[논문]폴리설폰 중공사막을 이용한 연소 배기가스 중 이산화탄소 분리에 관한 연구

김성천; 전정현; 전영남

doi:10.4491/ksee.2014.36.2.147

폴리설폰 중공사막을 이용한 연소 배기가스 중 이산화탄소 분리에 관한 연구
Study on the Separation of CO2 from Flue Gas Using Polysulfone Hollow Fiber Membrane 원문보기

대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers, v.36 no.2, 2014년, pp.147 - 152

김성천 (조선대학교 환경공학부) , 전정현 (조선대학교 환경공학부) , 전영남 (조선대학교 환경공학부)

초록
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본 연구에서는 폴리설폰 중공사막을 이용하여 화석연료 연소에서 배출되는 온실가스 중 $CO_2$의 회수에 관한 연구를 실시하였다. 고농도의 $CO_2$를 회수하기 위한 막분리 공정에 대한 선행연구이다. 혼합가스 분리거동 관찰을 위하여 이산화탄소가 10% 함유된 배기가스를 사용하였다. 압력, 온도, 주입가스 조성, 다단 막 변화를 주어 스테이지 컷에 따른 분리 성능을 조사하였다. 압력과 온도가 증가 할수록 투과측에 $CO_2$ 농도와 회수율이 증가하였다. 주입 가스 조성 변화 시 $CO_2$의 함량이 높을 경우 회수율 및 분리 효율이 높아졌다. 3단 분리막 시스템을 이용시 $CO_2$ 농도 95% 이상, 회수율 90% 이상 보였으며 1단 분리막 보다 분리율이 향상되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this research, polysulfone hollow fiber membrane was used to recover $CO_2$ which is one of greenhouse gases from flue gas stream being emitted after the combustion of fossil fuels. The prerequisite requirement is to design the membrane process producing high-purity $CO_2$ from flue gas. For separation of $CO_2$, a membrane module and flue gas containing 10% carbon dioxide was used. The effects of operating conditions such as pressure, temperature, feed gas composition and multi-stage membrane on separation performance were examined at various stage cuts. Higher operating pressure and temperature increased carbon dioxide concentration and recovery ratio in permeate. Recovery ratio and separation efficiency increased if a higher content of $CO_2$ injection gas composition. Three-stage membrane system was producing a 95% $CO_2$ with 90% recovery from flue gas. The separation efficiency of three-stage membrane system was higher than one-stage system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

지구온난화에 대한 대책으로서 이미 1992년 6월 유엔환경개발회의에서 세계기후 변화협약이 채택되었고, 강제적 온난화가스 감축 프로그램인 교토 의정서를 1997년에 채택하여 2005년 2월 16일 발효된 이후 현재 일부 선진국에서 부분적으로 감축이 시행되고 있는 실정이다. 감축 대상 가스는 CO₂, CH₄, N₂O, HFCs, PFCs, SF₆로서 2008년부터 2012년까지 선진국 전체의 온난화가스 배출량을 1990년 수준의 5%이하로 감축할 것을 목표로 하고 있다.¹⁾
본 연구에서는 폴리설폰 막분리 공정을 이용하여 연소 배기가스 중 이산화탄소 분리에 관한 연구를 실시하였다. 이산화탄소와 질소로 구성된 배기가스를 대상으로 질소를 분리하여 고농도 이산화탄소를 회수하는 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 화석연료 연소시 배출되는 배기가스에서 CO₂를 선택적으로 분리 회수하기 위하여 폴리설폰 중공사막을 이용하여 공급측 및 투과측 압력, 운전 온도, 주입 조성, 단수 변화 등 운전 조건에 따른 분리 특성연구를 진행하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
중공사막을 이용하여 단일기체 투과 및 혼합가스 분리를 실시하였다. 압력, 온도, 주입가스 조성, 다단공정에 따른 혼합가스 분리 시험을 통하여 이산화탄소 농도와 회수율 변화를 확인하여 최적의 운전 조건 인자를 도출하여 현장 적용 시 적절한 설계인자로 제공함이 목적이다.
본 연구에서는 폴리설폰 막분리 공정을 이용하여 연소 배기가스 중 이산화탄소 분리에 관한 연구를 실시하였다. 이산화탄소와 질소로 구성된 배기가스를 대상으로 질소를 분리하여 고농도 이산화탄소를 회수하는 연구를 수행하였다. 중공사막을 이용하여 단일기체 투과 및 혼합가스 분리를 실시하였다.

