[논문]제올라이트 4A 분리막을 이용한 물/메탄올, 물/부탄올 혼합물의 투과증발 특성 연구: 실험 및 모형

오웅진; 정재칠; 여정구; 이정현; 김현욱; 박영철; 이동호; 문종호; 조철희

doi:10.14579/membrane_journal.2017.27.6.487

제올라이트 4A 분리막을 이용한 물/메탄올, 물/부탄올 혼합물의 투과증발 특성 연구: 실험 및 모형
Pervaporation of binary Water/Methanol and Water/Butanol Mixtures through Zeolite 4A Membranes: Experiments and Modeling 원문보기

멤브레인 = Membrane Journal, v.27 no.6, 2017년, pp.487 - 498

오웅진 (한국에너지기술연구원) , 정재칠 ((주)파인텍) , 여정구 (한국에너지기술연구원) , 이정현 (한국에너지기술연구원) , 김현욱 (한국에너지기술연구원) , 박영철 (한국에너지기술연구원) , 이동호 (한국에너지기술연구원) , 문종호 (한국에너지기술연구원) , 조철희 (충남대학교 에너지과학기술대학원 에너지과학기술학과)

초록
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본 연구에서는 (주)파인텍에서 제조한 제올라이트 4A 분리막을 이용하여 물/메탄올, 물/부탄올 혼합물의 투과증발실험을 수행하였다. 분리막을 투과한 기체분자들은 액체질소트랩을 이용하여 포집하였으며, 기체크로마토그래피(TCD)를 이용하여 혼합물의 조성을 분석하였다. 실험을 통해 물과 메탄올(분리계수 최대 250 이상), 물과 부탄올(분리계수 최대 1,500 이상)의 혼합물에서 선택적으로 물을 분리하는 것을 확인하였다. GMS (generalized Maxwell Stefan) 이론을 적용하여 2성분계의 투과증발 거동을 모사하였으며, 상수추정을 통하여 제올라이트 비지지체의 흡착상수 및 확산상수를 구하였다. 제올라이트 4A 분리막의 경우 기공의 크기가 물보다는 크고, 메탄올, 부탄올 보다는 작기 때문에, 알코올로부터 물을 분리시키는 공정에 적용시킬 수 있다. 바이오 에탄올 분리, 부탄올 분리, 막반응기, 하이브리드 반응-탈수 공정 등에 적용할 수 있을 것으로 사료된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, pervaporation performances of water/methanol and water/butanol mixture were evaluated using zeolite 4A membranes manufacutred by FINETECH by experimental works and numerical modeling. Permeation and separation characteristics, such as flux and separation factor, were analyzed by gas chromatography (TCD) and liquid nitrogen traps. Experiments have shown that water is selectively separated from a mixture of water and methanol (separation factor up to approximately 250) and water and butanol (separation factor up to approximately 1,500). Generalized Maxwell Stefan (GMS) theory was implemented to predict pervaporation behaviors of water/alcohol mixtures and diffusional coefficients of zeolite layer were obtained through parameter estimation using $MATLAB^{(R)}$ optimization toolbox. Since the pore size of zeolite 4A are much larger than kinetic diameter of water molecules and smaller than those of methanol and butanol, zeolite 4A membranes can be applied to in situ water removal process such as membrane reactors or hybrid reaction-dehydration process.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 상업적으로 양산되고 있는 투과증발용 4A 제올라이트 분리막을 사용하여 물/메탄올과 물/부탄올의 혼합물에서 물을 선택적으로 분리하기 위한 실험을 하였다.

제안 방법

분리막의 기본적인 투과증발 특성을 확인하기 위해 물, 메탄올, 부탄올 단일성분들에 대한 실험을 수행하였다. 60, 70, 80, 90℃의 온도조건에서 물/메탄올, 물/부탄올 이성분계에 대한 투과 및 분리 특성을 실험을 통해 확인하였으며, GMS (generalized Maxwell Stefan) 식에 적용하여 다성분계 투과증발 메커니즘을 분석하였다.
본 연구에서 (주)파인텍의 4A 제올라이트 분리막 모듈을 이용하여 투과증발 공정을 구성하였다. 분리막의 기본적인 투과증발 특성을 확인하기 위해 물, 메탄올, 부탄올 단일성분들에 대한 실험을 수행하였다. 60, 70, 80, 90℃의 온도조건에서 물/메탄올, 물/부탄올 이성분계에 대한 투과 및 분리 특성을 실험을 통해 확인하였으며, GMS (generalized Maxwell Stefan) 식에 적용하여 다성분계 투과증발 메커니즘을 분석하였다.

