고분자에 의한 기체분리는 막의 기능층을 박막화하는 기술의 발달로 저항층을 극소화할 수 있게 되었고, 중공사막제조, 모듈제조기술의 발달로 단위용적당 투과면적을 극대화 할 수 있게되어 실용화단계에 와 있으나 널리 이용하기 위하여는 분리투과능이 획기적으로 개선된 고분자막 재료를 개발하여야 한다. 따라서 분리기능을 나타내는 고분자층을 기체가 투과하는 기구를 밝히고 고분자의 화학구조가 막형성 미세구조와 기체투과특성에 어떤 영향을 끼치는지 밝히는 것은 기체분리용 고분자막의 재료를 개발하는 데 중요하다고 생각한다.

99.9% 이상의 고순도 산소를 대량으로 생산하기 위하여는 주로 냉동 증류(cryogenic fractionation)가 사용된다[1]. 그러나 의료 분야를 비롯하여 소량의 산소를 필요로 하는 많은 분야에서 요구되는 산소의 순도는 40-90% 범위에 있다[2,3]. 이 정도 등급의 산소의 공급은 PSA(Pressure Swing Adsorption)과 MP(Membrane Permeation)의 공정에 의존하게 될 가능성이 크다[4,6]. 이는 이 공정들이 작은 규모의 생산에 적합할 뿐만 아니라 조업이 용이하고, 유지비가 적게 들며 장치의 재배치가 용이하기 때문이다.

막(Membrane)을 이용한 기체분리는 막층 네에서의 기체분자의 투과성의 차이를 이용하여 기체분리를 행하는 것으로 공기중 산소의 분리 (산소부화막 이라고도 한다), 수성가스중의 수소의 농축분리, 탄화수소가스중 이산화탄소의 분리, 그 외에 산업폐가스 (황화수소, 일산화탄소, 아황산가스 등)의 분리등이 있다. 이 중 산소부화막은 의료용 산소공급장치나 산업용 용광로의 연소효율 증진에 효과적으로 이용될 수 있으며 산업폐가스이 분리공정은 환경공학적 측면에서 활용이 가능하다.

정밀화학공업에서 고부가 제품을 생산하기 위해 다양한 정제공정을 사용하고 있다. 특히 염료, 안료 제조공정에서 사용되는 다량의 염을 정제공정에서 효과적으로 분리시키는 것은 중요하다. Diafiltration을 이용한 탈염공정에는 주로 UF막이 분자량이 큰 물질의 탈염에 사용되었다. 그러나 NF막의 개발에 따라 분자량이 작은 의약품, 염료등의 정체에 분리막을 이용한 Diafiltration이 적극 사용되고 있다. 본 연구에서는 염료 중간체인 2-formylbenzene sulfonic acid, sodium salt(FBS)의 정체에 NF막의 적용가능성을 상업용 막을 이용하여 조사하였다.

환경에 대한 관심이 높아지는 가운데 용존무기염을 효과적으로 분리하기 위한 많은 기술이 연구되고 개발되었다. 이중 막분리를 이용한 무기염의 제거 방법(역삼투법)은 상변화를 수반하지 않는다는 점에서 많은 주목을 받아왔다. 최근들어서는 2가 이상의 염에 대한 선택적 분리 능력을 가지고 있고, 작동압력이 낮아 에너지 소모가 적은 나노여과법(Nanofiltration)이 폐수나 정수처리에 도입되고 있다. 본 연구는 이러한 나노여과법을 이용하여 무기 염을 제거하는 방법에 관한 것이다. 실험에 사용한 분리 막은 Filmtec사의 NF-40, NF-45 두 가지이고 사용한 모듈은 평탄형과 나관형의 두 가지이다. 대상이 되는 폐수는 소석회 처리 단계를 거친 산 폐수로 주로 $Ca^{2+},So_4^{2-}$등의 2가 이온과 Na, Cl등의 1가 이온으로 구성되어 있다. 여기서 $CaSO_4$는 스케일을 형성할 가능성이 크므로 1가 이온에 비해 제거할 필요성이 크지만, 비교적 용해도가 높고 과포화 되는 성질이 커서 처리에 어려움이 있다. 이러한 폐수를 나노여과하였을 때 NF-45 평판평 막의 경우 농축 인자 2.6 부근에서, NF-40 나관평 막의 경우 농축 인자 3 부근에서 막 투과 유속의 급격한 감소가 관찰되었다. 이 때 용액 내 전도도와 용액 내 입자의 분포 변화를 종합하여, 평판형 모듈과 나관형 모듈의 막 오염 현상에 대한 메커니즘을 제시하였다.

