[논문]IPA/물 혼합액의 PEI/PDMS 복합막 모듈을 이용한 투과증발 파일롯 분리특성

천봉수; 정성일; 임지원

doi:10.14579/membrane_journal.2015.25.5.385

IPA/물 혼합액의 PEI/PDMS 복합막 모듈을 이용한 투과증발 파일롯 분리특성
Pilot Test with Pervaporation Seperation of Aqueous IPA Using a Composite PEI/PDMS Membrane Module 원문보기

멤브레인 = Membrane Journal, v.25 no.5, 2015년, pp.385 - 390

천봉수 (한남대학교 대덕밸리캠퍼스 화공신소재공학과) , 정성일 (한남대학교 대덕밸리캠퍼스 화공신소재공학과) , 임지원 (한남대학교 대덕밸리캠퍼스 화공신소재공학과)

초록
AI-Helper

Isopropyl alcohol (IPA)/물의 투과증발 분리특성을 알아보기 위해 상용화된 Polyetherimide (PEI) 중공사막에 Poly(dimethyl siloxane) (PDMS)로 코팅한 복합막 모듈을 이용하여 파일롯 테스트를 실시하였다. 공급액으로는 물과 IPA를 각각 85 : 15로 혼합하여 사용하였다. 실험 결과로 $25^{\circ}C$에서 투과도 $0.52kg/m^2h$, IPA 농도 68.5%로 높은 수치를, $55^{\circ}C$에서 투과도 $1.368kg/m^2h$, IPA 농도 61.2%로 높은 투과도를 얻을 수 있었다. 테스트를 진행한 복합막 모듈의 내구성을 알아보기 위하여 약 100일간 반응온도를 $50^{\circ}C$로 설정하여 장기테스트를 진행하였고 그 결과 약 $1.03{\sim}1.15kg/m^2h$의 투과도와 61.8~62.5%의 IPA 농도로 초기 측정량과 큰 차이가 없음을 나타내었다.

Abstract ▼ AI-Helper

To determine the pervaporation separation characteristics of IPA/water mixtures, PEI/PDMS hollow fiber membrane module commercialized by Airrane Co. was subjected to both lab and pilot tests. The flux of $0.52kg/m^2h$ and IPA concentration of 68.5% at $25^{\circ}C$ were obtained whereas the $1.368kg/m^2h$ and 61.2% were measured at $55^{\circ}C$. In order to realized the durability of the module, the long-term test (at $50^{\circ}C$) of 100 days has been conducted and as a result, the flux $1.03{\sim}1.15kg/m^2h$ and IPA concentration 61.8~62.5% were maintained with the initial values.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

이에 본 연구에서는 IPA와 물의 공비혼합물을 대상으로 공급액 온도, 투과시간과 같은 투과증발 공정 변수가 IPA 탈수 성능에 미치는 영향을 파일롯 테스트를 통해 알아보며, 약 100일간의 온도조건 변화에 따른 장기테스트를 실시하여 모듈의 내구성을 알아보았다.

