[논문]고내구성 세라믹 중공사 개발과 압력 조건에 따른 접촉막 공정의 특성 평가

이승환; 정병준; 신민창; 장학룡; 정지원; 이연준; 원동연; 박정훈

doi:10.14579/membrane_journal.2020.30.6.443

고내구성 세라믹 중공사 개발과 압력 조건에 따른 접촉막 공정의 특성 평가
Development of High-Durability Ceramic Hollow Fiber and Performance Evaluation of Contact Membrane Process according to Pressure Conditions 원문보기

멤브레인 = Membrane Journal, v.30 no.6, 2020년, pp.443 - 449

이승환 (동국대학교 화공생물공학과) , 정병준 (동국대학교 화공생물공학과) , 신민창 (동국대학교 화공생물공학과) , 장학룡 (동국대학교 화공생물공학과) , 정지원 (동국대학교 화공생물공학과) , 이연준 (동국대학교 화공생물공학과) , 원동연 (동국대학교 화공생물공학과) , 박정훈 (동국대학교 화공생물공학과)

초록
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본 연구에서는 CH4/CO2 혼합가스에서 CO2 분리를 위해 세라믹 중공사 접촉막 모듈(HFMC)을 이용하여 실험을 수행하였다. 고 내구성의 HFMC를 제작하기 위해, 고강도의 중공사막을 제조하여 평가하였다. 제조한 중공사막을 이용하여 HFMC를 제작하였고, 실험은 CH4/CO2 혼합 기체(30% CO2, CH4 balance)와 monoethanolamine (MEA)를 사용하였다. HFMC 운전 중 기체와 흡수제의 압력이 CO2 제거 효율에 어떠한 영향을 주는지 평가하였다. CO2 제거 효율은 기체압력이 증가함에 따라 같이 상승하였으며, CO2 흡수 flux 또한 액체유량과 함께 증가하는 추세를 보였다. 또한 CO2 흡수율이 40% 이하일 때는 흡수제가 아래쪽에서 들어가는 향류형태인 LTS-1이 흡수제가 위쪽에서 들어가는 향류형태인 LTS-2보다 CO2 제거 성능이 높았으며, 흡수율이 40% 이상일 때는 LTS-2가 LTS-1보다 성능이 높았다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, CO2 separation experiment was performed on a CH4/CO2 mixed gas using a ceramic hollow fiber membrane contactor module (HFMC). In order to fabricate high-durability HFMC, a high-durability hollow fiber membrane was prepared and evaluated. HFMC was fabricated using the prepared hollow fiber membrane, and the experiment used a mixture of CH4/CO2 (30% CO2, CH4 balance) and monoethanolamine (MEA). During HFMC operation, the effect of gas and absorbent pressure on the CO2 removal efficiency was evaluated. The CO2 removal efficiency increased as the gas pressure increased, and the CO2 absorption flux also showed a tendency to increase with the liquid flow rate. In addition, when the CO2 absorption rate was less than 40%, LTS-1, a counter-current form where the absorbent enters from the bottom, has higher CO2 removal performance than LTS-2, a countercurrent form in which the absorbent enters from the top. and when the absorption rate was 40% or higher, LTS-2 had higher performance than LTS-1.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

제조한 중공사막을 이용하여 HFMC를 제작하였고, 실험은 CH4/ CO2 혼합 기체(30% CO₂, CH₄ balance)와 monoethanolamine (MEA)를 사용하였다. HFMC 운전 중 기체와 흡수제의 압력이 CO₂ 제거 효율에 어떠한 영향을 주는지 평가하였다. 실험 결과는 CH₄/CO₂ 분리용 세라믹 HFMC 공정 운용의 효율 증가를 위한 데이터로 활용 가능할 것으로 전망된다.

