투과특성의 on-line 측정을 위한 투과장치

염충균,김범식,김철웅,김광주,이정민 한국막학회 1998 멤브레인 Vol.8 No.2

비다공성막을 통한 투과성분의 투과속도와 투과 조성을 on-line방식으로 측정할수 있는 장치를 개발하였다. 가교폴리비닐알콜막을 통한 물의 투과증발실험을 행하여 이 장치의 효용성을 확인하였다. 투과증발실험에서 투과가 정상상태에 도달하는데 15분미만의 시간이 걸렸으며 측정을 20분이내에 마칠 수가 있었다. 또한 측정된 투과속도 정확성과 신뢰도를 확인하기 위해서 종래의 방법대로 액체질소에 의해 투과물을 일정시간 응축시켜 투과속도를 동시에 측정하여 이를 장치의 record에 표시된 투과속도와 비교한 결과 그 오차가 pm2% 이내로 일치하였다. 측정된 시간에 따른 투과속도 곡선으로 부터 3가지 종류의 확산계수 Dslope, D1/2, Dt를 구하였고 이들이 문헌치와 비교한 결과 비교적 일치함을 보였다. 또한 on-line 방식으로 모든 측정이 이루어지므로 종래 방법, 즉 투과물 응축, 가열, 무게측정과정 등에서 발생할 수 있는 실험오차를 줄일수 있기 때문에 정확한 투과특성을 얻을 수가 있다. 본 연구에서 개발한 투과 장치를 사용하여 액체상태의 feed 투과를 효과적으로 분석할 수 있음을 확인하였다. A permeation apparatus has been devdoped which could make the on-line measurements of both flux and permeate composition. Pervaporative experiment of a single component, i.e. water was performed by using poly(vinyl alcohol) membrane crosslinked with glutaraldehyde to confirm the validity of the apparatus. In the experiment, steady-state permeation was obtained in 15 minutes and the measurement could be completed within 20 minutes. A comparison of the on-line measurement was made with the fluxes measured simultaneously by the conventional method in which the permeates were collected by liquid nitrogen. The on-line measurement by the apparatus showed an excellent agreement with the conventional measurement within a difference of pm2%. From the flux data with operating time, 3 kinds of diffusion coefficients of water Dslope, D1/2, and Dt were determined, which were also coincident with values in a literature. It was confirmed that accurate measurements of fluxes could be obtained from the apparatus.

연속흐름방식에 의한 기체투과특성 측정 및 분석

염충균,이정민,홍영택,김성철 한국막학회 1999 멤브레인 Vol.9 No.3

비다공성막을 통한 기체 투광성분의 투과 transient와 투과 조성을 on-line 방식으로 측정할 수 있는 기체 투과장치를 개발하였다. 측정은 연속흐름방식으로 이루어지며 측정한 투과 transien로부터 여러 가지의 투과특성, 즉, 투과계수, 확산계수, 용해계수 등을 동시에 평가할 수 있다. 잘 알려진 유리상 고분자인 두 가지 폴리이드막과 고무상의 고분자인 실리콘막을 선택하여 여러 가지의 기체투과 특성들을 측정하여 문헌치와 비교함으로써 투과장치 및 측정방법에 대한 신뢰성, 정확성을 확인하였다. 또한 측정한 투과 transient를 분석함으로써 막을 통한 기체 투과거동을 좀더 자세하게 다양하게 분석할 수가 있다. A novel permeation apparatus was developed which could make the on-line measurements of both flux transient and permeate composition in gas permeation. The measurement by using the permeation apparatus was based on the continuous-flow technique. The transient measurement allowed the simultaneous determinations of permeation characteristics, such as, permeability, diffusion and solubility coefficients, and activation energies only with one experiment. The apparatus performance was illustrated by conducting the permeation of pure gases through two glassy polyimides and a rubbery poly (dimethylsiloxane) membranes, respectively. A comparison of the permeation characteristics determined from the flux transients was made with the literature values for verifying the confidence and accuracy of the measurement. Also, the analysis of the permeation transients obtained was carried out for the close investigation of the permeation behaviors of gases through membrane.