한식간장은 콩을 주원료로 하여 콩속의 성분을 수용성단백질 및 아미노산으로 변화시켜만든 조미료로서, 콩으로 메주를 만든다음 20일 동안 배양해서 만든 종국(Seed)과 혼합후 발효시킴으로써 제조되며 발효공정을 통해 Total Nitrogen이 증가되게 된다. 이러한 한식간장은 탈지대두를 사용하는 양조간장과는 달리 메주를 쑤어서 만들기 때문에 탈지가 되지 않은 제조과정으로 인하여 여과 및 공정중 발생하는 잡물질의 제거가 어렵게 된다. 제조공정중 여과공정을 거치게 되는데 여과포를 사용한 압착공정으로 이루어지며 여과된 간장에는 발효에 사용된 균$\cdot$효모등이 $10^7$개/ml 수준으로 존재하여 저장안정성 및 품질보전을 위해 열처리 과정을 거치게 된다. 이 열처리가 끝난 간장은 방치$\cdot$냉각시켜 첨가제를 혼합한 후 포장된다. 냉각과정중 2차 침전물이 생성되기도 하며 멸균이 확실치 않거나 2차 오염등으로 인한 발효로 인해 $CO_2$ Gas가 발생하기도 하여 품질이 나빠지는 원인이 된다. 이러한 열살균방식은 에너지를 많이 소비하고 열살균시 간장성분으로 인한 Scale 형성등 문제점을 안고 있다. 또한 열살균을 통해 살균은 할 수 있지만 사균, 분해물질, 간장에 함유된 고약한 냄새를 풍기는 잡성분의 제거는 불가능하다.

효소는 생체내의 합성, 분해, 산화, 환원 등 복잡한 화학반응이 상온, 상압, 중성부근에서 효율적으로 진행되게 하는 단백질이 주성분인 유기촉매이다. 현재 알려져 있는 효소의 종류는 수백만종 이상으로 추정되며 그 중 100여종 이상은 순수한 결정상태이며 약 600종 정도는 어느 정도 순수하게 징제되고 있다. 이들 효소의 분자량은 Ribonuclease의 12,700에서 부터 L-Glutamate dehydrogenase나 Carboxylase의 1,000,000 이상으로 광범위하다.

세라믹 분림가은 세라믹 고유의 열적, 기계적 특성으로 인해 유기질막이 사용되어질 수 없는 작업환경에서도 사용가능하다는 장점이 있다. 기존의 세라믹 분리막 제조방법으로는 졸겔법등이 있는데, 최근들어 새롭게 주목받고 있는 것이 화학기상중착법 (chemical vapor deposition)에 의한 제조이다. CVD 법은 막의 두께를 비교적 정확하게 조절할 수 있고, 균일한 두께의 막을 제조할 수 있다는 장점이 있다.

The increasing environmental risks exert strong demands for the knowledge of environmentally significant compounds and the reduction of such compounds on the earth. The risk reduction can, in principle, be most effectively achieved by minimizing the formation of environmental pollutants, by-products in many cases, during processes in factories, power plants and other sources. This can be done by on-line, real time monitoring the formation of pollutants at the moment when they are formed, and thereby through the feed-back control of the process.

세라믹 막을 이용한 정밀여과 (microfiltration)나 한외여과(ultrafiltration)에 있어서 가장 중요한 점은 높은 선택적 투과성(permselectivity)을 유지하면서도 투과량(permeation flux)이 각각 500 ~ 1000 $l/m^2.hr$와 30 ~ 100 $l/m^2.hr$ 정도로 상당히 높아야 한다. 기체분리 공정에서도 마찬가지로 높은 투과성이 요구되기 때문에 이상과 같은 고투과량을 갖는 복층 세라믹막의 제조방법과 투과특성에 대한 연구를 수행하였다.