제안 방법

NMP를 이용한 dope solution을 바탕으로 중공사막을 제조하였고, 소결온도만을 변화시켜 실험을 진행하였다. 방사 압력과 내부 응고제, air gap이 동일하기에, 방사된 green body의 용매와 비용매 간의 상전이 속도는 lumen side와 shell side에서 동일하게 제조되었다.
하지만 중공사막의 기공이 늘어날수록 강도는 감소하게 된다. SEM 이미지 결과상으로는 소결온도가 기공의 크기와 모양에 어떠한 영향을 미치는지 정량적으로 비교가 불가능하기에, N₂ 기체 투과도를 통해 기공 구조와 기체투과 성능을 비교하였다. N2 가스는 중공사의 shell side에서 lumne side로 투과되어졌으며, P_in과 P_out에 따라 투과되어 나오는 N₂ 가스의 유량을 측정하여 Fig.
수행하였다. 고 내구성의 HFMC를 제작하기 위해, 고강도의 중공사막을 제조하여 평가하였다. 제조한 중공사막을 이용하여 HFMC를 제작하였고, 실험은 CH4/ CO2 혼합 기체(30% CO₂, CH₄ balance)와 monoethanolamine (MEA)를 사용하였다.
고 내구성의 HFMC를 제작하기 위해, 소결 온도에 따른 중공사막을 제조하여 평가하였다. 소결 온도가 증가함에 따라 제조되는 중공사막의 미세기공이 닫혀, 평균 기공 크기가 증가하였다.
실험에 사용한 α-Al₂O₃ 내부에 포함된 alumina 외에 소결조제로서 사용되는 성분들에 의해 기공 구조가 변화한다. 기존 본 연구실에서 진행한 실험에서 1300℃ 로 소결된 중공사막을 사용하였기에, 이보다 높은 강도를 지닌 중공사막을 개발하기 위해 1350, 1450, 1550℃ 로 소결한 중공사의 성능을 평가하였다[12].
모듈은 최대한 난류가 발생할 수 있도록 유로와 구조를 고려하여 설계되었으며, 또한 중공사 lumen side로 균일한 기체가 흐를 수 있도록 baffle을 설치하였다. 모듈 제작 과정에서 모세관 현상으로 인한 중공사막의 막힘 현상을 방지하기 위해, 중공사막의 양쪽 끝을 접착제를 이용하여 막아주었다. 그 다음 housing에 일정량의 에폭시 접착제를 주입하여 경화시켰다.
α-Al₂O₃ 중공사막을 이용한 HFMC 제조 소수성 중공사막은 20 cm 길이로 절단하여 내경 35 mm의 모듈 housing에 75가닥씩 넣었다. 모듈은 최대한 난류가 발생할 수 있도록 유로와 구조를 고려하여 설계되었으며, 또한 중공사 lumen side로 균일한 기체가 흐를 수 있도록 baffle을 설치하였다. 모듈 제작 과정에서 모세관 현상으로 인한 중공사막의 막힘 현상을 방지하기 위해, 중공사막의 양쪽 끝을 접착제를 이용하여 막아주었다.
본 연구에서는 혼합가스에서 CO₂ 분리를 위해 세라믹 중공사 접촉막 모듈(HFMC)을 이용하여 실험을 수행하였다. 고 내구성의 HFMC를 제작하기 위해, 소결 온도에 따른 중공사막을 제조하여 평가하였다.
건조된 중공사는 실험 조건에 따라 1350, 1450, 1550℃에서 4 hr 간 소결하였다. 소결 온도는 green body의 TGA (thermogravimeyric analysis) 를 통해 수립되었으며, 중공사막의 내구성을 증가시키기 위해 다양한 온도에서 소결을 진행하였다. 제조한 중공사막 단면의 SEM 이미지 분석을 통해 기공구조를 분석하였으며, N₂ 기체투과 실험을 통해 중공사막의 투과성능을 확인하였다.
그 다음 housing에 일정량의 에폭시 접착제를 주입하여 경화시켰다. 에폭시가 완전히 경화되면 모듈 구조에 맞춰 에폭시를 절단하여 HFMC를 제조하였으며, 다른 한쪽 끝 역시 같은 방법으로 중공사막을 housing 에 고정시켜 모듈을 제조하였다.
, Ltd, Korea) 수용액을 공급해주었다. 접촉 막 흡수 장치에서 배출된 혼합가스는 gas chromatography (GC-TCD, iGC 7200, DS science, Korea)로 분석하여 CO₂ 흡수량 및 제거효율을 측정하였다. 접촉 막 운전 조건은 Table 1에 정리하여 나타내었다.
제조한 HFMC의 CO₂ 흡수 성능을 평가하기 위해 Fig. 2와 같은 장치를 제작하였으며, 흡수제와 기체의 흐름 방향에 따른 성능을 비교하기 위해 Fig. 2에 제시된 두 가지의 흐름 방향으로 실험을 진행하였다. CO₂가 30% 포함되어 있는 CH₄혼합 가스를 mass flow controller (MFC, 5850E, Brooks, Japan)를 이용하여 모듈의 shell side로 보내고, 동시에 lumen side로는 gear pump (REGLO-Z digital, Ismatec, U.
소결 온도는 green body의 TGA (thermogravimeyric analysis) 를 통해 수립되었으며, 중공사막의 내구성을 증가시키기 위해 다양한 온도에서 소결을 진행하였다. 제조한 중공사막 단면의 SEM 이미지 분석을 통해 기공구조를 분석하였으며, N₂ 기체투과 실험을 통해 중공사막의 투과성능을 확인하였다.
탈포 과정이 끝난 dope solution을 질소 가스(99.99%) 와 기어펌프를 이용하여 이중관형 노즐(spinneret)로 방사하였다. 방사는 상온(20℃)에서 진행되었으며, 조업변수인 방사 압력은 3 bar, 내부 응고제 유량은 20 cc/min, air gape 10 cm로 하나의 조건으로 고정하여 진행하였다.
평가 1350℃에서 소결한 중공사막과 1450℃에서 소결한 중공사막을 이용하여 HFMC를 제작하였다. 제조 과정에서 1350℃에서 소결한 중공사막을 이용한 HFMC의 경우 모듈의 전체적인 강도가 낮아 CO₂ 분리 성능 평가실험을 진행할 수 없었다.