Mesoporous 막 제조를 위한 급냉법에 의한 역 열유도상전이공정

염충균,김지원,박희영,박성은,이기윤,이규호,Yeom, Choongkyun,Kim, Jiwon,Park, Heeyoung,Park, Seong Eun,Lee, Kee Yoon,Lee, Kew-Ho 한국막학회 2021 멤브레인 Vol.31 No.1

급냉법에 의한 역 열유도상전이(RTIPS) 공정을 사용하여 mesoporous polystyrene (PS), polyethersulfone (PES) 막을 제조하였다. 급냉법에 의한 RTIPS 공정은 급냉 및 승온 시 도포 용액 내 용매 분자들의 결정 생성 및 성장을 통해 나노 규모의 상전이를 야기시켜 mesoporous 기공들을 형성된다. 시차주사열량계(TA: DSC) 사용해 측정된 사용 용매 dimethylformamide (DMF)와 여러 고분자 함량의 고분자용액들에 대한 엔탈피 변화와 주사현미경(SEM)을 사용하여 측정한 고분자함량에 따른 제조된 막 구조, 그리고 비표면적 분석기(BET) 사용하여 측정한 고분자 함량에 따라 제조된 막의 기공크기분포 및 표준편차 분석을 통해 RTIPS 공정 시 상전이 거동을 살펴보았다 Mesoporous polystyrene (PS) and polyethersulfone (PES) membranes have been fabricated by reverse-thermally induced phase separation (RTIPS) process, using flash freezing. The mesoporous pores can be created by the nano-scaled phase separation induced by the formation and growth of solvent crystals in the dope solution in RTIPS process. RTIPS process has been characterized through analysis on the enthalpy change in the solvent of the dope solution, the morphology of the membrane fabricated with different polymer content, and the pore size distribution and its standard deviation of pore size of the membrane with polymer content via DSC, SEM, and BET, respectively. It is found that the kinetic aspect of the dope solution, i.e., the crystallization of solvent is a crucial factor to determine the structure of membrane fabricated in RTIPS rather than the thermodynamic aspect of the dope solution.

이산화탄소 분리를 위한 흡착투과막 및 공정 개발

염충균,안효성,강경록,김주열,한진수,권건오 한국막학회 2013 멤브레인 Vol.23 No.6

이산화탄소의 효과적인 분리 및 포집을 위해서 등방성 다공성 구조의 폴리프로필렌(pp) 격자의 내부에 제올라이트 입자들이 표면 덮임 없이 균일하게 분포되어 있는 흡착투과중공사막(APM: adsorptive permeation hollow fiber membrane)을 개발하였다. 본 연구에서는 이산화탄소/질소 혼합물을 모사 기체혼합물로 사용하였는데, 공급되는 기체혼합물 모두가 APM을 투과하면서 이산화탄소는 APM 내 분포되어 있는 흡착제에 흡착되고 질소는 투과하여 배출된다. APM이 장착된 모듈을 제조하여 이에 대한 흡착투과실험을 수행하여 흡착투과 성능을 분석하였고 또한 포화 흡착된 APM을 진공압에서 탈착재생하여 그 결과를 재생효율과 에너지소모 관점에서 고찰하였다. Adsorptive permeation hollow fiber membrane (APM) has been developed for effectively separating CO2 from gas mixture. Inside the APM, zeolite 13X particles were uniformly dispersed without covering their surfaces by a symmetric porous structure of polypropylene lattice. In this study, CO2/N2 mixture was used as a simulated gas mixture. Separation was achieved by adsorbing CO2 on the zeolite particles in the APM and then permeating N2 into permeate side in passing all the feed gas through the APM. Adsorptive permeation tests were carried out with a set of APM modules, and the adsorptive permeation performances of the modules were analyzed from the test results. After saturation of the adsorbent with CO2, the APM was regenerated by desorption of CO2 from it through vacuuming both inside of outside of the APM hollow fiber, and the regeneration process of the APM by vacuuming was discussed in terms of regeneration efficiency and energy consumption.

