[논문]PDMS막과 PTMSP막을 이용한 투과증발법에 의한 바이오 부탄올 회수

유비호; 장봉준; 김정훈; 이수복; 김우년; 정광섭; 김재현

PDMS막과 PTMSP막을 이용한 투과증발법에 의한 바이오 부탄올 회수
Recovery of Bio-butanol from aqueous solutions through PDMS and PTMSP membranes by pervaporation 원문보기

유비호 (한국화학연구원 환경에너지센터) , 장봉준 (한국화학연구원 환경에너지센터) , 김정훈 (한국화학연구원 환경에너지센터) , 이수복 (한국화학연구원 바이오리파이너리센터) , 김우년 (고려대학교 화공생명공학과) , 정광섭 (GS칼텍스(주)) , 김재현 (GS칼텍스(주))

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문제 정의

공급 부탄올 수용액의 농도가 증가할수록 PDMS, PTMSP막을 통한 투과된 부탄올의 농도와 투과량 그리고 PDMS막의 선택도가 증가한 반면에 공급 부탄올 수용액의 농도가 증가할수록 PTMSP막의 선택도는 감소하였다. 바이오 부탄올 농축을 위해서 PDMS, PTMSP 단일막의 두께를 변화시키면서 부탄올의 초기농도, 조업 온도에 변화를 주어 막두께와 부탄올의 선택도와 투과도의 관계를 관찰하여 최적의 제막 및 운전조건을 확보하고자 연구를 수행중에 있다.
본 연구는 이러한 발효산물에서 나오는 바이오 부탄올 수용액을대상으로 연료용 바이오 부탄올을 경제적으로 분리정제를 하기 위한 예비실험이다. 수용액으로부터 부탄올의 회수에 성능이 뛰어난 것으로 알려진 소수성 고무상 고분자인 polydimetylsiloxane (PDMS)와 자유부피가 가장 크다고 알려진 유리상 고분자인 polytrimethylsilylpropyne (PTMSP)을 대상으로 투과증발막을 제조하였다.

제안 방법

수용액으로부터 부탄올의 회수에 성능이 뛰어난 것으로 알려진 소수성 고무상 고분자인 polydimetylsiloxane (PDMS)와 자유부피가 가장 크다고 알려진 유리상 고분자인 polytrimethylsilylpropyne (PTMSP)을 대상으로 투과증발막을 제조하였다. 막두께를 100 - 1 um로 변화시킨 두 가지 소재의 막을 대상으로 1 - 5%의 부탄올이 함유된 수용액을 대상으로 투과 원액의 온도를 20-40도로 변화시키면서 투과증발법에 의한 선택 분리 특성을 연구하였다.
투과증발실험은 운전온도를 상온(25C)하에 1, 3, 5% 표준 부탄올수용액에서 실행하였다. 전체 투과량은 다음과 같이 계산하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 막은 가교된 PDMS단일막으로 Dow Coming사의 상품명 “Sylgard 184”를 사용하였고 이제품은 이액형으로 주재인 Part A는 비닐그룹을 말단기로 가지고 있는 PDMS oligomer이고, 경화 재인 Part B는 활성 수소기를 가지고 있는 PDMS oilgomer로 구성되어져 있다. 주제와 경화제를 10:1의 비율로 헥산(n-hexane)에 녹여 만든 제막용액을 테프론 틀에 부어 상온에서 12시간 동안 건조한 후, 완전한 가교반응 (cross-linking)을 위해 110℃ 오븐에서 2시간 동안 건조시켰다[5].
수용액으로부터 부탄올의 회수에 성능이 뛰어난 것으로 알려진 소수성 고무상 고분자인 polydimetylsiloxane (PDMS)와 자유부피가 가장 크다고 알려진 유리상 고분자인 polytrimethylsilylpropyne (PTMSP)을 대상으로 투과증발막을 제조하였다. 막두께를 100 - 1 um로 변화시킨 두 가지 소재의 막을 대상으로 1 - 5%의 부탄올이 함유된 수용액을 대상으로 투과 원액의 온도를 20-40도로 변화시키면서 투과증발법에 의한 선택 분리 특성을 연구하였다.

성능/효과

조업온도가 증가할수록 투과된 부탄올의 농도, 선택도, 투과량이 모두 증가하는 경향을 보였다. 공급 부탄올 수용액의 농도가 증가할수록 PDMS, PTMSP막을 통한 투과된 부탄올의 농도와 투과량 그리고 PDMS막의 선택도가 증가한 반면에 공급 부탄올 수용액의 농도가 증가할수록 PTMSP막의 선택도는 감소하였다. 바이오 부탄올 농축을 위해서 PDMS, PTMSP 단일막의 두께를 변화시키면서 부탄올의 초기농도, 조업 온도에 변화를 주어 막두께와 부탄올의 선택도와 투과도의 관계를 관찰하여 최적의 제막 및 운전조건을 확보하고자 연구를 수행중에 있다.
먼저 공급 부탄올 1~5%의 수용액을 대상으로 20, 30, 40℃로 조업온도를 달리하여 막두께 lOOum의 PDMS, PTMSP 단일막을 대상으로 투과 증발실험을 한 결과 PDMS, PTMSP막의 경우 투과부의 부탄올의 농도가 아주 높고 선택도가 아주 우수한 투과증발특성을 보였다. 조업온도가 증가할수록 투과된 부탄올의 농도, 선택도, 투과량이 모두 증가하는 경향을 보였다.
선택도가 아주 우수한 투과증발특성을 보였다. 조업온도가 증가할수록 투과된 부탄올의 농도, 선택도, 투과량이 모두 증가하는 경향을 보였다. 공급 부탄올 수용액의 농도가 증가할수록 PDMS, PTMSP막을 통한 투과된 부탄올의 농도와 투과량 그리고 PDMS막의 선택도가 증가한 반면에 공급 부탄올 수용액의 농도가 증가할수록 PTMSP막의 선택도는 감소하였다.

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