초록 ▼

본 연구과제는 연소 후 배가스 중 CO₂ 회수를 위한 대용량 CO₂ 분리용 고투과성 고분자 분리막 개발을 목표로 함. 이를 위해 TR 고분자 최적 조성 및 제조 조건 확립을 위한 연구 및 중공사막 모듈의 제조하여 기체 분리 성능 평가를 수행하였음. 기체 분리 시스템 개발을 위해 컴퓨터 시뮬레이션을 통한 모듈 및 공정설계, 경제성 평가가 이루어졌음. 차세대 CO₂ 분리막을 제조하기 위한 신규 고투과성 고분자 분리막에 대한 연구도 동시에 수행되었음. TR 고분자 중공사막은 고투

본 연구과제는 연소 후 배가스 중 CO₂ 회수를 위한 대용량 CO₂ 분리용 고투과성 고분자 분리막 개발을 목표로 함. 이를 위해 TR 고분자 최적 조성 및 제조 조건 확립을 위한 연구 및 중공사막 모듈의 제조하여 기체 분리 성능 평가를 수행하였음. 기체 분리 시스템 개발을 위해 컴퓨터 시뮬레이션을 통한 모듈 및 공정설계, 경제성 평가가 이루어졌음. 차세대 CO₂ 분리막을 제조하기 위한 신규 고투과성 고분자 분리막에 대한 연구도 동시에 수행되었음. TR 고분자 중공사막은 고투과성 고분자로 알려진 열전환 (TR) 고분자를 활용하여 상전이법을 이용, 다양한 제조 조건을 조절하여 효율적 기체 분리성능을 지닌 중공사막을 제조 및 대면적화를 하여 1000가닥 중공사 모듈 (막 면적 0.2m²)을 성공적으로 제조하였음. 단일 기체 투과 실험을 통해 중공사 모듈의 CO₂ 투과율 1020 GPU 보였음. 중공사 모듈을 통과한 혼합기체의 조성의 변화를 컴퓨터 유체역학 (CFD) 방법을 이용하여 100가닥 및 30cm 중공사 모듈로 시뮬레이션을 수행하여, 모듈 내 압력강하로 인한 분리성능의 변화가 있음을 확인함. 분리막 모듈이 포함된 공정 설계 연구 결과 90% 순도의 CO₂를 얻기 위해 2단 공정 및 공정순환이 필요함을 확인했으며, 설계에 따라 최소 35달러의 CO₂ 포집 비용이 나옴을 경제성 검토 연구를 통해 알아냄. 공정 설계를 바탕으로 TR 중공사 모듈을 이용한 다단 혼합기체 분리 실험을 구현 및 실제 평가를 마침. 3가지 종류의 대표적 신규 고투과성 고분자 개발에 성공하였으며, 그 중 spirobisindane 포함한 SpiroTR 고분자는 고온 열전환시에도 높은 기계적 강도와 약 700Barrer CO₂투과도를 보임. 가교가 도입된 XTR 고분자는 최대 4배의 CO₂ 투과도 (960Barer)를 향상시켰고, 새로 합성된 mHAB를 이용한 신규 TR 고분자는 pHAB보다 2배 이상의 CO₂ 투과도 (720Barrer)가 증가하는 것으로 평가됨.

(출처 : 보고서 요약서 3p)

Abstract ▼

II. Purpose and necessities of the research

1. Purpose
● Stability and performance improvement of polymer precursors for highflux membranes development to apply for pilot demonstration system of post combustion carbon capture technology and process
● Development of advanced highflux pol

II. Purpose and necessities of the research

1. Purpose
● Stability and performance improvement of polymer precursors for highflux membranes development to apply for pilot demonstration system of post combustion carbon capture technology and process
● Development of advanced highflux polymer molecular sieve membranes, hollow fiber membrane modules and system