고온 고압용 상업적 규모의 중공사 투과증발 막시스템 개발

염충균,강경록,김주열,안효성,권건오 한국막학회 2013 멤브레인 Vol.23 No.4

본 연구에서는 고온에서 유기용매를 정제할 수 있는 고온, 고압에서 안정한 상업화 규모의 고효율 중공사 투과증발 막, 막모듈 개발, 상업 규모의 막분리 장치시스템 개발을 수행하였는데 구성 요소기술은 1) 고온 고압 하에서 사용할 수 있는 브레이드 강화 중공사 막제조, 2) 중공사 막모듈 제조, 3) 막 탈수, 정제장치 시스템 설계 및 제작기술등을 개발하였다. 개발 중 공사 투과증발막은 독일의 슐츠막 보다 막 안정성과 막 성능이 우수하였으며, 막면적 4.6 m 2의 고효율 상업적 규모의 중공사 막모듈을 개발하였고, 200 L/hr 이상의 처리용량의 Pilot 규모의 투과증발 막장치 시스템을 개발하였다. 기존 평막 혹은 중공사 막에서 모듈에서 볼 수 있었던 모듈내부에 공급액의 dead volume형성, 공급액의 채널링 현상들을 제거하기 위해서 본 개발 중 공사막과 막모듈의 특징은 고온, 고압의 유기용매를 중공사막 내부로 공급되어 흐르도록 설계되어 있어 막분리 효율이 우수하 며 특히 기존의 막제품의 대비 막모듈 가격이 저렴하고, 막성능 및 치수안정성이 우수하다. 또한 공급액의 열손실 적어 에너지 효율이 우수할 뿐 아니라 막모듈 내에 중공사막 사이의 간격이 일정하여 가해주는 진공이 균일하게 각 중공사막의 투과부 표 면에 전달될 수 있기 때문에 투과된 투과물을 막 표면으로부터 효과적으로 제거할 수 있으므로 투과속도 또한 우수하다. The main purpose of this study is to develop a commercial scale of pervaporative process equipped with hollow fiber membrane modules, being able to effectually purify organic solvent at high temperature well over its boiling point under high vapor pressure. Three constituent technologies have been developed; 1) to fabricate braid-reinforced hollow fiber membrane stable in high pressure and high temperature application, 2) to design and fabricate a commercial scale of hollow fiber membrane module, and 3) to design and fabricate a pilot scale of pervaporation equipment system. The developed hollow fiber membrane possesses a membrane performance superior to the membrane of Sulzer (Germany) which is the most-well known for pervaporation process, and the membrane module equips hollow fiber membranes of 4.6 m 2 and the pervaporation system can treat organic liquid at 200 L/h, which is based on the dehydration of 95 wt% isopropyl alcohol (IPA). Since the membrane module is designed to flow in and pass through the inside of individual hollow fiber membrane, not to involve both the formation of feed’s dead volume observed in flat-sheet membrane module and the channeling of feed occurring inside hollow fiber bundle which lower membrane performance seriously, it showed excellent separation efficiency. In particular, the module is inexpensive and has less heat loss into its surrounding, in compared with flat-sheet membrane module. In addition, permeant can be removed effectively from the outer surface of hollow fiber membrane because the applied vacuum is conveyed uniformly through space between fibers into respective fiber, even into one in the middle of the hollow fiber bundle in which the space between fibers is uniform in distance. Since the hollow fiber membrane pervaporation system is the first one ever developed in the world, our own unique proprietary technology can be secured, preoccupying technical superiority in export competitive challenges.

Study on the Effect of Membrane Module Configuration on Pervaporative Performance through Model Simulation

염충균,윤석복,박유인,Yeom, Choong-Kyun,Yoon, Seok-Bok,Park, You-In The Membrane Society of Korea 2008 멤브레인 Vol.18 No.4

This study was focused on the investigation of the effects of membrane module configuration and the temperature of feed retentate flowing along with module length on membrane performance through model simulation. A simulation model of pervaporative dehydration through membrane module assemble in which a number of unit modules are connected in parallel or in series has been established. In this study, ethanol/water mixture was used as model mixture. Some of permeation parameters in the model were quantified directly from the real dehydration pervaporation of ethanol through a lab-made membrane. By adopting the coefficients determined empirically the simulation model could be of more practical value. The simulation of pervaporation with two basic module configurations, that is, parallel connection and series connection, could present the importance of process parameters such as feed rate, module connection mode, number of stages, and inter-stage heating. 본 연구는 공정모사를 통해서 막모듈 배열 및 연결과 막모듈 내에서 공급 잔류액의 온도 변화가 투과증발 공정에 끼치는 영향을 관찰하였으며 이를 위해서 기본 막모듈이 직렬 혹은 병렬로 연결되어 있는 모듈들의 조합을 통한 투과탈수공정을 예측할 수 있는 모델식들을 확립하였다. 에탄올/물 혼합물을 모델 혼합물로 사용하였고 모델식들에 포함되어 있는 투과 파라메타들을 직접 실험에 의해 구하여 사용함으로써 모사의 현실성을 높였다. 모사를 통해서 모듈의 배열방식, 모듈 단의 갯수와 단사이의 공급액의 재가열등의 중요성을 검토하였다.