가설 설정

본 연구에서는 하나의 모듈에서 투과측에 발생되는 혼합가스 조성비를 공급가스로 보고 반복적으로 투과성능 실험을 수행하였으며, 이를 막 단수 변화를 주는 것으로 가정하였다.

제안 방법

1단에서 투과된 CO2 26%를 2단으로 공급하였으며 공급압력은 1단에서와 같이 유지하고 스테이지 컷을 변화에 따라 분리막의 투과성능을 실험하였다.
회수율이 79%로 1단의 경우보다 낮게 나왔다. 3단의 경우에도 2단을 통과한 CO₂ 70%에 대하여 전 단계 실험과 같이 투과측에 배출되는 CO₂의 농도를 측정하였다. 3단 공정에서 이산화탄소를 회수율 90%, 농도 95% 이상 분리하였다.
999% 고순도 가스를 사용하였다. 실험 중 배기가스의 조성인 혼합가스를 적절히 유지하기 위해 가스 레귤레이터 후단에 가스량 조절기인 MFC (F201AC-FAC-22-V, Bronkhost)를 각각 설치하여 혼합가스 비율을 조절하였으며, 가스혼합기를 이용하여 가스를 균질화 하였다. 혼합가스 조성비를 확인하기 위해 3방향 벨브를 통해 GC-TCD (CP-4900, Verian)를 이용하여 성분비를 측정하였다.
6에 공급 기체의 조성변화에 따른 투과측 CO₂의 농도와 회수율을 나타내었다. 온도 20℃, 공급압력 5 kgf/cm²에서 공급 혼합가스의 조성 CO₂ 10%, 26%를 대상으로 하여 스테이지 컷 변화시키며 CO₂의 농도와 회수율을 측정하였다. CO₂ 10% 조성을 갖은 혼합가스의 경우, 스테이지 컷이 증가함에 따라 CO₂의 농도는 33%에서 15% 감소하지만 회수율은 74%에서 91%로 증가하는 것으로 나타났다.
3FT 18, KNF)로 구성되었다. 온도변화에 따른 혼합가스 분리 효율을 알아보기 위해 분리막 외부에 온도조절기를 이용 히팅 테이프로 일정한 온도를 유지하였다.
이산화탄소와 질소로 구성된 배기가스를 대상으로 질소를 분리하여 고농도 이산화탄소를 회수하는 연구를 수행하였다. 중공사막을 이용하여 단일기체 투과 및 혼합가스 분리를 실시하였다. 압력, 온도, 주입가스 조성, 다단공정에 따른 혼합가스 분리 시험을 통하여 이산화탄소 농도와 회수율 변화를 확인하여 최적의 운전 조건 인자를 도출하여 현장 적용 시 적절한 설계인자로 제공함이 목적이다.
혼합가스 조성비를 확인하기 위해 3방향 벨브를 통해 GC-TCD (CP-4900, Verian)를 이용하여 성분비를 측정하였다. 투과측과 잔류측의 유량 측정을 위해 습식가스미터(W-MK-10-ST, Shinagawa) 및 농도 측정을 위해 GC-TCD를 이용하였다. 막에 일정 압력 공급 및 유지를 위하여 유량조절 밸브(Metering valve), 투과측 감압하기 위한 진공펌프(N-820.
혼합가스 분리 시험은 연소 배기가스 조성인 CO2/N2 (10 vol.% : 90 vol.%) 혼합가스를 사용했으며, 이때 압력, 온도, 주입가스 조성, 단수 변화에 따른 투과측과 잔류측의 농도, 회수율 등의 분리 거동을 관찰하였다.
혼합가스 분리에 앞서 중공사막에 대한 CO₂와 N₂의 단일기체 투과도를 측정하였다. 투과된 기체의 투과도는 식 (1)을 이용하여 나타냈다.
실험 중 배기가스의 조성인 혼합가스를 적절히 유지하기 위해 가스 레귤레이터 후단에 가스량 조절기인 MFC (F201AC-FAC-22-V, Bronkhost)를 각각 설치하여 혼합가스 비율을 조절하였으며, 가스혼합기를 이용하여 가스를 균질화 하였다. 혼합가스 조성비를 확인하기 위해 3방향 벨브를 통해 GC-TCD (CP-4900, Verian)를 이용하여 성분비를 측정하였다. 투과측과 잔류측의 유량 측정을 위해 습식가스미터(W-MK-10-ST, Shinagawa) 및 농도 측정을 위해 GC-TCD를 이용하였다.