대상 데이터

2에 제시된 두 가지의 흐름 방향으로 실험을 진행하였다. CO₂가 30% 포함되어 있는 CH₄혼합 가스를 mass flow controller (MFC, 5850E, Brooks, Japan)를 이용하여 모듈의 shell side로 보내고, 동시에 lumen side로는 gear pump (REGLO-Z digital, Ismatec, U.S.A.)를 이용하여 30 wt% 의 monoethanolamine (MEA, 99.0%, Samchun Pure Chemical Co., Ltd, Korea) 수용액을 공급해주었다. 접촉 막 흡수 장치에서 배출된 혼합가스는 gas chromatography (GC-TCD, iGC 7200, DS science, Korea)로 분석하여 CO₂ 흡수량 및 제거효율을 측정하였다.
9%의 두 종류의 분말을 Kceracell (Korea)에서 구매하여 사용하였다. Dope solutione 0.5 µm 크기의 alumina powder (99.9%, kceracell, korea) 30 wt%, 0.3 µm 크기를 지닌 alumina powder 30 wt%, methyl-2-pyrrolidone (NMP, 99.5%, Samchun Pure Chemical Co., Ltd, Korea) 33.5 wt%, polyethersulfone (PESf, Ultrason^® E6020P, BASF, Germany) 5.75 wt%, polyvinylpyrrolidone (PVP, Sigma Aldrich, U.S.A) 0.75 wt%를 혼합하여 제조하였다. Solvent에 점도가 높은 PESf를 24 hr 간 용해시킨 후, alumina powder, PVP를 넣고 48 hr 동안 교반하여 크기가 다른 두 powder을 완전 혼합하였다.
HFMC의 사용된 중공사막은 화학적 안전성이 높은 소재인 alumina (α-Al₂O₃)를 선택하였다. 중공사막의 강도 개선을 위해 alumina는 0.
본 연구에서는 CH₄/CO₂ 혼합가스에서 CO₂ 분리를 위해 세라믹 중공사 접촉막 모듈(HFMC)을 이용하여 실험을 수행하였다. 고 내구성의 HFMC를 제작하기 위해, 고강도의 중공사막을 제조하여 평가하였다.
고 내구성의 HFMC를 제작하기 위해, 고강도의 중공사막을 제조하여 평가하였다. 제조한 중공사막을 이용하여 HFMC를 제작하였고, 실험은 CH4/ CO2 혼합 기체(30% CO₂, CH₄ balance)와 monoethanolamine (MEA)를 사용하였다. HFMC 운전 중 기체와 흡수제의 압력이 CO₂ 제거 효율에 어떠한 영향을 주는지 평가하였다.
고 내구성의 HFMC를 제작하기 위해, 고강도의 중공사막을 제조하여 평가하였다. 제조한 중공사막을 이용하여 HFMC를 제작하였고, 실험은 CH4/ CO2 혼합 기체(30% CO₂, CH₄ balance)와 monoethanolamine (MEA)를 사용하였다. HFMC 운전 중 기체와 흡수제의 압력이 CO₂ 제거 효율에 어떠한 영향을 주는지 평가하였다.
중공사막의 강도 개선을 위해 alumina는 0.5 µm 입자 크기와 0.3 µm 입자 크기를 갖는 순도 99.9%의 두 종류의 분말을 Kceracell (Korea)에서 구매하여 사용하였다. Dope solutione 0.