Tube-in-orifice형태의 spinneret을 제작하여, polyethersulfone을 재질로 하는 capillary membrane을 건습식방사공정을 통해 제조하였다. 기공형성계는 PVP를, 용매는 NMP/DCM을, 내부응고제는 물과 NMP의 혼합물을, 외부응고제는 냉각수를 사용하였다. 내부응고제의 NMP농도에 따른 막의 형태와 microstructure를 연구하였다. 내부응고제가 약한 응고력을 가질 때 macrovoid가 없고, 내부의 활성층이 치밀한 막을 얻을 수 있었다. PES-NMP/DCM-PVP조성(25-44/11-20)의 용액으로, 40% NMP수용액을 내부응고제로 사용하여, 막을 제조하고 이를 모듈화하여, 한외여과실험을 한 결과, MWCO 8,000인 모듈이 얻어졌으며, 이 모듈의 Flux는 1기압에서 $1.44 \times 10^{-5}m/sec$이었다.

시판되는 방향족 폴리아미드계 역삼투막은 우수한 투과특성과 염배제율을 보이고 있다. 하지만 이들 막들은 내염소서의 결핍으로 염소소독시 분해되는 성질이 있어 역삼투특성의 급격한 저하가 일어난다. 이로인해 원수 처리시 전처리 과정으로써 염소살균처리를 하고, RO모듈 입구의 직전에 환원제를 주입하여 잔류염소를 제거하게되므로 공정상의 유지관리가 용이하지 않게된다. 역삼투특성이 우수한 폴리아미드막의 내염소성을 향상시키기 위해 트리메조일클리드를 이요한 가교, 강직한 작용기의 도입 및 친수성기와 소수성기의 고밀도 집적등의 방법으로 개질 폴리아미드막을 제조하는 연구결과들이 보고되었다.

일반적으로 다공성 비대칭막은 상분리법에 의하여 제조하는데, 분리막을 구성하는 고분자를 적절한 용매에 녹인 제막용액을 일정한 두께로 casting하고 이를 비용매에 담가서 binodal/spinodal decomposition이 일어나도록 하여 제조한다. 이 방법으로 제조된 다공성 분리막의 성능은 표면층에 존재하는 pore의 크기와 그 분포 및 porosity에 의해 결정된다. 표면층의 pore size와 분포를 조절하기 위하여 그간 고분자 용액내의 고분자 농도조절, 첨가제의 사용, 비용매의 조성을 바꾸는 등의 여러가지 방법에 대한 연구가 진행되어 왔다. Casting된 고분자 용액을 비용매에 침잠시켜 다공성막을 형성시킬 경우 막의 표면과 비용매 사이의 계면에서 용매와 비용매의 교환이 일어난다. 용매-비용매 교환이 일어나면 제막된 고분자 용액이 열역학적으로 불안정해져 상분리가 일어난다. 이 때 용매-비용매의 교환이 매우 빠른 속도로 일어나 pore-size의 분포를 조절하기가 매우 어렵다.

산소와 질소는 공업적으로 공기를 분리하여 생산하는데, 이 분리공정에는 심냉법 (cryogenic distillation), PSA법 (pressure swing adsorption) 그리고 분리막법 등이 사용되고 있다. 현재는 위의 세가지 공정중에서 PSA법이 가장 널리 채택되고 있는 공정이다. 그런데, 고분자막을 이용하는 분리공정은 설비투자면에서 뿐만 아니라 에너지 절약측면에서 큰 이점을 갖고 있기 때문에 최근 들어 점차 주목 받고 있다 [1]. 그러나, 고분자막에서의 기체의 투과도와 선택도는 서로 상반적인 관계 (trade-off)에 있기 때문에 공기중의 산소와 질소의 분리를 위해서는 기존의 고분자들에 비해 투과도와 선택도가 동시에 개선된 새로운 막 소재의 개발이 절실하므로 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다 [2].

