멤브레인 (Membrane Journal)

  • 제32권2호
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  • Pages.140-149
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  • 2022
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  • 1226-0088(pISSN)
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  • 2288-7253(eISSN)
한국막학회 (The Membrane Society of Korea)
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폴리술폰 중공사막을 이용한 바이오가스 고순도화 고효율 저온 분리 공정

Highly Efficient Biogas Upgrading Process Using Polysulfone Hollow Fiber Membrane at Low Temperature

  • 투고 : 2022.04.20
  • 심사 : 2022.04.25
  • 발행 : 2022.04.30
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초록

본 연구에서는 폴리술폰 분리막을 이용한 바이오가스 정제 공정으로 고선택성 소재를 이용한 2단 공정의 높은 회수율 및 경제성과 동등한 수준의 회수율을 확보하기 위해 저온 고압의 분리막 공정을 설계하고 평가하였다. 폴리술폰 고분자를 4성분계 도프를 이용하여 비용매 유도 상전이법으로 중공사 분리막을 제조하였다. 기체 분리용 중공사 분리막은 1.6 m2의 유효 막면적을 갖는 샘플을 제조하여 상온 및 저온에서 기체 투과 특성을 평가하였다. 제조된 기체분리막 모듈의 온도에 따른 기체 투과 특성을 분석하기 위하여 온도별 단일 기체 투과도를 평가한 결과 이산화탄소와 메탄 투과도는 20℃에서 각각 412, 12.7 GPU이며, -20℃에서는 각각 280, 3.6 GPU로써 이상 선택도는 32.4에서 77.8로 향상되었다. 단일 기체 투과 테스트 후 혼합 기체에 대한 분리 테스트를 진행하였으며, 모듈 1단 구성 및 2단 구성(막 면적비 1:1, 1:2, 1:3)을 통하여 투과 거동을 살펴보았다. 1단 구성에서는 stage-cut이 상승함에 따라 메탄의 농도가 상승하지만, 반대로 회수율은 떨어지는 결과를 나타내었다. 2단 구성 테스트에서는 메탄 농도 97% 기준에서 막 면적비 1:1보다 1:3이 메탄의 회수율이 더 높게 측정되었으며, 공급 기체의 온도가 낮을수록 메탄의 회수율이 높아짐을 확인하였고, 최종적으로 폴리술폰 2단 공정에서 메탄 농도 97%, 회수율 97%의 결과를 달성하였다.

In this study, the conditions of low temperature and high pressure of biogas upgrading process using polysulfone membrane have been designed and tested to achieve the high recovery and efficiency corresponding to those of the highly selective polymeric materials. Polysulfone hollow fiber membrane with 4-component dope solution was spun via non-solvent induced phase separation. The hollow fiber membrane was mounted into a 1.5 inch housing. The effective area was 1.6 m2, and its performance was examined in various operation temperatures and pressures. CO2 and CH4 permeances were 412 and 12.7 GPU at 20℃, and 280 and 3.6 GPU at -20℃, respectively, while the CO2/CH4 selectivity increased from 32.4 to 77.8. Single gas test was followed by the mixed gas experiments using single-stage and double stage where the membrane area ratio varied from 1:1 to 1:3. At the single-stage, CH4 purity increased and the recovery decreased as the stage-cut increased. At the double stage, the area ratio of 1:3 showed the higher CH4 recovery as decreasing the operation temperature at the same purity of CH4 97%. Finally, polysulfone hollow fiber membranes have yielded of both CH4 purity and recovery of 97% at -20℃ and 16 barg.

키워드

과제정보

본 연구는 중소벤처기업부 규제자유특구현신사업육성(R&D) 사업 (바이오가스 기반 수소생산·활용 실증, P0020120) 연구비 지원으로 수행되었습니다.

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