비대칭구조의 폴리이서설폰 기체분리용 중공사막의 제조 및 이를 이용한 CO2/CH4 분리특성

• Published in: 멤브레인 Vol. 21; no. 4; pp. 367 - 376
• Main Authors: 박성률, 안효성, 김정훈, Sung-Ryul Park, Hyoseong Ahn, Jeong-Hoon Kim
• Format: Journal Article
• Language: Korean
• Published: 한국막학회 30.12.2011
• Subjects: membrane; CO2; bio gas; polyethersulfone; CH4
• ISSN: 1226-0088; 2288-7253

매립지나 유기성폐기물의 혐기성소화에서 발생되는 바이오 메탄가스 혼합물에서 이산화탄소를 제거하고 고농도의 메탄을 연료로 정제하는 기술은 온실가스의 저감과 신재생에너지 개발의 두 가지 장점을 함께 가지고 있다. 고분자 소재를 이용한 분리막기술은 메탄의 분리에 경제적으로 적용될 수 있는 기술이다. 본 연구에서는 이산화탄소/메탄의 선택도가 50, 이산화탄소의 투과도가 3.4 barrer로 알려진 폴리이서설폰[1]을 고분자 소재로 사용하고, 비용매 첨가제로 폴리이서설폰을 잘 팽윤시키는 아세톤의 함량을 달리하여 비대칭 중공사막을 제조하였다. 아세톤의 함량 9 wt%, 방사높이 10 cm, 4 wt% PDMS 코팅을 거친 폴리이서설폰 중공사막은 이산화탄소 투과도 36 GPU 및 이산화탄소/메탄 선택도 46의 우수한 성능을 나타내었다. 최적조건의 비대칭 폴리이서설폰 중공사막을 이용하여 제조된 모듈의 이산화탄소/메탄 순수가스 및 혼합가스 투과특성을 압력, 유입조성의 변화에 따라 관찰하여 분리막 공정을 구성한 결과 10 atm의 압력조건에서 95%의 메탄을 58%의 회수율로 얻을 수 있는 것으로 나타났다. Huge amount of CH4 mixtures has been emitted from landfills and organic wastes via anaerobic digestion. The recovery of high purity CH4 from these gases has two merits: reduction of green house gases and production of renewable fuels. Membrane technology based on polymeric materials can be used in this application. In this study, asymmetric gas separation hollow fiber membranes were fabricated to develop the membrane-based bio-gas purification process. Polyethersulfone (PES) was chosen as a polymer materials because of high CO2 permeability of 3.4 barrer and CO2/CH4 selectivity of 50[1]. Acetone was used as a non-solvent additive because of its unique swelling power for PES and highly volatile character. The prepared PES hollow fiber showed excellent separation properties: 36 GPU of CO2 permeance and 46 of CO2/CH4 selectivity at optimized preparation conditions: 9wt% acetone content, 10cm air-gap and 4wt% PDMS coating processes. With the PES hollow fiber membranes developed, mixed CO2/CH4 test was done by changing various operating conditions such as pressures and feed compositions to meet the highest recovery of CH4 with 95% purity. High CH4 recovery of 58 wt% was observed at 10 atm feed pressure for the 50 vol% of CO2 in CO2/CH4 mixture.