일반적으로 다공성막을 사이에 두고 막을 통한 물질전달이 일어날 때 물질전달 속도는 압력차 $\Delta P$, 유속 V, 농도차 $\Delta C$ 등의 함수로 알려져 있다. 따라서 이들 여러 변수들 중에서 어느 한가지 변수만을 독립시키고 다른 변수들을 일정하게 고정시키면, 그 특정 변수가 물질전달 속도 J에 미치는 영향을 관찰할 수 있게 된다. 본 실험에서도 물과 에탄올 양쪽상의 유입 농도를 일정하게 유지시킴으로써 그 영향을 배재하고 유속과 압력차를 각각 독립시켜 그 영향을 살펴보았다.

기체분리막의 성능을 평가하기 위한 Manometric method의 몇가지 투과측정장치 중, High-Vacuum technique는 기체 투과계수, 확산계수 및 용해도계수의 정확한 값을 얻는데 가장 유용한 장치이다. 그러나 이 장치는 비용이 비싸고, 조작법이 복잡하며, 투과실험시 계 내의 투과측의 농도를 분석할 수 없고, 측정시간이 많이 걸리는 단점이 있다. 따라서 보다 간단하고 일반적인 측정장치는 막내 기체 확산계수의 측정에는 정확도가 떨어지지만, Low-Vacuum Technique 측정장치가 더 많이 사용되고 있다. Volumetric method는 조작법이 간단하며, 계 내의 농도분석이 가능하고, 측정시간이 빠르며, 비용이 적게 드는 장점이 있다. 일반적으로 Volumetric 투과특정장치로 투과계수는 얻었지만, 확산계수에 대해서는 극소수의 연구자들만이 언급하고 있다. 이는 실험하는 방법의 어려움과 기체의 막내 농도분포에 대해 수학적으로 적합한 모델의 해를 얻지 못한데 있다. 최근데 Lee 등은 Volumetric method을 이용한 확산계수의 평가에 대해 연구하여 신뢰성 있는 결과를 보여주었다. 따라서 본 실험은 Volumetric method를 이용하여 막내 기체 확산계수의 측정을 위해 온도, 압력및 분자직경에 따라 Standing time의 예측에 대해 검토하였다.

분리막을 이용한 기체의 분리는 각 기체의 막에 대한 투과도 차이에 의해 분리하는 방법으로 에너지 소비가 적고, 열 안정성이 약한 물질을 저온에서 분리할 수 있는 장점, 좁은 공간에서도 이용할 수 있다는 점 등으로 미루어 볼때 기존 공정에 대한 새로운 경쟁자로서 그 가능성이 한층 커지고 있다. 분리막의 특성은 투과도(Permeability)와 선택투과도(Permselectivity)에 의해 결정되고 이 두가지 특성을 모두 높이기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 연구방향은 (1) 새로운 고분자의 합성 및 고분자의 개질 (2) 복합재료의 개잘 (3) 액정 (4) 촉진수송법 등으로 나눠질수 있다. 이 중 촉진수송(Facilitated Transport)이란 특정한 기체와 가역적 친화력 또는 흡착력을 갖는 운반체(ㅊㅁㄱ\ulcornerㄱ)를 액체나 고체막에 분산시켜 원하는 특정 기체만을 선택적으로 수용하는 것을 말한다.

상호 불용성인 용매에 녹아있는 반응물들 간의 반응은 각 물질이 상 경계면을 뛰어 넘기가 어려워 매우 느린 속도로 진행된다. 그러나 상호 불용성인 비균질계에 상이동 촉매라는 제 3의 물질을 첨가하면 반응은 급격히 향상된다[1, 2]. 따라서 본 연구에서는 클로로벤젠 상의 브로모 옥탄이 TBABr(Tetra Butyl Ammonium Bromide) 이온 촉매의 존재 하에 수용액상의 요오드 이온과 반응하는 평판형 막반응기를 대상으로 수치모사를 수행하여 그 결과를 Stanley와 Quinn[3]의 실험값 및 수치모사치와 비교하였으며, 막 반응기의 모듈 선택, 설계 및 운영, scale-up시 고려되어야 할 사항들을 탐색연구하여 보았다.

