초록 ▼

본 연구과제에서는 연소배가스 중 이산화탄소 회수를 목표로 하는 고효율 저비용의 분리막 시스템을 제조하기 위
하여 신규 고성능 고분자 분리막 소재의 개발, 고분자를 이용한 중공사형 분리막의 개발, 중공사형 분리막을 이용
한 분리막 모듈 개발 및 성능 평가에 대한 연구를 수행하였음. 내열성 고분자의 열전환이라는 독창적인 공법을
통하여 제조되는 열전환계 고분자는 고분자 주쇄를 재배열시킴으로써 자유체적이 월등하게 증가하였으며 미세 기
공을 형성함. 열전환계 고분자 분리막은 이의 미세기공을 통하여 높은 이산화탄소의 투과

본 연구과제에서는 연소배가스 중 이산화탄소 회수를 목표로 하는 고효율 저비용의 분리막 시스템을 제조하기 위
하여 신규 고성능 고분자 분리막 소재의 개발, 고분자를 이용한 중공사형 분리막의 개발, 중공사형 분리막을 이용
한 분리막 모듈 개발 및 성능 평가에 대한 연구를 수행하였음. 내열성 고분자의 열전환이라는 독창적인 공법을
통하여 제조되는 열전환계 고분자는 고분자 주쇄를 재배열시킴으로써 자유체적이 월등하게 증가하였으며 미세 기
공을 형성함. 열전환계 고분자 분리막은 이의 미세기공을 통하여 높은 이산화탄소의 투과도를 나타내며, 이산화탄
소/질소 선택도 또한 우수하여 연소후 배가스 중 이산화탄소를 효율적으로 분리할 수 있는 성능을 보임. 열전환계
고분자 분리막은 기존의 상용화된 분리막 소재에 비하여 수백배 이상 이산화탄소 투과도를 향상시켰으며, 분리막
내부의 미세기공 크기를 조절하여 이산화탄소의 선택적 투과 성능을 향상시켰음. 또한 신규 열전환계 고분자 분
리막의 공정 적용을 위한 모듈 개발을 위하여, 단위부피 대비 막면적이 가장 넓은 중공사형 분리막을 상전이법을
이용하여 제작함. 분리막 모듈을 실공정에 도입할 때 투과유량 향상을 통하여 전체 시스템의 비용을 최소화 하는
비대칭형 분리막의 제작 및 활성층의 박막화 기술은 상업화를 위한 핵심적인 요구사항으로, 현재 상업화 된 분리
막 모듈은 대부분 중공사형 분리막의 형태를 보이고 있음. 활성층의 박막화를 통하여 분리막의 이산화탄소 투과
성능을 최적화 하였으며, 유효 막두께를 수um 미만으로 최적화 한 이 분리막 모듈은 이산화탄소 투과도
6×$10^{-7}$mol/$m^{2}$.sec.Pa를 보였음. 3단계 최종 2,400$cm^{2}$ 규모의 막면적을 갖는 중공사막 모듈 총 3개 제조하여
7,000$cm^{2}$ 이상의 막면적을 갖는 막분리 시스템을 구축하였음. 단위모듈 제작을 통하여 수 $m^{2}$ 이상 막면적의 대
면적화에 대한 가능성을 확인하였고, 분리막 모듈을 통해 시간당 2 $Nm^{3}$의 배가스 처리 능력을 평가하였음.

Abstract ▼

1. Preparation and characterization of high performance TR membranes
● Preparation of Thermaly Rearranged memebranes for CO2 recover
● TR-PI-PBO, TR-PPY-PBO copolymer preparation, tuned for membrane performance for application
● Control of the preparation protocol, different monomers, heati