제안 방법

공급 혼합액의 온도는 항온조에 의해 유지되었으며 투과압력은 진공펌프에 의해 일정하게 유지되었다. 막을 투과한 투과액은 냉각기(chiller)에 의해 일정시간 동안 포집되며 이것을 정상상태 조건에 도달하게 한 후 일정한 시간 간격으로 생성된 시료의 무게를 측정하여 투과도(flux)를 계산하였다. 투과된 시료의 성분 분석은 기체크로마토그래피(iGC7200, DS SCIENCE INC.
7은 장기테스트를 통해 상용화된 복합막 모듈의 내구성을 알아본 결과이다. 반응온도가 증가함에 따라 투과도가 증가하는 범위에 비해 얻을 수 있는 IPA 농도의 범위는 큰 차이가 없기 때문에 조작온도를 50°C 로 설정하였고 1회 2시간 일일 총 4회 투과도와 IPA 농도를 측정하였다. 총 약 100일간의 테스트 결과 투과도와 IPA 농도 모두 큰 차이를 보이지 않았고 시간이 지남에 따라 점차 안정적인 결과를 얻었다.
본 연구에 사용된 파일롯 장치는 독일 GFT사에서 도입된 것으로 공급액을 재순환하여 IPA를 농축하고, 시간과 온도에 따라 feed의 농도와 투과량을 측정하는 식으로 진행되었으며, 본 실험에서 사용된 파일롯 투과증발 장치 사진은 아래 Fig. 1과 같다. 또한 본 연구에서는 예비실험인 실험실 테스트와 본 실험인 파일롯 테스트를 진행하기 위해 한국의 Airrane Co.
상용화된 PEI/PDMS 복합막 모듈의 IPA/물 혼합액에 대한 투과증발 분리특성과 장기테스트를 통한 내구성 평가를 위해 파일롯 테스트를 진행하였다.
또 무엇보다도 2차 오염물질을 배출 하지 않으며 에너지 소비율도 낮다는 장점이 있다[4-7]. 이러한 장점을 극대화시키기 위해 다양한 막 분리법 중 투과증발 공정을 선택하여 농축 과정에 적용해 보았다.
막을 투과한 투과액은 냉각기(chiller)에 의해 일정시간 동안 포집되며 이것을 정상상태 조건에 도달하게 한 후 일정한 시간 간격으로 생성된 시료의 무게를 측정하여 투과도(flux)를 계산하였다. 투과된 시료의 성분 분석은 기체크로마토그래피(iGC7200, DS SCIENCE INC.)를 이용하여 분석하였으며 다음과 같은 관계식으로부터 물과 IPA 혼합액의 대한 투과도(J)와 IPA 농도를 계산, 측정하여 아래 결과 및 토의에 나타내었다.

대상 데이터

1. Pilot test equipment used in this study.
그 이유는 막 표면의 skin층에서 분리하려는 물질과 높은 친화성을 가지고 선택적으로 물질을 투과시킬 수 있는 소재를 선정하여 코팅해야 하기 때문이다[20]. 실험에 사용된 고분자는 고무상 고분자로 이는 주사슬로 C-C, Si-O, 혹은 C-O와 같은 결합을 지니기 때문에 유연성(flexibility)이 좋은 구조로 되어있다. 또한 소수성을 지니는 데 이와 같은 현상을 띄는 이유는 분자 간의 인력을 강하게 하는 수소결합이나 dipole-dipole 인력이 생기지 않는 구조로 되어 있기 때문이다.

