Membrane Journal (멤브레인)

The Membrane Society of Korea (한국막학회)
권호 표지

Variation of Single Gas ($SF_6$, $N_2$, $O_2$, $CF_4$) Permeance through Hollow Fiber Polymeric Membranes Depending on Temperature and Pressure

중공사 고분자 분리막을 통한 단일기체($SF_6$, $N_2$, $O_2$, $CF_4$) 투과플럭스의 온도와 압력에 따른 변화특성

  • Lee, Min-Woo (Center for Water Resource Cycler, Green City Technology Institute, Korea Institute of Science and Technology) ;
  • Lee, Soon-Jae (Center for Water Resource Cycler, Green City Technology Institute, Korea Institute of Science and Technology) ;
  • Kim, Han-Byul (Center for Water Resource Cycler, Green City Technology Institute, Korea Institute of Science and Technology) ;
  • Kim, Sung-Hyun (Department of Chemical and Biological Engineering, Korea University) ;
  • Lee, Sang-Hyup (Center for Water Resource Cycler, Green City Technology Institute, Korea Institute of Science and Technology)
  • 이민우 (한국과학기술연구원 녹색도시기술연구소 물자원순환연구단) ;
  • 이순재 (한국과학기술연구원 녹색도시기술연구소 물자원순환연구단) ;
  • 김한별 (한국과학기술연구원 녹색도시기술연구소 물자원순환연구단) ;
  • 김성현 (고려대학교 화공생명공학과) ;
  • 이상협 (한국과학기술연구원 녹색도시기술연구소 물자원순환연구단)
  • Received : 2011.12.13
  • Accepted : 2012.02.26
  • Published : 2012.02.29
Download PDF
⟨ Previous Next ⟩

Abstract

In this study, we investigated the permeation property of single gases ($N_2$, $O_2$, $SF_6$, $CF_4$ through hollow fiber polymeric membrane (PSF, PC, PI) as a function of pressure and temperature to decide operating condition for $SF_6$ gas separation process. The results showed the gas permeation varied differentlydepending on the properties of gases and membrane. When permeance of each gases was represented as a function of temperature and pressure in 3 dimensional space, the surface of permeance was shown approximately flat. Thus, we established permeance models with forms of first-and second-order polynomial. These two models showed high goodness of fit. This indicates that the two polynomial models have enough applicability to predict the gas separation process.

중공사 고분자 분리막을 이용한 SF6를 분리 농축을 위한 운전조건을 결정하기 위해서는, 온도와 압력이 투과특성에 미치는 영향에 관한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 다양한 온도와 압력이 부과된 조건에서 단일기체 투과실험을 수행하여, 중공사 고분자 분리막(PSF, PC, PI)을 통한 기체($N_2$, $O_2$, $SF_6$, $CF_4$)의 투과특성을 연구하였다. 실험결과, 기체의 투과플럭스는 온도와 압력의 증가에 따라 일반적으로 증가하는 것으로 나타났으나, 분리막에 따른 투과플럭스의 차이가 관찰되었으며, 온도, 압력에 따른 투과플럭스 변화율은 기체의 특성(분자크기)에 따라 다른 것으로 나타났다. 온도 압력에 대한 투과플럭스를 3차원적으로 표현했을 때, 투과플럭스는 근사적인 평면 위에서 변화하는 것으로 관측되었다. 온도와 압력에 의한 투과플럭스 변화를 열역학적으로 분석하였으며, 투과플럭스 예측을 위한 경험적 모델로 평면특성의 1차 다항식 모델과 곡면 특성을 가진 2차 다항식 모델을 제안하였다. 그 결과 두 경험적 모델 모두 관측자료에 대한 높은 적합도를 보여 적용가능성을 확인하였다.