High permeability, selectivity and stability are the basic properties also required for membrane gas separations. The $CO_2$ separation by liquid membranes has been developed as a new technique to improve the permeability and selectivity of polymeric membranes. Sirkar et al.(1) have atlempted the hollow-fiber contained liquid membrane technique under four different operational modes, and permeation models have been proposed for all modes. Compared to a conventional liquid membrane, the diffusional resistance decreased by the work of Teramoto et al.(2), who referred to a moving liquid membrane. Recently, Shelekhin and Beckman (3) considered the possibility of combining absorption and membrane separation processes in one integrated system called a membrane absorber. Their analysis could be predicted effectively the performance of flat sheet membrane, however, there are restrictions for considering a flow effect. The gas absorption rate is determined by both an interfacial area and a mass transfer coefficient. It can be easily understood that although the mass transfer coefficients in hollow fiber modules are smaller than in conventional contactors, the substantial increase of the interfacial area can result in a more efficient absorber (4). In order to predict a performance in the general system of hollow-fiber membrane absorber, a gas-liquid mass transfor should be investigated inevitably. The influence of liquid velocity on both a mass transfer and a performance will be described, and then compared with experimental results. A present study is attempted to provide the fundamentals for understanding aspects of promising a hollow-fiber membrane absorber.

Polyimide는 열, 화학적으로 안정하고 기계적성질이 우수하고, 기체분리특성이 비교적 좋다. Polyimide의 화학구조와 기체투과도와의 관계는 화학구조를 체계적으로 변화시키면서 많이 검토되어왔다.[1-2] Polyimide는 강직한 직쇄구조, bulky group에 의한 분자쇄운동성을 제어함과 동시, 약한 분자간 상호작용이 polymer chain의 유효층진을 억제하여 기체투과도를 높여준다. 국부분절운동(local segmental mobility)이 감소된 구조는 기체투과선택도를 향상시켜주는 경향을 보여주었다. [3] kim et al. 과 Stern et al은 6FDA나 fluorine-containing diamines으로 만든 polyimde가 매우높은 투과도를 보여준다고 보고했다. 본 연구에서는 6FDA-2, 4TDA hobopolymer에 BAAF를 가하여 copolyimide Membrane을 제막하여 BAAF 조성에 따라 투과선택도를 측정하는 homopolymer와 copolymer에 따른 변화를 관찰하였다.

There has been many attempts to improve the membrane performance using pervaporation processes[l-3]. They are 1) blending polymer with the high flux and one with high selectivity, 2) an incorporation of functional groups interacting with permeants into a membrane through copolymerization or modification, 3) composite membrane or asymmetric membrane structure with a thin skin layer which acts as a selective layer. Among them, a polymeric membrane containing ion complex group receives an extensive attention recently because ionic complex is known to activate the water transport through ion-dipole interaction. It is especially advantageous in the separation of organic-water system. We applied the ideas of the activation of water transport through ion-dipole. We have reported on the in-sire complex membrane to separate water from aqueous aceiic acid and pyridme solution[4-5] based on the simple acid-base theory. Water transport was enhanced through in-situ complex between pyridine moiety in the membrane and the incoming acetic acid in the feed. In this case, catalytic transport mechanism was proposed. In the present study we used pyridine solution as a feed and the sulfonic acid group in the membrane.

졸-겔 침지코팅 (dipcoating) 또는 가압 졸-겔 코팅 (pressurized coating) 법으로 제조한 $\gamma-Al_2O_3, SiO_2, TiO_2$ 및 aluminosilicate 복합막에 대하여 $CO_2$, He, $N_2$, 및 $O_2$ 기체 투과율과 $CO_2$ 분리계수를 측정하였다. 이들 막을 통한 모든 기체의 이동은 Knudsen 유동이 지배적이었으며 $CO_2/N_2$의 분리계수는 0.9 ~ 1.1 정도로 Knudsen 분리계수 ($CO_2/N_2$의 경우 0.8)보다 약간 높은 값을 보여주었다. $CO_2$ 분리계수를 향상시키기 위하여 silane coupling 및 산화물 도핑법에 의한 복합막의 표면개질을 시도하였으며 분리막의 재질 및 표면개질 조건에 따른 $CO_2/N_2$ 분리계수 변화를 측정 비교하였다. Silane coupling에 의한 표면개질이 $CO_2$의 표면 친화성 (affinity)에 의한 표면확산속도를 증가시키기 때문에 $CO_2$ 분리에 있어서 산화물 도핑에 의한 표면개질보다 더욱 효과적이었다.

