$H_2/CO_2$ 혼합기체의 분리를 위한 PEI-PDMS 중공사 복합막 모듈의 다단 공정 연구 Multi-stage Process Study of PEI-PDMS Hollow Fiber Composite Membrane Modules for $H_2/CO_2$ Mixed Gas Separation원문보기
혼합가스에서 $CO_2$를 선택적으로 분리할 수 있는 poly (etherimide) (PEI)-poly (dimethylsioxane) (PDMS) 재질의 복합막 및 모듈을 제조하여 $CO_2/H_2$ 분리특성을 확인하였다. 제조된 중공사 복합막 모듈은 모듈의 단수에 따라 $25^{\circ}C$, 일정 압력에서 stage-cut별로 분리된 가스의 유량, 농도, $H_2$ 회수율, $CO_2$ 제거율 등의 성능을 측정하였으며, $H_2$ 회수율을 높이기 위해 1단 시험에서 2단 직렬시험과 3단 직렬 + 병렬 시험으로 단수를 증가시켜 시험하였다. 각각의 운전조건에 대한 결과들을 확인한 결과 3단 운전조건에서 stage-cut을 0.32로 하였을 때 Product가스의 $H_2$ 농도는 97%이었으며 그때의 $H_2$ 회수율은 85%이었다. 또한, $CO_2$ 제거율은 약 90%의 결과를 얻을 수 있었으며 재순환 가스의 농도는 공급 가스와 유사하게 얻을 수 있었다.
혼합가스에서 $CO_2$를 선택적으로 분리할 수 있는 poly (etherimide) (PEI)-poly (dimethylsioxane) (PDMS) 재질의 복합막 및 모듈을 제조하여 $CO_2/H_2$ 분리특성을 확인하였다. 제조된 중공사 복합막 모듈은 모듈의 단수에 따라 $25^{\circ}C$, 일정 압력에서 stage-cut별로 분리된 가스의 유량, 농도, $H_2$ 회수율, $CO_2$ 제거율 등의 성능을 측정하였으며, $H_2$ 회수율을 높이기 위해 1단 시험에서 2단 직렬시험과 3단 직렬 + 병렬 시험으로 단수를 증가시켜 시험하였다. 각각의 운전조건에 대한 결과들을 확인한 결과 3단 운전조건에서 stage-cut을 0.32로 하였을 때 Product가스의 $H_2$ 농도는 97%이었으며 그때의 $H_2$ 회수율은 85%이었다. 또한, $CO_2$ 제거율은 약 90%의 결과를 얻을 수 있었으며 재순환 가스의 농도는 공급 가스와 유사하게 얻을 수 있었다.
Poly(ether imide) (PEI)-poly(dimethylsioxane) (PDMS) composite membranes and their modules were prepared, which are capable of selective $CO_2$ separation from the mixture gas. The gas flow rate, concentration, recovery ratio of $H_2$ and removal ratio of $CO_2$ outf...
Poly(ether imide) (PEI)-poly(dimethylsioxane) (PDMS) composite membranes and their modules were prepared, which are capable of selective $CO_2$ separation from the mixture gas. The gas flow rate, concentration, recovery ratio of $H_2$ and removal ratio of $CO_2$ outflowing by stage-cut were characterized at $25^{\circ}C$ and the constant pressure. In addition, to increase the recovery ratio of $H_2$, one stage, two stage series connection, and three stages series + parallel connection tests were carried out. When the stage-cut was 0.32 for the three stages connection operation, the concentration $H_2$ of the produced gas and the recovery ratio of $H_2$ was 97% and 85%, respectively. And also the removal ratio of $CO_2$ was 90% was obtained and the recycled gas concentration was similar with that of the feed gases.
Poly(ether imide) (PEI)-poly(dimethylsioxane) (PDMS) composite membranes and their modules were prepared, which are capable of selective $CO_2$ separation from the mixture gas. The gas flow rate, concentration, recovery ratio of $H_2$ and removal ratio of $CO_2$ outflowing by stage-cut were characterized at $25^{\circ}C$ and the constant pressure. In addition, to increase the recovery ratio of $H_2$, one stage, two stage series connection, and three stages series + parallel connection tests were carried out. When the stage-cut was 0.32 for the three stages connection operation, the concentration $H_2$ of the produced gas and the recovery ratio of $H_2$ was 97% and 85%, respectively. And also the removal ratio of $CO_2$ was 90% was obtained and the recycled gas concentration was similar with that of the feed gases.
본 연구에서는 막분리 공정으로 혼합가스에서 CO2를 선택적으로 분리할 수 있는 고분자 재질의 PEI-PDMS 복합막 및 모듈을 제조하여 CO2 분리성능을 확인하였다. 제조된 중공사 복합막 모듈을 이용하여 혼합가스 분리시험을 수행하였으며, 모듈의 단수에 따라 25oC, 일정압력에서 Stage cut별로 분리된 가스의 유량, 농도, H2 회수율, CO2 제거율 등의 성능을 측정하였다.
제안 방법
PDMS-PEI 중공사 복합막 모듈을 이용하여 20% CO2/H2 가스 분리시험에서 H2 회수율을 높이기 위해 1단 시험에서 2단 직렬시험과 3단 직렬 + 병렬 시험으로 단수를 증가시키고 각각의 운전 조건에 대한 결과들을 확인하였다. 시험 결과를 토대로 3단 운전조건에서 Stage cut을 0.