1. Preparation and characterization of high performance TR membranes
● Preparation of Thermaly Rearranged memebranes for CO2 recover
● TR-PI-PBO, TR-PPY-PBO copolymer preparation, tuned for membrane performance for application
● Control of the preparation protocol, different monomers, heating rates, temperature, etc.
● Investigation of gas permeation mechanism of TR membranes
2. Preparation of TR hollow fiber membranes using phase separation methods
● Hollow fiber membranes preparation with TR-PBO membranes
● Investigation of phase separation phenomena for hollow fiber spinning
● Control of an effective skin layer of TR hollow fiber membranes
3. Hollow fiber membrane module preparation and characterization
● Membrane module preparation for hollow fiber membranes performance test
● Scaling-up of hollow fiber membranes for real application
● The optimum condition for flux and permeate composition at a certain pressure was aimed by regulating the operation conditions, from which 2 Nm3/hr flux of gas mixture was evaluated.
4. Process design for CO2 recovery process
● Process modeling to optimize CO2 recovery process using hollow fiber membranes.
● Cost calculation and process optimization
● Single-stage process and multi-stage process design
5. Module design using computational fluid dynamics (CFD) methods
● Module design simulation with fluid dynamics basis
● Module length, diamiter optimization for high performance

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 2
• 보고서 요약서 ... 3
• 요약문 ... 4
• SUMMARY ... 10
• CONTENTS ... 12
• 목 차 ... 13
• 제 1 장 연구개발과제의 개요 ... 14
• 제 1 절 연구개발의 목적 ... 14
• 제 2 절 연구개발의 필요성 ... 14
• 제 3 절 연구개발의 범위 ... 16
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황 ... 18
• 제 1 절 이산화탄소 막분리기술 현황분석 ... 18
• 제 3 장 연구개발 수행내용 및 결과 ... 29
• 제 1 절 기체분리용 분리막의 이론 및 원리 ... 29
• 1. 이론 및 원리 ... 29
• 제 2 절 기체분리용 막소재의 분류 ... 32
• 1. 무기막 ... 32
• 2. 고분자막 ... 32
• 3. 분리막의 투과 메커니즘 ... 32
• 4. 이산화탄소, 메탄, 질소, 수소의 물리적 특성 ... 33
• 제 3 절 이산화탄소 회수용 열전환 고분자 분리막 ... 36
• 1. 이산화탄소 회수용 열전환계 고분자 분리막 개발 ... 36
• 2. 기체분리용 열전환계 PBO-PI 분리막 개발 ... 66
• 3. 고투과 선택성을 갖는 기체분리용 열전환 PBO-PPL 공중합체 분리막 개발 ... 85
• 4. 열전환 Polybenzoxazole 분리막: 이미드화 경로에 따른 특성 관찰 ... 108
• 제 4 절 열전환 고분자를 이용한 중공사형 분리막 개발 ... 137
• 1. 열전환 고분자를 이용한 이산화탄소 회수용 중공사형 분리막의 개발 ... 137
• 2. 열전환 된 폴리벤즈옥사졸 중공사막 ... 166
• 제 5 절 컴퓨터 모델링을 이용한 공정 설계 및 전산모사 ... 185
• 1. 열전환 된 폴리벤즈옥사졸 중공사막 ... 185
• 2. 중공사막 모듈을 이용한 이산화탄소 분리 공정의 모델링 및 시뮬레이션 ... 210
• 3. 중공사형 분리막 모듈을 이용한 공정 시뮬레이션 ... 231
• 제 6 절 시뮬레이션을 통한 모듈 디자인 최적화 ... 255
• 1. 컴퓨터 유체역학적 시뮬레이션을 통한 최적 분리막 모듈 설계 ... 255
• 제 7 절 위탁기관 연구개발 수행내용 및 결과 ... 266
• 1. 과제명: 화학적 이미드반응을 이용한 폴리벤조옥사졸 중공사 분리막의 제조 ... 266
• 제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 277
• 1. 연구개발 최종목표 ... 277
• 2. 연구개발 달성 내용 ... 278
• 제 5 장 연구개발결과의 활용계획 ... 289
• 제 6 장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술 정보 ... 302
• 제 1 절 분리막을 이용한 이산화탄소 포집 기술 ... 302
• 제 2 절 이산화탄소 포집용 고분자 분리막 ... 303
• 제 3 절 기체분리용 무기막 ... 306
• 제 7 장 연구시설, 장비현황 ... 311
• 제 1 절 중공사막 제조 장치 ... 311
• 제 2 절 전구체 고분자 특성 분석 장치 ... 313
• 제 3 절 중공사막 특성 분석 장치 ... 314
• 제 8 장 참고문헌 ... 317