대상 데이터

투과증발실험을 위해 (주)파인텍의 제올라이트 분리막을 공급받아 실험을 수행하였다. (주)파인텍의 제올라이트 분리막은 금속 양이온이 Na로 약 4 Å의 기공 크기를 갖는 4A 제올라이트이며 LTA 구조이면서 Si/Al 비율이 1인 강한 친수성을 갖는 대표적인 제올라이트이다.

이론/모형

상수추정은 MATLAB optimization toolbox의 FMINCON을 이용하여 수행하였다. 본 연구에서는 Maxwell Stefan식을 이용하여 투과증발 되는 성분 i의 플럭스, 투과 조성비, 물에 대한 분리계수를 모사하였다. 다성분계의 농도조건, 온도조건, 투과부에서의 압력 조건(진공조건)을 아래의 식 (27)에 대입을 하면, SMAPE (식 (26))를 통해 식 (16)-(18)의 온도의존성 상수를 얻을 수 있다.
반면 표면 확산(surface diffusion)이나 분자 체가름(molecular sieving) 등의 현상이 일어날 수 있다. 본 연구에서는 비지지체의 표면 확산을 통해 투과 메커니즘을 규명하였으며, GMS (generalized Maxwell Stefan)식을 이용하였다. 이 식은 다성분계 물질전달에 있어서 매우 적합한 식이라 할 수 있다[21,22].

성능/효과

(1) 제올라이트 분리막은 물과 메탄올(분리계수 최대 250 이상), 물과 부탄올(분리계수 최대 1500 이상)의 혼합물에서 선택적으로 물을 분리하는 것을 확인하였다.
(2) GMS (generalized Maxwell Stefan) 식을 이용하여 투과증발 모형을 개발하였으며, 실험결과치를 이용하여 상수추정(parameter estimation)을 행하였다.
(3) 추정된 상수를 적용한 시뮬레이션 결과는 실제 실험데이터와 유사한 경향성을 나타내는 것을 확인하였으며, 이를 토대로 온도, 공급부의 조성, 투과부의 압력만을 이용하여 투과증발 결과를 예측할 수 있음을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	투과증발법이 주목 받기 시작한 시기는 언제인가?	투과증발법은 1950년대 Graham에 의해 액체혼합물의 분리를 시작으로 1960년대에는 Kammermeyer, Binning, Michaels, Long, Neel 등에 의해 연구되었으며 1970년대 오일쇼크를 계기로 급속도로 주목받기 시작했다. 이후 1982년에 독일의 GFT사에 의해 물/에탄올 혼합물에서의 탈수를 목적으로 한 복합막의 상용화가 이루어졌고 이후 미국의 MTR사에서 오염된 물에서 소량의 유기용매를 분리하는 공정을 상업화 하였다[6].
	투과증발(pervaporation)이 친환경적인 공정인 이유는 무엇인가?	증류 공정을 통해 분리하기 어려운 유기화합물의 분리에 주로 적용되고 있으며, 진공을 위한 동력을 제외하고는 에너지소비가 매우 적은 에너지 절약형 분리기술이다. 공비증류공정과 다르게 공비점을 넘어서기 위해 환경오염을 발생시킬 수 있는 물질을 사용하지 않기 때문에 친환경적인 공정이라고 알려져 있다[1-5].
	투과증발이란 무엇인가?	투과증발(pervaporation)은 투과(permeation)와 증발(evaporation)의 합성어로 분리막을 사용하여 여러 가지 성분이 혼합되어있는 혼합물 중에서 원하는 성분을 선택적으로 분리하는 것을 의미한다. 증류 공정을 통해 분리하기 어려운 유기화합물의 분리에 주로 적용되고 있으며, 진공을 위한 동력을 제외하고는 에너지소비가 매우 적은 에너지 절약형 분리기술이다.

참고문헌 (28)

R. C. Binning, R. J. Lee, J. F. Jennings, and E. C. Martin, "Separation of liquid mixtures by permeation", Ind. Eng. Chem., 53, 45 (1961).
A. S. Michales, R. F. Baddour, H. J. Bixler, and C. Y. Choo, "Conditioned polyethylene as a permselective membrane. Separation of isomeric xylenes", Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev., 1, 14 (1962).

상세보기
P. Aptel, J. Cunny, J. Jozefowicz, G. Morel, and J. Neel, "Liquid transport through membranes prepared by grafting of polar monomers onto poly (tetrafluoroethylene) films. I. Some fractionations of liquid mixtures by pervaporation", J. Appl. Polym. Sci., 16, 1061 (1972).

상세보기
C. C. Pereira, A. C. Habert, R. Nobrega, and C. P. Borges, "New insights in the removal of diluted volatile organic compounds from dilute aqueous solution by pervaporation process", J. Memb. Sci., 138, 227 (1998).