기체투과 특성을 알아보기 위해 제조된 테스트용 기체분리막 모듈을 이용하여 순수기체투과도를 측정하였다. 본 실험에서는 N2, O2, CO2, H2에 대해 기체 투과 테스트를 진행하였으며 기체 투과도는 다음 식에 의해 계산된다.
등의 순수가스 투과성능을 확인하였다. 또한, 제조된 중공사 복합막 모듈을 이용하여 H2/CO2 혼합가스 분리시험을 수행하였으며, 모듈 단수 및 운전조건에 따른 Product 가스의 유량, H2 농도, H2 회수율, CO2제거율, 처리용량 등을 측정하여 모듈의 기체 분리성능 평가를 진행하였다.
대상 데이터
본 실험에서 사용한 지지체 중공사막 제조공정은 Fig. 1과 같으며 이전에 투고된 논문[14]에 자세히 서술하였다.
32로 하였을 때 Product 가스의 H2 농도는 97%이었으며 그때의 H2 회수율은 85%이었다. 또한, CO2 제거율은 약 90%의 결과를 얻을 수 있었으며 Recycle 가스의 농도는 Feed 가스와 유사하게 얻을 수 있었다.
회수율을 높이기 위해 1단 시험에서 2단 직렬시험과 3단 직렬 + 병렬 시험으로 단수를 증가시키고 각각의 운전 조건에 대한 결과들을 확인하였다. 시험 결과를 토대로 3단 운전조건에서 Stage cut을 0.32로 하였을 때 Product 가스의 H2 농도는 97%이었으며 그때의 H2 회수율은 85%이었다. 또한, CO2 제거율은 약 90%의 결과를 얻을 수 있었으며 Recycle 가스의 농도는 Feed 가스와 유사하게 얻을 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
고분자 분리막에 의한 기체분리는 어떠한 장점을 가지는가?
고분자 분리막에 의한 기체분리는 혼합물 각 성분의 용해도 및 확산도의 차이에 따라 투과계수가 달라지기 때문에 분리가 가능하며, 막 제조와 모듈제조기술의 발달로 단위 용적당 투과면적을 극대화할 수 있어 일부는 상용화되고 있으나 더 널리 이용하기 위해서는 분리투과능이 획기적으로 개선된 고분자막 재료개발이 중요하다[10].
polydimethylsiloxane은 어떠한 인자에 영향을 받아 투과가 이루어 지는가?
코팅층 소재로 사용한 polydimethylsiloxane (PDMS)는 상용화된 고무상 물질로 투과성분에 대한 용해도에 지배적인 영향을 받아 투과가 이루어진다. PDMS를 이용한 C2-C4 olefins와 paraffins, 산소, 질소, 수소, 일산화탄소, 이산화탄소 등의 순수기체와 혼합기체의 거동 특성에 관한 많은 연구가 진행 중이다.
DME 직접합성법의 문제점은 무엇인가?
또한 공정 효율이 높아 DME 생산을 위한 공정으로서 최적화 되어 있다. 그러나 천연가스로부터 DME의 제조공정은 천연가스와 CO2를 reforming하여 DME 합성원료로 사용하며 이때 reforming과정에서 미반응 CO2가 DME 합성공정으로 공급되면 불순물로 작용하여 생산효율 크게 저하시키게 된다. 높은 DME 합성효율을 위해서는 reforming 후에 CO2 제거공정이 반드시 필요하며 대부분 흡수공정이 CO2제거공정으로 검토되어 왔다[7-9].
참고문헌 (17)
T. H. Fleisch, R. A. Sills, and M. D. Briscoe, Journal of Natural Gas Chemistry., 11, 1 (2002).
T. H. Fleisch, A. Basu, M. J. Gradassi, and J. G. Masin, Stud. Surf. Sci. Catal., 107, 117 (1997).
J. T. Chung, C. S. Lee, H. C. Koh, S. Y. Ha, S. Y. Nam, W. J. Jo, and Y. S. Baek. "Polymeric membrane modules for substituting the $Co_2$ absorption column in the DME plant process", Membrane Journal, 22, 142 (2012).
C. O. Kweon, G. C. Paik, and K. S. Chun, "Studies on the removal of volatile organic compounds in wastewater using PTMSP/PDMS-PEI composite membrane by pervaporation", J. of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, 12, 8 (2011).
X. Feng and R. Y. M. Huang, J. Membr. Sci., 84, 15 (1993).
T. Masuda, E. Isobe and T. Higashimura, Micromolecules, 18, 841 (1985).
T. Masuda, E. Isobe, and T. Higashimura, J. Am. Chem. Soc., 105, 7473 (1983).
S. J. Kim, C. S. Lee, H. C. Koh, S. Y. Ha, S. Y. Nam, J. W. Rhim, and W. M. Choi, "Solvent resistance and gas permeation property of PEI-PDMS hollow fiber composite membrane for separation and recovery of VOCs", Membrane Journal, 22, 1 (2012).
H. C. Koh, S. Y. Ha, and S. Y. Nam, "Prepatation and properties of hollow fiber membrane for gas separation usion CTA", Membrane Journal, 21, 98 (2010).
S. J. Kim, S. M. Woo, H. Y. Hwang, H. C. Koh, S. Y. Ha, H. S. Choi, and S. Y. Nam, "Preparation and properties of chlorine-resistance loose reverse osmosis hollow fiber membrane", Membrane Journal, 20, 304 (2010).
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