2. Necessities
● Break-through technology for capture carbon dioxide from post combustion process as a solution of global worming
● Rarely researched membrane technology for CCS nationally and acceleration research and actual prof for post combustion carbon capture in U.S.A. (MTR Process)
● Required hollow fiber membrane module and real gas separation research at real conditions

III. Scope and results of the research
1. Development of highly permeable polymeric membranes
● Preparation of polymer molecular sieve with high performances
● Characterization and evaluation of polymer molecular sieve membranes

2. Preparation of hollow fiber membranes and modules
● Optimization of dope solution composition and spinning condition to fabricate high performance hollow fiber membranes
● Development large area membranes and modules

3. Module design using CFD simulation tools
● Fluid transport analysis in hollow fiber membrane modules using computational fluid dynamics simulation methods
● Pressure drop and concentration polarization analysis in membrane modules

4. Process modeling.
● Membrane gas separation process design using Simulink method
● Process optimization in CO₂ recovery and concentration

5. Development flue gas treatment process using TR hollow fiber module
● Empirical Implementation of process modeling using TR hollow fiber module
● Completion of mixed gas test and process efficiency investigation

(출처 : SUMMARY 10p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 보고서 요약서 ... 3
• 요 약 문 ... 4
• SUMMARY ... 10
• CONTENTS ... 12
• 목차 ... 13
• 제 1 장 연구개발과제의 개요 ... 14
• 제 1 절 연구개발의 목적 ... 14
• 제 2 절 연구개발의 필요성 ... 14
• 제 3 절 연구개발의 범위 ... 15
• 제 2 장 국내외 기술 개발 현황 ... 17
• 제 1 절 연소 후 이산화탄소 포집 막분리 기술의 국내외 현황 ... 17
• 제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 21
• 제 1 절 고분자 분리막의 이론 및 원리 ... 21
• 제 2 절 연소 후 이산화탄소 포집용 분리막 기술 ... 29
• 제 3 절 고투과성 유기고분자분자체 분리막 개발 및 특성 평가 ... 39
• 1. 고강도의 Spirobisindane을 포함한 고투과성 열전환 고분자 분리막 ... 39
• 2. 가교를 도입한 열전환 고분자 분리막 ... 63
• 3. 열전환 고분자 분리막의 이산화탄소 용해도 특성 ... 86
• 제 4 절 TR 중공사 분리막 제조 및 모듈 개발 ... 104
• 1. 고분자 조성확립 및 대용량 합성 ... 104
• 2. TR 중공사 분리막 제조를 위한 도프 용액의 최적화 ... 108
• 3. HPI 중공사 분리막 제조를 위한 방사 조건의 최적화 ... 119
• 4. HPI 중공사 분리막의 대면적화 및 모듈화 ... 132
• 제 5 절 유체역학 시뮬레이션을 이용한 중공사막 모듈 디자인 ... 138
• 제 6 절 공정 시뮬레이션을 이용한 분리막 공정 설계 ... 158
• 제 7 절 중공사막 모듈을 통한 배가스 분리 공정 개발 ... 189
• 제 8 절 위탁기관 연구개발 수행 내용 및 결과 ... 214
• 제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 255
• 제 5 장 연구개발결과의 활용계획 ... 263
• 제 6 장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 265
• 제 1 절 분리막을 이용한 이산화탄소 포집 공정 ... 265
• 제 2 절 연소 후 이산화탄소 포집을 위한 분리막 소재 ... 268
• 제 3 절 연소 전 이산화탄소 포집을 위한 분리막 소재 ... 271
• 제 7 장 연구시설·장비현황 ... 272
• 제 1 절 중공사 방사장비 ... 272
• 제 2 절 수분 및 용매 회수장치 ... 273
• 제 3 절 중량 측정 장비 ... 274
• 제 4 절 TR 고분자 제조를 위한 열처리 장비 ... 275
• 제 8 장 참고문헌 ... 276
• 끝페이지 ... 276