대상 데이터

실험실에서는 (주)에어레인 사의 유리상 고분자인 폴리설폰 중공사막(55 mm (Φ) × 365 mm (L), MC-1512A)을 모듈화하여 실험에 사용하였다. 가스는 각각 CO₂ 99.999%, N₂ 99.999% 고순도 가스를 사용하였다. 실험 중 배기가스의 조성인 혼합가스를 적절히 유지하기 위해 가스 레귤레이터 후단에 가스량 조절기인 MFC (F201AC-FAC-22-V, Bronkhost)를 각각 설치하여 혼합가스 비율을 조절하였으며, 가스혼합기를 이용하여 가스를 균질화 하였다.
공급 혼합가스의 조성이 CO₂ 10%인 화석연료(석탄, 천연가스 등)연소시 발생되는 배가스를 대상으로 투과측의 압력을 대기압으로 유지하고 공급압력의 변화가 회수율과 농도에 미치는 영향을 조사한 결과를 Fig. 2에 나타내었다. 스테이지 컷은 공급유량의 변화를 통하여 조절하였으며, 스테이지 컷이 0.
투과측과 잔류측의 유량 측정을 위해 습식가스미터(W-MK-10-ST, Shinagawa) 및 농도 측정을 위해 GC-TCD를 이용하였다. 막에 일정 압력 공급 및 유지를 위하여 유량조절 밸브(Metering valve), 투과측 감압하기 위한 진공펌프(N-820.3FT 18, KNF)로 구성되었다. 온도변화에 따른 혼합가스 분리 효율을 알아보기 위해 분리막 외부에 온도조절기를 이용 히팅 테이프로 일정한 온도를 유지하였다.
본 연구에서 사용된 혼합 분리장치 구성은 Fig. 1에 나타내었다. 실험실에서는 (주)에어레인 사의 유리상 고분자인 폴리설폰 중공사막(55 mm (Φ) × 365 mm (L), MC-1512A)을 모듈화하여 실험에 사용하였다.
실험실에서는 (주)에어레인 사의 유리상 고분자인 폴리설폰 중공사막(55 mm (Φ) × 365 mm (L), MC-1512A)을 모듈화하여 실험에 사용하였다.
제조된 중공사막 모듈은 외경이 55 mm인 알루미늄 케이스에 365 mm의 유효 막 길이를 갖으며 유효 막 면적이 약 1.3㎡ 정도이다. Table 2는 폴리설폰 중공사막의 단일기체 투과도를 나타내었다.