슬립캐스팅법으로 제조한 튜브형 $\alpha$-알루미나 담체 (평균기공크기 = $0.1 \mum$)에 졸-겔 침지코팅(dipcoating) 또는 가압코팅 (pressurized coating) 법에 의하여 극미세입자 $\gamma$-AlOOH, $TiO_2, SiO_2$, 및 aluminosilicate diphasic 졸을 코팅한 후 300 ~ 500$\circ$C 에서 열처리하여 세라믹 복합막을 제조하였다. 복합막 전체에 대한 균열유무는 $N_2$ 기체투과율의 평균압력에 대한 의존성으로부터 평가하였으며, 한외여과 (ultrafiltration)에의 응용성을 규명하기 위하여 막의 재질 및 제조조건에 따른 polyethylene glycol (PEG) 수용액의 분획분자량 변화를 측정하였다. 합성 세라믹 복합막의 분획분자량 측정 결과 $SiO_2$의 경우 2,000 정도로 매우 우수하였으며 $\gamma-Al_2O_3, TiO_2$, 그리고 aluminosilcate 막들은 6,000 ~ 10,000 범위 값을 갖고 있었다. 또한 막의 기공크기 및 분획분자량을 제어하기 위한 방법으로서 $TiO_2$ 복합막을 300 ~ 700$\circ$C 에서 열처리하였으며 이들에 대한 분획분자량 변화를 비교 분석하였다.

도금공업은 주로 금속, 플라스틱 등을 소재로 하는 각종 제품의 표면을 전기적 또는 화학적 방법에 따라 석출된 비철금속질로 피복가공하여 제품의 내식, 장식적 효과 내마모성, 전기특성, 광택성, 열특성등 많은 기능을 부가하는 것을 의미한다. 이러한 도금산업은 각종 유해한 화학물질을 취급하는 관계로 도금폐수도 역시 많은 유독한 화학약품이 포함되어 있어 엄격한 규제가 요구되고 있다. 현재의 도금폐수처리는 대부분 위탁업자에 의해 이루어 지고 있으며, 위탁업자는 웅집침전법에 의한 슬러지화(함수율 80% 이하) 하여 매립되고 있는 실정이다. 이 매립물은 침출수를 방출하여 환경에 새로운 문제를 야기시키고 있다. 이러한 도금폐수 중 유가금속(Zn, Cr, Ni, Cu등)을 membrane을 이용하여 회수하고, 생성되는 물을 도금공정에 다시 투입하므로서 공해가 없는 무공해공정을 설계하는 기초자료를 얻는데 본 연구의 목적이 있다. 본 실험에서는 유가금속 중 Cr을 회수하기 위하여 Cr도금 모델폐수를 이용하여 Cr의 농도, 압력, pH등을 변화시키면서 membrane과 Cr의 상관성을 살펴보았다.

In order to prepare polyion complex membranes useful for the separation of water-alcohol by pervaporation, k-carrageenan containing artionic sulfate groups in the backbone and good hydrophilicity was selected for the polyanion membrane material and poly{1,3-bis[4-butyl pyridinium] propane. bromide}, one of the polycations synthesized in our lab and containing cationic pyridinium groups., was used. The polyion complex membranes were prepared by the ion complex formation between kcarrageenan films and poly{1,3-bis[4-butyl pyridinium] propane. bromide}. On the formation process of polyion complex membranes, the way of potyion complex formation was carefully studied. In order to study the effect of the morphology on the permeation properties of the polyion complex membranes, which is one of the important factors affecting on the permeation properties of membranes but rarely studied, the microstructure behaviors of the polyion complex mem6ranes in methanol-water mixtures with different compositions Were also studied with x-ray diffractometry and polarizing microscopy.