성능/효과

HFMC 운전 중 기체와 흡수제의 압력이 CO₂ 제거 효율에 어떠한 영향을 주는지 평가하였다. CO₂ 제거 효율은 기체압력이 증가함에 따라 같이 상승하였으며, CO₂ 흡수 flux 또한 액체 유량과 함께 증가하는 추세를 보였다. 또한 CO₂ 흡수율이 40% 이하일 때는 LTS-1이 LTS-2보다 CO₂ 제거성능이 높았으며, 흡수율이 40% 이상일 때는 LTS-2가 LTS-1보다 성능이 높았다.
흐르는 구조이다. LTS-1과 LTS-2 두 흐름 방식에서 동일하게 기체의 압력이 점차 높아질수록 CO₂ 제거 효율과 CO₂ 흡수 성능은 모두 증가함을 확인할 수 있다. 이는 중공사의 비표면적이 처음과 동일하게 유지되었기 때문이라고 예상할 수 있다.
Tabel 2의 결과를 보면 소결온도가 증가함에 따라 effective surface porosity는 감소함을 확인할 수 있었다. 이는 소결 온도가 증가함에 미세기공이 닫혀 전체적인 표면 기공도가 감소했다고 볼 수 있고, 이는 위에서 제시한 기체투과성능이 감소한 이유를 설명할 수 있다.
CO₂ 제거 효율은 기체압력이 증가함에 따라 같이 상승하였으며, CO₂ 흡수 flux 또한 액체 유량과 함께 증가하는 추세를 보였다. 또한 CO₂ 흡수율이 40% 이하일 때는 LTS-1이 LTS-2보다 CO₂ 제거성능이 높았으며, 흡수율이 40% 이상일 때는 LTS-2가 LTS-1보다 성능이 높았다.
소결 온도가 증가함에 따라 제조되는 중공사막의 미세기공이 닫혀, 평균 기공 크기가 증가하였다. 또한 effective surface porosity는 소결온도가 증가함에 따라 감소하는 경향을 보였다.
이는 기공구조에 영향을 미치는 방사 조건과 용매 조건이 같기에 전체적인 기공 구조는 동일하게 나타난 것이다. 세 중공사막의 두께를 비교해 보자면 1350℃의 외경은 2.1 mm, 1450℃의 외경은 1.89 mm, 1550℃의 외경은 1.65 mm로 소결온도가 증가함에 따라 전체 중공 사막의 외경은 점차 줄어들었다. 이는 소결과정에서 중공사막을 구성하는 α-Al₂O₃간의 간격이 줄어들기 때문에 발생한 현상이라고 판단된다.
3에서는 1550℃에서 shell side와 lumen side에 기공이 존재함을 볼 수 있었지만, 기체투과가 되지 않았다는 점은 중간 sponge structure에 존재하는 alumina powder에서 기공이 완전히 닫혔다고 볼 수 있다. 이 결과는 소결온도를 올리면 sponge structure 부분에서 alumina 간의 간극이 점차 좁아진다는 것을 의미함과 동시에 중공사막의 미세 기공구조가 줄기에 강도 또한 증가한다는 사실을 의미한다. 이는 중공사막 의외 경이 줄어들은 이유를 증명하는 바이기도 하다.
최종적으로 소결온도가 증가함에 따라, 중 공사 막의 미세 기공부터 닫히게 됨을 확인할 수 있었고, 이와 같은 현상은 중공사막의 기체투과 성능을 감소시킴과 동시에 중공사막 강도를 증가 시킬 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

매립지 가스의 주성분은 메탄과 이산화탄소로 이루어져 있으며, 두 성분은 매립지 가스의 98%를 차지한다. 매립지 가스를 이용한 폐기물 자원화를 통해 온실가스 저감과 동시에 신재생 에너지 확보가 가능할 것으로 전망된다. 또한 매립지 가스의 주성분 중 하나인 CH₄를 연료화 할 경우 기존 천연가스 인프라를 활용할 수 있기에, 타 신재생에너지에 비해 적용 가능성이 높다[6].
HFMC 운전 중 기체와 흡수제의 압력이 CO₂ 제거 효율에 어떠한 영향을 주는지 평가하였다. 실험 결과는 CH₄/CO₂ 분리용 세라믹 HFMC 공정 운용의 효율 증가를 위한 데이터로 활용 가능할 것으로 전망된다.

참고문헌 (13)

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H. J. Lee, E. Magnone, and J. H. Park, "Preparation, characterization and laboratory-scale application of modified hydrophobic aluminum oxide hollow fiber membrane for CO 2 capture using H 2 O as low-cost absorbent", J. Membr. Sci., 494, 143 (2015).

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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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