성능/효과

1) 폴리설폰 중공사막의 단일 CO2, N2 투과도는 각각 113.1, 3.0 GPU로 나타났으며, 투과선택도(αCO2/N2)는 37.7로 CO2를 회수하는데 적합하다.
2) 공급 압력이 높을수록, 투과측을 감압하는 경우가 투과측으로 더 많은 CO₂가 투과되어 농도와 회수율이 증가하였다.
3) 주입 온도가 20℃에서 40℃로 증가함에 따라 투과측으로 투과된 CO₂의 유량이 10~16% 증가하였으며 혼합가스 분리에 유리한 조건임을 확인하였다.
4) 공급되는 혼합가스 조성변화로 CO₂의 함량이 높을 경우 회수율 및 분리 효율이 높아지는 것으로 나타났다.
5) 다단 막 시스템을 통해 1단 막에 공급된 CO₂ 10%가 26%, 2단 막에서는 70%, 3단 막의 투과측 CO₂ 농도 95% 이상 보였으며 높은 순도와 회수율을 얻기 위해서는 다단 막 구조가 필요하다.
이는 Powell 등의 연구에서 폴리설폰 유리상고분자의 CO₂/N₂선택도는 9~40 정도로 본 실험한 결과와 비슷하였다.⁹⁾ 폴리설폰은 이미 산업용 가스분리 공정에 많이 이용되고 있으며 CO₂/N₂ 선택도 높아 CO₂를 회수하는데 적합한 것으로 알려져 있다.
온도 20℃, 공급압력 5 kgf/cm²에서 공급 혼합가스의 조성 CO₂ 10%, 26%를 대상으로 하여 스테이지 컷 변화시키며 CO₂의 농도와 회수율을 측정하였다. CO₂ 10% 조성을 갖은 혼합가스의 경우, 스테이지 컷이 증가함에 따라 CO₂의 농도는 33%에서 15% 감소하지만 회수율은 74%에서 91%로 증가하는 것으로 나타났다. CO₂ 26% 혼합가스인 경우에도 스테이지 컷 증가에 따라 CO₂ 농도는 70%에서 45% 감소하지만 회수율은 78%에서 99%로 증가하였다.
5는 5 kgf/cm² 하에 20℃와 40℃에서 스테이지 컷의 변화에 따른 CO₂ 농도, 회수율을 각각 비교하여 나타내었다. 공급온도가 20, 40℃ 모두 스테이지 컷이 감소함에 따라 투과측 CO₂의 농도는 증가하고, 회수율은 감소하는 것으로 나타났다. 스테이지 컷이 0.
4는 온도와 공급 유량 변화에 따른 스테이지 컷 및 투과측 유량 변화를 나타내었다. 동일한 온도에서 공급유량 증가에 따라 투과측 유량이 증가되지만 증가폭이 공급유량의 증가폭의 상대적비가 감소되므로 스테이지 컷은 감소되고, 일정한 공급유량에서 온도가 20℃에서 40℃로 증가함에 따라 막의 확산계수가 높아지면서 투과도 값이 증가로 인한 투과되는 CO₂ 유량이 증가되어 스테이지 컷 비가 10~16% 높아졌다.
이산화탄소 농도는 CO₂ 10%의 혼합가스가 공급되는 경우 약 33%로, 26%가 공급되는 경우에는 약 70%로 농축되어 투과됨을 확인할 수 있다. 스테이지 컷 0.58에서 혼합가스 조성 CO₂ 10%, 26%의 회수율은 각각 91%, 92%로 공급되는 혼합가스의 CO₂의 함량이 높을 경우 회수율이 높아지는 것으로 나타났다.
2에 나타내었다. 스테이지 컷은 공급유량의 변화를 통하여 조절하였으며, 스테이지 컷이 0.2~0.4 범위에서 공급측의 압력이 증가할수록 보다 높은 회수율을 얻을 수 있었다. 공급압력이 2 kgf/cm²정도의 낮은 압력에서는 스테이지 컷 0.
1단에서 투과된 CO₂ 26%를 2단으로 공급하였으며 공급압력은 1단에서와 같이 유지하고 스테이지 컷을 변화에 따라 분리막의 투과성능을 실험하였다. 잔류측의 흐름이 전단의 공급농도(CO₂ : 10%)와 같은 조건에서 투과측의 CO₂의 농도가 약 70%로 농축되어 투과됨을 확인할 수 있다. 회수율이 79%로 1단의 경우보다 낮게 나왔다.
5 범위를 보였다. 주입된 CO₂의 농도가 높을수록 혼합가스인 CO₂와 N₂의 분리효율이 증가됨을 알 수 있었다.
4 kgf/cm²)을 걸어줌으로써 약 40% 정도까지 증가하는 것을 확인할 수 있다. 투과측의 압력을 낮출수록 높은 농도의 이산화탄소 회수가 가능하였다. 또한 투과측 진공(0.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	교토 의정서가 발효된 날짜는 언제인가?	화석에너지 과다 사용과 산업발달로 인한 작업공정의 다양화로 발생되는 지구온난화 원인물질에 대한 관심과 우려가 날로 증대되고 있다. 지구온난화에 대한 대책으로서 이미 1992년 6월 유엔환경개발회의에서 세계기후 변화협약이 채택되었고, 강제적 온난화가스 감축 프로그램인 교토 의정서를 1997년에 채택하여 2005년 2월 16일 발효된 이후 현재 일부 선진국에서 부분적으로 감축이 시행되고 있는 실정이다. 감축 대상 가스는 CO2, CH4, N2O, HFCs, PFCs, SF6로서 2008년부터 2012년까지 선진국 전체의 온난화가스 배출량을 1990년 수준의 5%이하로 감축할 것을 목표로 하고 있다.
	막분리법의 장점은 무엇인가?	막분리법은 기존의 흡수법이나 흡착법보다 설치비용 및 운전비용이 저렴하며 CO2 분리 시 상변화를 동반하지 않아 기본적으로 에너지 효율이 높고 유해물질 배출이나 폐수처리 등의 문제가 없는 환경친화형 청정 공정이다.3)
	교토 의정서의 감축 대상 가스는 무엇인가?	지구온난화에 대한 대책으로서 이미 1992년 6월 유엔환경개발회의에서 세계기후 변화협약이 채택되었고, 강제적 온난화가스 감축 프로그램인 교토 의정서를 1997년에 채택하여 2005년 2월 16일 발효된 이후 현재 일부 선진국에서 부분적으로 감축이 시행되고 있는 실정이다. 감축 대상 가스는 CO2, CH4, N2O, HFCs, PFCs, SF6로서 2008년부터 2012년까지 선진국 전체의 온난화가스 배출량을 1990년 수준의 5%이하로 감축할 것을 목표로 하고 있다.1)

