In this study, to increase the methane content of biogas supplied from Nanji Water Regeneration Center and to purify impurities, a three-stage membrane purification process was designed and installed to demonstrate operation. The methane concentration of biomethane produced in the 2 Nm3/h purification process was set to three cases: 95%, 96.5%, and 98%, and the membrane area ratio of the membrane was 1:1, 1:2, 1:1:1, The optimum conditions for the membrane area of the separator were derived by changing to five of 1:2:1 and 1:2:2. 3 stage separation membrane process of 30 Nm3/h was installed to reflect the optimum condition of 2 Nm3/h, and biomethane production of 98% or more of methane concentration was demonstrated. As a result of the operation of the 2 Nm3/h refining device, the methane recovery rate at the 98% methane concentration was 95.6% when the membrane area ratio was 1:1 as the result of the two-stage operation of the separator, and the recovery rate of methane at 1:2 was increased to 96.8%. The methane recovery rate of the membrane three-stage operation was highest at 96.8% when the membrane area ratio was operated at 1:2:1. The carbon dioxide removal rate was 16.4 to 96.4% and the 2:2 to 95.7% film area ratio in the two-step process. In the three-step process, the film area ratio was 1:2:1 to 95.4%, and the two-step process showed higher results than the three-step process. In the 30 Nm3/h scale biogas purification demonstration operation, the methane concentration after purification was 98%, the recovery rate of methane was 97.1%, the removal rate of carbon dioxide was 95.7%, and hydrogen sulfide, the cause of corrosion, was not detected, and the membrane area ratio was 1:2:1 demonstration operation, biomethane production with a methane concentration of 98% or higher was possible.
A numerical analysis was performed for a separation of carbon dioxide and methane using 2-staged, membrane process where two polysulfone hollow fiber membrane modules were connected to provide both the methane concentration richer than 95% and the recovery higher than 90% using the recycled flows. The Compaq Visual Fortran 6.6 software was utilized for the numerical simulation. Both the methane concentration and the recovery % of methane could be successfully predicted as the function of the operating conditions. As the feed pressure, the methane concentration, and the flow rate increase, the methane concentration in a product is also found to increase and the recovery of methane is found to decrease.
화력발전이 많은 비중을 차지하는 전력생산 산업은 온실가스($CO_2$)의 최대 배출 원으로 알려져 있으며 증가하는 전력 수요 뿐 만 아니라 다가오는 기후변화협약에 대응하기 위하여 $CO_2$ 회수 및 공정 개선에 관한 연구가 많이 수행되고 있다. 특히 현재 연구되고 있는 전력분야의 대표적인 $CO_2$ 회수기술은 연소 후 포집(Post-combustion capture), 순산소 연소(Oxy-fuel combustion), 연소전 탈탄소화(Pre-combustion) 3가지로 구분된다. 이중 연소전 탈탄소화 기술은 석탄가스화복합발전(IGCC) 기술과 연계하여 $CO_2$를 회수할 수 있는 방법으로 가스화 된 석탄가스에 Water-Gas Shift 반응과, $CO_2$ 분리로 얻어진 탈 탄소 연료를 통해서 전력을 생산한다. 이 기술의 핵심은 생성된 $CO_2/H_2$ 복합가스로부터 $CO_2$를 분리하는 공정으로 차세대 회수 기술로는 Membrance Reactor, SOFC, Oxygen Ion Transfer Membrane(OTM), 그리고 가스 하이드레이트가 있다. 이중 가스 하이드레이트는 $CO_2$의 회수 뿐 만 아니라 처리 기술에도 적용 가능하지만 우리나라에는 이에 관한 기술이 전무한 형편이다. 본 연구에서는 가스 하이드레이트 형성원리를 이용하여 정온 정압 조건에서 $CO_2/H_2$ 하이드레이트를 제조하였으며 특히, 하이드레이트 형성 촉진제인 THF(Tetrahydrofuran)를 첨가하여 THF 농도에 따른 상평형 및 속도론 실험을 수행 하였다. 이러한 연구는 연소전 탄소화 기술에서의 $CO_2$ 회수 분리에 대한 핵심 연구임과 동시에 탄소배출권 규제에 실질적인 기여를 할 수 있을 것으로 사료된다.