성능/효과

(1) 막 면적 220 cm²의 PEI/PDMS 복합막 모듈을 이용하여 실험실 테스트를 진행한 결과 반응온도가 증가할수록 투과도는 증가하고 IPA 농도는 감소하는 경향을 나타내었는데 이는 반응온도가 증가할수록 공급액 내의 용해도 확산에 따른 막 표면에 흡⋅탈착과 막 내부의 자유부피가 커지므로 투과도는 증가하고 이에 따른 IPA 농도는 감소하는 것으로 사료된다.
(2) 막 면적 1 m²의 PEI/PDMS 복합막 모듈을 이용하여 파일롯 테스트를 진행한 결과 앞선 실험실 테스트 결과와 같은 경향을 나타내었는데 이는 막 내부에서의 확산속도의 증가와 함께 feed side에서의 물의 partial vapor pressure 증가로 해석할 수 있다.
(3) 상용화된 모듈의 내구성 평가를 위해 100일간의 장기테스트 결과 투과도와 IPA 농도 모두 안정적인 결과를 나타내었다. 이는 지지체로 사용한 중공사막인 PEI가 유기용매에 내화학성이 강하기 때문에 이러한 결과를 얻은 것으로 사료된다.
1%의 높은 분리 효율을 보였다. 결과에서 온도가 증가함에 따라 투과도는 증가하고 IPA 농도는 감소하는 경향을 나타내었는데 이는 반응온도가 증가함에 따라 고분자막의 팽윤과 고분자 사슬의 유연성이 증가하고 투과성분의 활동도가 증가하며 IPA 분자가 더 활발히 운동하기 때문에 유기물 분자의 투과가 더 촉진된다는 것으로 설명할 수 있다[27,28].
2%의 높은 분리효율을 나타내었다. 이 실험의 결과 역시 앞서 설명한 것과 마찬가지로 반응온도가 증가할수록 고분자 사슬의 유동성이 증가함과 동시에 투과성분의 활동도 또한 증가하여 투과도가 증가하고 그에 따른 IPA 농도는 감소하는 것으로 위의 실험실 테스트 결과와 같은 경향을 보였다.
이번 테스트에 사용한 상용화된 모듈은 막 면적 890 cm2의 PEI/PDMS 복합막 모듈로 실험 후 얻은 투과물을 GC와 앞서 제시한 공식을 이용하여 분석한 결과 25°C에서 투과도 205.8 g/m2h, 순수물의 성분 대비 IPA 성분의 비율을 농도로 표기한 결과 61.3%, 35°C에서 268.2 g/m2h, 60.5%, 45°C에서 560.2 g/m2h, 59.4%, 55°C에서 739.2 g/m2h, 58.1%의 높은 분리 효율을 보였다.
반응온도가 증가함에 따라 투과도가 증가하는 범위에 비해 얻을 수 있는 IPA 농도의 범위는 큰 차이가 없기 때문에 조작온도를 50°C 로 설정하였고 1회 2시간 일일 총 4회 투과도와 IPA 농도를 측정하였다. 총 약 100일간의 테스트 결과 투과도와 IPA 농도 모두 큰 차이를 보이지 않았고 시간이 지남에 따라 점차 안정적인 결과를 얻었다. 지지체로한 PEI는 물리화학적 성질이 우수한 열가소성 수지로서 유기용매에 내화학성이 강하기 때문에 이러한 결과를 얻은 것으로 사료된다[29-31].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	투과증발은 무엇인가?	먼저 투과증발(pervaporation)은 비 다공성 선택 투과막을 이용하여 공비혼합물이나 이성질체를 분리하는 막 분리 기술로[8] 막을 사용하여 한 쪽(공급측)에 혼합 용액을 넣고 다른 한 쪽(투과측)에 감압하거나 건조 공기 등을 흐르게 함으로써 투과 성분의 증기압을 낮게 유지하여 막 내부의 투과 속도 차에 의해 분리하는 방법이다. 역 삼투, 한외여과 등의 다른 막 분리법과는 달리 화학적 친화도 즉, 막 소재 물질과 분리하려는 대상 유기물 사이의 상호 작용에 의해 이루어지기 때문에 혼합물 중 특정 성분에 대한 선택도가 높은 비 다공성 고분자 복합막이 주로 사용되어진다.
	투과증발공정은 어디에 사용되고 있는가?	또한 투과증발공정은 다른 공정들에 비해 상대적 에너지 소비가 적은 효율적인 분리 기술로[9-15] 여타 분리공정에 비해 비교적 짧은 역사를 갖고 있지만 지속적으로 응용범위가 확대되고 있다. 요즈음 투과증발의 대부분은 바이오부탄올, 이소프로판올 및 다른 유기 용제류의 탈수를 위해 사용되고 있으며, 그중 유기용제의 탈수공정은 유기물의 분리공정에 비해 상당한 발전을 이루고 있다[16-19].
	비 다공성 고분자 복합막이 주로 사용되는 이유는 무엇인가?	먼저 투과증발(pervaporation)은 비 다공성 선택 투과막을 이용하여 공비혼합물이나 이성질체를 분리하는 막 분리 기술로[8] 막을 사용하여 한 쪽(공급측)에 혼합 용액을 넣고 다른 한 쪽(투과측)에 감압하거나 건조 공기 등을 흐르게 함으로써 투과 성분의 증기압을 낮게 유지하여 막 내부의 투과 속도 차에 의해 분리하는 방법이다. 역 삼투, 한외여과 등의 다른 막 분리법과는 달리 화학적 친화도 즉, 막 소재 물질과 분리하려는 대상 유기물 사이의 상호 작용에 의해 이루어지기 때문에 혼합물 중 특정 성분에 대한 선택도가 높은 비 다공성 고분자 복합막이 주로 사용되어진다. 또한 투과증발공정은 다른 공정들에 비해 상대적 에너지 소비가 적은 효율적인 분리 기술로[9-15] 여타 분리공정에 비해 비교적 짧은 역사를 갖고 있지만 지속적으로 응용범위가 확대되고 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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