참고문헌 (13)

United Nations Framework Convention on Climate Change, http://unfccc.int/kyoto_protocol/items/2830.php(2012).
Greenhouse Gas Inventory & Research Center, http://www.gir.go.kr(2011).
Han, M. W., Kim, M. Y. and Kim, B. S., "Optimization of Membrane Separation System for Carbon Dioxide Recovery from Combustion Gases," Kor. Chem. Eng. Res., 43(2), 222-229(2005).
Maier, G., Wolf, M., Bleha, M. and Pientka, Z., "Gas Permeabilities of Polymers with Indan Groups in the Main Chain: 2. Polyimides," J. Membr. Sci., 143(1-2), 115-123(1998).

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Suzuki, H., Tanaka, H., Kita, H., Okamoto, K., Hoshino, T., Yoshinaga, T. and Kusuki, Y., "Preparation of composite hollow fiber membranes of poly(ethylene oxide)-containing polyimide and their $CO_2/N_2$ separation properties," J. Membr. Sci., 146(1), 31-37(1998).

상세보기
Ismail, A. F. and Shilton, S. J., "Polysulfone Gas Separation Hollow Fiber Membranes with Enhanced Selectivity," J. Membr. Sci., 139(2), 285-286(1998).

상세보기
Baker, R. W., "Future Directions of Membrane Gas Separation Technology," Ind. Eng. Chem. Res., 41, 1393-1411(2002).

상세보기
Koros, W. J., "Gas separation membranes: needs for combined materials science and processing approaches," Macromol. Symp., 188(1), 13-22(2002).

상세보기
Powell, C. E. and Qiao, G. G. "Polymeric $CO_2/N_2$ gas separation membranes for the capture of carbon dioxide from power plant flue gases," J. Membr. Sci., 279(1-2), 1-49(2006).

상세보기
Zhao, L., Riensche, E., Menzer, R., Blum, L. and Stolten, D., "A Parametric Study of $CO_2/N_2$ Gas Separation Membrane Process for Post-Combustion Capture," J. Membr. Sci., 325(1), 284-294(2008).

상세보기
Bounaceur, R., Lape, N., Roizard, D., Vallieres, C. and Favre, E., "Membrane Processes for Post-Combustion Carbon Dioxide Capture : A Parametric Study," Energy, 31(14), 2556-2570(2006).

상세보기
Kesting, R. E. and Fritzsche, A. K., "Polymeric gas separation membranes," John Wiley & Sons Inc., New York, pp. 19-20(1993).
Brunetti, A., Scura, F., Barbieri, G. and Drioli, E., "Membrane technologies for $CO_2$ separation," J. Membr. Sci., 359(1-2), 115-125(2010).

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표제어: PCR

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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