Huge amount of $CH_4$ mixtures has been emitted from landfills and organic wastes via anaerobic digestion. The recovery of high purity $CH_4$ 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 $CO_2$ permeability of 3.4 barrer and $CO_2/CH_4$ 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 $CO_2$ permeance and 46 of $CO_2/CH_4$ selectivity at optimized preparation conditions: 9wt% acetone content, 10cm air-gap and 4wt% PDMS coating processes. With the PES hollow fiber membranes developed, mixed $CO_2/CH_4$ 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 $CH_4$ recovery of 58 wt% was observed at 10 atm feed pressure for the 50 vol% of $CO_2$ in $CO_2/CH_4$ mixture.
지구온난화 문제는 한국가의 문제가 아니라 인류의 문제로 대두되어 많은 이에대한 많은 연구가 이루어 지고 있다. 지구온난화의 주 대상물질인 화석연료로부터 연소시 발생하는 이산화탄소를 감축하기위한 많은 규제와 노력이 요구된다. CCS(Carbon Capture & Storage)란 화석연료로 부터 연소시 대기 중으로 배출되는 온실가스($CO_2$)를 포집하여 재생 또는 지중, 해양에 저장하는 기술로서 국가녹색성장 핵심기술중의 하나로 분류되며, $CO_2$ 회수방안, 저장, 처리관련 연구를 비롯하여 국내외 적으로 활발한 연구가 이루어 지고 있다. 또한 순산소 연소기술을 통한 $CO_2$ 회수, 처리기술은 연료의 산화제를 공기대신 순도 95% 이상의 고농도 산소를 이용하여 순산소연소를 하며, 이때 발생하는 배가스의 대부분은 $CO_2$와 수증기로 구성되어 있다. 발생된 배가스의 약 70~80%를 다시 연소실로 재순환시켜 연소기의 열적 특성에 적절한 연소가 가능하도록 최적화함과 동시에 배가스의 $CO_2$ 농도를 80% 이상으로 농축시켜 회수를 용이하게 하며, 동시에 공해물질은 NOx 발생량을 10ppM 이하로 줄일 수 있는 기술이다. 천연가스를 생산하는 LNG기지에서 연소에 의한 이산화탄소를 발생시키는 기기로는 수중연소식기화기(SMV ; Submerged Combustion Vaporizer)를 들 수 있다. SMV는 버너를 이용하여 $-162^{\circ}C$ LNG를 $10^{\circ}C$의 LN로 기화시키는 설비로서 특히 동절기에 작동시키며 $CO_2$를 배출시키는 연소기다. 본 연구에서는 수중연소식 SMV에 순산소 연소방식을 적용하여 천연가스와 산소를 연소시키므로서 발생되는 $CO_2$를 LNG냉열을 이용 액체화 시켜 회수하는 연구를 수행하고 있다. 내용중에 수중연 소식 SMV에 대한 순산소 연소기를 개발하는 연구를 수행하였으며, 실제 SMV의 1/10크기, 열량기준 1/900로 모형을 제작하여 실험하였다. 연소기 노즐 은 직경 0.6mm, 배가스가 수조내에서 48개의 노즐을 제작하였다. 실험결과 일정량 이상의 $CO_2$ EGR율이 일정 값 이상이 되면 화염의 길이가 공기/NG 화염 길이와 큰 차이가 없었으며 $CO_2$ EGR율이 100%이상에서는 $CO_2$ EGR율 증가에 따른 화염길이 변화는 크게 나타나지 않았다. CO 배출 농도는 공기/NG 연소의 경우보다 높게 나타났으며, ${\lambda}$가 1.4보다 높은 조건에서는 측정되지 않았다. NOx의 배출 농도는 약 1~8ppm으로 나타났다.
In order to develop a new separation technology, supercritical fluid extraction process was used to produce high purity pigments and fatty acids from seaweed (Undaria pinnatifida). Supercritical carbon dioxide was used as a solvent and ethanol as an entrainer. The sample was treated by a frozen drier and experiments were conducted with a semi-batch flow system at various operating conditions (pressure range, $10.3\~17.2$ MPa; temperature range, $30\~45^{\circ}C$: particle size, $500\~1,000{\mu}m$ extraction time, 60 min). Characteristics of the recovered pigment (chlorophyll a) and fatty acids were determined by UV-spectrophotometry and gas chromatography, respectively. The highest extraction efficiency for fatty acids and pigments was achieved at 12.4 MPa, $35^{\circ}C$, $500{\mu}m$of seaweed size.