상세보기
D. Hofmann, L. Fritz, and D. Paul, "Molecular modelling of pervaporation separation of binary mixtures with polymeric membranes", J. Membr. Sci., 144, 145 (1998).

상세보기
R. Rautenbach and R. Albrecht, "The separation potential of pervaporation : Part 1. discussion of transport equations and comparison with reverse osmosis", J. Membr. Sci., 25, 1 (1985).

상세보기
Y. M. Lee, "Pervaporation of organic liquid mixtures through polymer membranes", Polymer, 13, 3 (1989).
Y. K. Hong and W. H. Hong, "Pervaporation characteristics of aqueous isopropanol solution using tubular type PDMS/ceramic composite membrane", Hwahak Konghak, 36, 524 (1998).
Q. Liu, R. D. Noble, J. L. Falconer, and H. H. Funke, "Organics/water separation by pervaporation with a zeolite membrane", J. Membr. Sci., 117, 163 (1996).

상세보기
H. S. Ahn, H. R. Lee, and Y. T. Lee, "NaY zeolite membrane pervaporation for dehydration from ethylacetate manufacturing process", Hwahak Konghak, 43, 366 (2005).
H. Kita, K. Horii, Y. Ohtoshi, K. Tanaka, and K. Okamoto, "Synthesis of a zeolite NaA membrane for pervaporation of water/organic liquid mixtures", J. Mater. Sci. Lett., 14, 206 (1995).

상세보기
W. Won, X. Feng, and D. Lawless, "Pervaporation with chitosan membranes: separation of dimethylcarbonate/methanol/water mixtures", J. Membr. Sci., 209, 493 (2002).

상세보기
T. C. Bowen, R. D. Noble, and J. L. Falconer, "Fundamentals and applications of pervaporation through zeolite membranes", J. Membr. Sci., 245, 1 (2004).

상세보기
A. Kasik and Y. S. Lin, "Organic solvent pervaporation properties of MOF-5 membranes", Sep. Purif. Technol., 121, 38 (2014).

상세보기
Y. Morigami, M. Kondo, J. Abe, H. Kita, and K. Okamoto, "The first large-scale pervaporation plant using tubular-type module with zeolite NaA membrane", Sep. Purif. Technol., 25, 251 (2001).

상세보기
The Membrane Society of Korea Ed., "Membrane separation - basic", pp. 291-354, Jayoo Academy, Seoul, Korea (1996).
A. J. Burggraaf and L. Cot, "Fundamentals of inorganic membrane, science and technology, 1996", pp. 35-66, Elsevier, Amsterdam, Netherlands (2009).
P. Uchytil, "Gas permeation in ceramic membranes Part 1. Theory and testing of ceramic membranes", J. Membr. Sci., 97, 139 (1994).

상세보기
E. A. Mason and A. P. Malinauskas, "Gas transport in porous media : the dusty-gas model", pp 30-50, Elsevier Science Ltd., 17, New York, NY (1983).
A. Tuchlenski, P. Uchytil, and A. Seidel-Morgenstern, "An experimental study of combined gas phase and surface diffusion in porous glass", J. Membr. Sci., 140, 165 (1998).

상세보기
F. Kapteijn, J. A. Moulijn, and R. Krishna, "The generalized Maxwell-Stefan model for diffusional in zeolites: sorbate molecules with different saturation loadings", Chem. Eng. Sci., 55, 2923 (2000).

상세보기
F. Kapteijn, W. J. W. Bakker, G. Zheng, J. Poppe, and J. A. Moulijn, "Permeation and separation of light hydrocarbons through a silicalite-1 membrane Application of the generalized Maxwell-Stefan equations", Chem. Eng. J., 57, 145 (1995).
R. Krishna and L. J. P. van den Broeke, "The Maxwell-Stefan description of mass transport across zeolite membranes", Chem. Eng. J., 57, 155 (1995).
H. Renon and J. M. Prausnitz, "Local composition in thermodynamic excess functions for liquid mixtures", AIChE J., 14, 135 (1968).

상세보기
ASPEN DATABANK.
R. C. Reid, J. M. Prausnitz, and T. K. Sherwood, "The Properties of Gases and Liquids (3rd Ed.)", McGraw-Hill, New York (1977).
S. Y. Li, R. Srivastava, and R. S. Parnas, "Separation of 1-butanol by pervaporation using a novel tri-layer PDMS composite membrane", J. Membr. Sci., 363, 287 (2010).

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L. Gongping, H. Dan, W. Wang, X. Fenjuan, and J. Wanqin, "Pervaporation Separation of Butanol- Water Mixtures Using Polydimethylsiloxane/Ceramic Composite Membrane", Chin. J. Chem. Eng., 19, 40 (2011).

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저자의 다른 논문 :

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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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