세보기
T. B. Ahn, T. H. Park, and I. C. Going, Prediction of Landfill Settlement Using Gas Generation Characteristics, Korean Geotech. Soc., 2(20), 29 (2004).
S. Kumar, S. A. Gaikward, A. V. Shekdar, P. S. Kshirsagar, and R. N. Singh, Estimation Method for National Methane Emission from Solid Waste Landfill, Atmos. Env., 38, 3481 (2004).
N. J. Kim, J. M. Choi, and E. J. Ji, Solvent Selection for the Detection of Siloxanes in Landfill Gas, J. Korean Env, Eng., 29(8), 915 (2007).
J.-S. Ahn and S. M. Lee, A Study on the Separation Characteristics of $CH_4-CO_2$ Mixed Gas by Polyimide Hollow Fiber Membrane, Chemical Engineering, 34(6), 675 (1996).
D. H. Kim, Y. M. An, H. D. Jo, J. S. and H. K. Lee, Studies on the N2/SF6 Permeation Behavior Using the Polyethersulfone Hollow Fiber Membrances, Korean Membr. J., 19(3), 244 (2009).
H. H. Park, B. R. Deshwal, H. D. Jo, W. K. Choi, I. W. Kim, and H. K. Lee, Absorption of Nitrogen Dioxide by PVDF Hollow Fiber Membranes in a G-L Contactor, Desalination, 243, 52 (2009).

상세보기
H. H. Park, B. R. Deshwal, I. W. Kim, and H. K. Lee, Absorption of $SO_2$ from Flue gas Using PVDF Hollow Fiber Membranes in a Gas-liquid Contactor, J. Membr. Sci., 319, 29 (2008).

상세보기
Y. M. An, D. H. Kim, H. D. Jo, Y. S. Seo, Y. S. Park, and H. K. Lee, The Permeation Behaviors of H2S/CH4 Using Polyimide Hollow Fiber Membrane, J. Memb. Soc., Korea, 19(4), 261 (2009).
M. L. Cecopieri-Gomez, J. Palacios- Alquisira and, J. M. Dominguez, On the Limits Gas Separation in CO2/CH4, N2/CH4, and CO2/N2 Binary Mixture Using Polyimide Membranes, J. Membr. Sci., 293, 53 (2007).

상세보기
J. Y. Park and D. R. Paul, Correlation and Prediction of Gas Permeability in Glassy Polymer Membrane Materials vis a Modified Free Volume Based Group Contribution Method, J. Membr. Sci., 125, 23 (1997).

상세보기
T. H. Kim, W. J. Koros, G. R. Husk, and K. C. O'Brien, Relationship Between Gas Separation Properties and Chemical Structure in a Series of Aromatic Polyimides, J. Membr. Sci., 37, 62 (1988).
A. F. Ismail, T. D. Kusworo, and A. Mustafa, Enhanced Gas Permeation Performance of Polyethersulfone Mixed Matrix Hollow Fiber Membranes Using Novel Dynasylan Ameo Silane Agent, J. Membr. Sci., 319, 306 (2008).

상세보기
T. Mohammadi, M. T. Moghadam, M. Saeidi, and M. Mahdyarfar, Acid Gas Permeation Through Poly(Ester Urethane Urea) Membrane, Ind. Eng. Chem. Res., 47, 7361 (2008).

상세보기
G. J. Van Amerongen, "Influence of Structure of Elastomers on Their Permeability to Gases, J. Poylm. Sci., 3, 307 (1950).

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

LOADING...

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

Polyamide 복합막을 이용한 메탄/이산화탄소 혼합기체의 분리 특성
Separation Characteristics of $CH_4/CO_2$ Mixed Gas by Polyamide Composite Membrane 원문보기

초록
AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

질의응답

참고문헌 (16)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

연구과제 타임라인

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

Polyamide 복합막을 이용한 메탄/이산화탄소 혼합기체의 분리 특성 Separation Characteristics of $CH_4/CO_2$ Mixed Gas by Polyamide Composite Membrane 원문보기

초록 용어보기논문에서 용어와 풀이말을 자동 추출한 결과로, 시범 서비스 중입니다. AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

질의응답

참고문헌 (16)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

최경석 (1) Poudel, Jeeban (2) 김수룡 (33) 오세천 (14)

연구과제 타임라인

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

Polyamide 복합막을 이용한 메탄/이산화탄소 혼합기체의 분리 특성
Separation Characteristics of $CH_4/CO_2$ Mixed Gas by Polyamide Composite Membrane 원문보기

초록
AI-Helper

AI 본문요약
AI-Helper