Kim, Jee Sang;Kong, Chang In;Park, Bo Ryoung;Kim, Jeong-Hoon
Membrane Journal
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v.24
no.3
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pp.213-222
/
2014
In this study, 2-stage recirculation membrane process was developed for purification of high purity bio-methane for the vehicle fuel application. Pure gas permeation and mixture gas permeation test were done as a function of methane content and pressure in the feed using polysulfone membrane modules. 2-stage membrane plant was designed, constructed in a food waste treatment cite. Dehumidification, dry desulfurization, and desiloxane plants are installed for the removal of $H_2O$, $H_2S$ and siloxane in the biogas. Permeation test were done with the pre-treated methane mixture in terms of methane purity and recovery by adjusting the ratio of membrane area (1:1, 1:3, 2:2) in the first and second membrane modules in the plant. When membrane area of 2 stage increased to $3m^2$ from $1m^2$ at 1-stage membrane area of $1m^2$, the feed rate and $CH_4$ recovery at 95% methane purity were increased from 47.1% to 92.5% respectively. When the membrane area increased two-fold (1:1 to 2:2), $CH_4$ recovery increased from 47.1% to 88.3%. When the feed flow rate was increased, in 1:3 ratio, final purity of the methane is reduced, the methane recovery is increased. When operating pressure was increased, the feed rate was increased and recovery was slightly decreased. From this result, membrane area, feed pressure and feed rate could be the important factor to the performance of the membrane process.
Dissolved inorganic carbonates in ground water were quantitatively recovered by using gas evolution method. Gas evolution method was found to be less time-consuming, less susceptible to the contamination fromatmospheric $CO_2$ and little affected by the sulfate ions in comparison to the direct precipitation method. Extraction efficiency of nearly 99% could be achieved by gas evolution method in two hours using recirculated gas at a sweeping rate of 4 liter per minute. Samples for carbon isotope fractionation study were collected in three fractions with collection times. The evolution time for the first fraction was one hours, and then second and third fractions were collected at intervals of 30 minutes, respectively. A small portion of each fraction was analyzed to evaluate ${\delta}^{13}C$ values, which were measured to be -7.9‰, -3.0‰ and +0,4‰ for the each fraction. The result clearly indicated that gas evolution method generates isotopically lighter carbon at the beginning of the purging process and heavier isotopes at the end. However, this isotope fractionation effect could be neglected by the almost complete recovery of carbonates.
In this study, a hollow fiber support membrane was prepared by a non-solvent induced phase separation (NIPS) method using a polysulfone (PSf). The prepared hollow fiber support membrane was coated with PDMS and Pebax to prepare a hollow fiber composite membrane. The prepared composite membrane was measured for permeance and selectivity for pure CO2, H2, O2 and N2. Gas separation performance of the module having the highest selectivity (CO2/H2) among the prepared composite membrane modules was measured according to the change in stage cut using simulated gas. The composition of the simulated gas used at this time was 70% CO2 and 30% H2. In the 1 stage experiment, it was possible to obtain values of about 60% of H2 concentration and 12% of H2 recovery. In order to overcome the low H2 concentration and recovery, 2 stage serial test was performed, and through this, it was possible to achieve 70% H2 concentration and 70% recovery. Through this, it was possible to derive a separation process configuration for CO2/H2 separation.
To capture and recover carbon dioxide ($CO_2$), we impregnated honeycomb made of ceramic paper with $K_2CO_3$ and its absorption characteristics of $CO_2$ were investigated. The absorption amount of $CO_2$ on the honeycomb absorbent impregnated with $K_2CO_3$ was 13.8 wt% at a constant temperature ($70^{\circ}C$) and relative humidity (66%) condition. Because the absorption amount of $CO_2$ achieved almost the same loading ratio of $K_2CO_3$ (17.6 wt%), the absorption reaction of $CO_2$ by $K_2CO_3$ on the honeycomb absorbent seems to be going smoothly. In addition, $CO_2$ absorption breakthrough characteristics of the honeycomb absorbent were analyzed at the temperature range of $50{\sim}80^{\circ}C$, and the water vapor was fed to an absorption column before the feeding of $CO_2$ or simultaneously with $CO_2$. As a result, the absorption capacity of $CO_2$ was more enhanced using the water vapor supplying before $CO_2$ than that of simultaneous supplying. It was confirmed by temperature programmed desorption analysis that the $KHCO_3$ produced by the absorption reaction of $K_2CO_3$ and $CO_2$ is regenerated by the desorption of $CO_2$ at a temperature of about $128^{\circ}C$.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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