Abstract
Manufacturing membrane materials with high selectivity and permeability is quite desirable but practically not possible, since the permeability and selectivity are usually inversely proportional. From the viewpoint of reducing the cost of $CO_2$ capture, module performance is even more important than the performance of membrane materials itself, which is affected by the permeance of the membrane (P, stagecut) and selectivity (S). As a typical example, when the mixture with a composition of 13% $CO_2$ and 87% of $N_2$ is fed into the module with 10% stage cut and selectivity 5, in the 10 parts of the permeate, $CO_2$ represents 4.28 parts and $N_2$ represents 5.72 parts. In this case, the $CO_2$ concentration in the permeate is 42.8% and the recovery rate of $CO_2$ in this first separation appears as 4.28/13 = 32.9%. When permeance and selectivity are doubled, however, from 10% to 20% and from 5 to 10, respectively, the $CO_2$ concentration in the permeant becomes 64.5% and the recovery rate is 12.9/13 = 99.2%. Since in this case, most of the $CO_2$ is separated, this may be the ideal condition. For a given feed concentration, the $CO_2$ concentration in the separated gas decreases if permeance is larger than the threshold value for complete recovery at a given selectivity. Conversely, for a given permeance, increasing the selectivity over the threshold value does not improve the process further. For a given initial feed gas concentration, if permeance or selectivity is larger than that required for the complete separation of $CO_2$, the process becomes less efficient. From all these considerations, we can see that there exists an optimum design for a given set of conditions.
분리막의 제조에 있어서 높은 분리도와 투과도가 요구되지만 투과도와 분리도는 반비례하는 경향이 있으므로 현실적으로 가능하지 않다. $CO_2$ 포집의 비용절감 측면에서 살펴보면 분리막의 재질 자체보다는 투과도와 분리도가 분리막의 모듈이나 시스템의 성능이 미치는 영향이 더 중요하다고 할 수 있다. 예로 들어 $CO_2$ 13%와 $N_2$ 87%인 혼합기체를 분리도를 5로 고정시킨 후 유량의 10%가 분리막을 통하여 투과된다고 가정하면 투과한 10% 중에 $CO_2$ 4.28%, $N_2$가 5.72%로서 투과한 기체중 이산화탄소의 농도가 42.8%가 된다. 이 경우 이산화탄소의 순도는 42.8%이며 첫 번째 투과에 의해 얻은 이산화탄소의 회수량은 4.28/13 = 32.9%가 된다. 만일 투과도와 분리도를 두배로 증가시킬 경우 이산화탄소의 순도는 64.5%, 이산화탄소 회수량은 12.9/13 = 99.2%로 나타났다. 이 경우 대부분의 $CO_2$가 회수되었으며 이것이 의미하는 바는 주입된 이산화탄소가 투과되지 않고 그대로 통과하여 빠져나가는 양은 거의 제로에 가까운 경우로서 이산화탄소 분리에는 이상적인 설계나 운전조건이라 할 수 있다. 일정한 주입농도에서 주어진 투과도에 대하여 이산화탄소를 100% 회수하는 임계 분리도가 존재함을 알 수 있으며, 임계 분리도 이상 높아질 경우 이산화탄소 회수되는 양이나 순도 향상에 별다른 영향이 없음을 시사하고 있다. 이상의 결과에서 주어진 이산화탄소의 농도에 대해서 분리막을 이용한 분리에서 이산화탄소를 100% 투과시키는 임계 투과도와 분리도가 설계와 운전조건의 최적화를 위하여 절대적으로 중요함을 알 수 있다.