Keywords

References

  1. W. T. Tsai, "The decomposition products of Sulfur Hexafluoride ($SF_{6}$): Reviews of environmental and health risk analysis", J. Fluor. Chem., 128, 1345 (2007). https://doi.org/10.1016/j.jfluchem.2007.06.008
  2. O. Yamamoto, T. Takuma, and M. Kinouchi, "Recovery of $SF_{6}$ from $N_{2}$/$SF_{6}$ Gas mixtures by using a polymer membrane", IEEE Electrical Insulation Magazine, 18, 32 (2002).
  3. The Membrane Society of Korea, "Membrane Separation (Basic)", pp. 291-354, Free Academy, Seoul (1996).
  4. R. W. Baker, Membrane Technology and Applications. 2nd edn (Chichester ; New York: J. Wiley, pp. 87-157 (2004).
  5. J. Kim, B. Yeom, and B. Min, "Tech-trend for polymeric gas separation membranes", Polym. Sci. Technol., 16, 436 (2005).
  6. H. Lee, M. Lee, H. Lee, and S. Lee, "Permeation and permselectivity variation of $O_{2},\;CF_{4}$, and $SF_{6}$ through polymeric hollow fiber membranes", Membrane Journal, 20, 249 (2010).
  7. H. Lee, M. Lee, H. Lee, and S. Lee, "Separation and recovery of $SF_{6}$ gas from $N_{2}$/$SF_{6}$ gas mixtures by using a polymer hollow fiber membranes", Environ. Eng. Res., 33, 47 (2011).
  8. D. T. Clausi and W. J. Koros, "Formation of defect-free polyimide hollow fiber membranes for gas separations", J. Membr. Sci., 167, 79 (2000). https://doi.org/10.1016/S0376-7388(99)00276-8
  9. A. F. Ismail, B. C. Ng, and W. A. W. A. Rahman, "Effects of shear rate and forced convection residence time on asymmetric polysulfone membranes structure and gas separation performance", Sep. Purif. Technol., 33, 255 (2003). https://doi.org/10.1016/S1383-5866(03)00009-1
  10. Y. Yampolskii, I. Pinnau, and B. Freeman, "Material science of membranes for gas and vapor separation", pp. 30, John Wiley & Sons, Chichester, UK (2006).
  11. R. W. Baker, J. G. Wijmans, and J. H. Kaschemekat, "The design of membrane vapor-gas separation systems", J. Membr. Sci., 151, 55 (1998). https://doi.org/10.1016/S0376-7388(98)00248-8
  12. S. A. Stern, S. R. Sampat, and S. S. Kulkarni, "Tests of a "free-volume" model of gas permeation through polymer membranes. II. Pure Ar, $SF_{6},CF_{4}$, and $C_{2},\;H_{2},\;F_{2}$ in polyethylene", J. Polym. Sci., Part B: Polym. Physics, 24, 2149 (1986). https://doi.org/10.1002/polb.1986.090241001
  13. I. J. Chung, K. R. Lee, and S. T. Hwang, "Separation of CFC-12 from air by polyimide hollow-fiber membrane module", J. Membr. Sci., 105, 177 (1995). https://doi.org/10.1016/0376-7388(95)00058-K
  14. J. Kim, S. Hong, and S. Park, "Predictive thermodynamic model for gas permeability of gas separation membrane", Korean Chem. Eng. Res., 45, 619 (2007).
  15. M. Sadrzadeh, K. Shahidi, and T. Mohammadi, "Effect of operating parameters on pure and mixed gas permeation properties of a synthesized composite PDMS/PA membrane", J. Membr. Sci., 342, 327 (2009). https://doi.org/10.1016/j.memsci.2009.07.015
  16. R. REID and T. Sherwood, "The properties of gases and liquids", pp. 632-633, McGraw Hill, New York, NY (1968).
  17. J. B. Kadane and N. A. Lazar, "Methods and criteria for model selection", J. Am. Statist. Ass., 99, 279 (2004). https://doi.org/10.1198/016214504000000269