이온성 막을 이용한 역삼투압 막 분리 공정에서 전해질 수용액의 투과분리 특성연구

염충균,최정환,이정민,서동수 한국막학회 2001 멤브레인 Vol.11 No.1

이온성 고분자에 비이온성 고분자를 섞어 이온 함량을 조절함으로써 다양한 전하량을 갖는 이온성 막을 제조하였다. 비이온성 고분자로는 폴리비닐알콜, 음이온성 고분자로는 알긴산 나트륨, 양이온성 고분자로는 키토산을 사용하였으며, 이들 이온성 고분자막을 사용하여 여러 전해질 수용액에 대한 투과 및 분리특성을 관찰하였다. 막 내부에 이온성 고분자 함량이 많을수록 친수성 특성을 보였으며, 순수투과 및 용액투과 속도가 증가함을 관찰할 수 있었고, 또한 투과속도는 막의 팽윤 거동에 의해 결정됨을 확인할 수 있었다. 용질 배제율의 경우는 막과 투과용질간의 정전기적 인력, 즉 Donnan exclusion에 의해 결정이 되며, 정전기적 인력이 비슷한 경우는 분자체 효과에 의해 분리됨이 관찰되었다. Various charged homogeneous membranes were fabricated by blending of ionic polymer with a non-ionic polymer with different ratios. In this study. sodium alginate, chitosan and poly(vinyl alcohol) were employed as anionic. cationic and non-ionic polymers, respectively. The permcation and separation behaviors of aquCOll::; salt solutions have been investigated through the charged membranes. As the content of ionic polymer increases in the membrane, the hydrophilicity of the membrane increases and pure water flux as well as solution flux increases correspondingly, indicating that the permeation performance through the membrane is cletemunecl mainly by its hydrophilicity-, Electrostatic interaction between the charged membrane and ionic solute molecules, that is. Donnan exclusion was observed to be attributed to salt rejection to a great deal of extent, and molecular sieve mechanism was effective [or the separation of the salt solution under a similar electrostatic circumstance of solutes.

VOCs/질소 혼합물 증기투과시 공급액부 경계층에서의 농도분극 분석을 위한 모델식 확립

염충균,이상학,최정환,이정민 한국막학회 2001 멤브레인 Vol.11 No.2

실리콘(PDM)막을 통한 휘발성유기화합물(VOCs)과 질소 혼합물의 증기투과시 공급부 경계층에서 발생하는 VOCs의 농도분극 현상을 정량적인 평가를 위하여 저항직렬연결의 개념을 바탕으로 한 수학적인 모델식을 확립하였다. feed속도를 변화시키면서 여러 VOCs 혼합물에 대한 증기투과를 시행하였는데 본 연구에 사용한 VOCs는 염소화 탄화수소계 중에서 응축도가 다른 methylene chloride, chloroform, 1,2-dichloroethane, 1,1,2-trichloroethane 등을 선정하여 사용하였다. 확립한 모델식에 각 혼합물의 투과 실험치들의 frtting 및 regression을 통하여 각 모델 파라메타들을 구하고 물질전달계수 및 농도분극탄성률 등을 결정하였다. 결정한 모델 파라메타를 분석한 결과 VOCs의 응축도가 클수록 경계층 저항이 현저함을 관찰할 수 있었으며 또한 모델링을 통해서 고 투과성 고 선택성막을 통한 증기투과에서 경계층저항의 중요성을 확인할 수 있었다. By using a phenomenological approach, model equations incorporating the resistance-in-series concept were established to evaluate quantitatively concentration polarization in the boundary layer in feed adjacent to the membrane surface in the vapor permeation and separation of volatile organic compounds (VOCS)/N2 mixture through poly(dimethylsiloxane) (PDMS) membrane. The vapor permeations of various VOCS/N2 mixtures through PDMS membrane were carried out at various feed flow rates. Chlorinated hydrocarbons, such as, methylene chloride, chlorofonn, 1,2-clichloroethane and 1,1,2-trichloroethane were used as organic vapor. By fitting the model equations to the experimental penneation data. the model parameters were detennined. respectively. Both the mass transfer coefficient of VOC across tbe boundary layer and concentration polarization modulus as a measure of the extent of concentration polarization were eitimated Quantitatively by the mooe1 equations with the determined model parameters. From the analysis on the detennined model parameters, the boundary layer resistance due to the concentration polarization of VOCs component was found to be more significant when the condensability of voe was greater. This study seeks to emphasize the importance of the boundary resistance on the vapor penneation of the vapor/gas mixtures with high permeability and high selectivity towards the minor component VOC.

저압용 역삼투압 중공사형막 제조시 코팅층의 결합력 향상을 위한 연구

염충균,최정환,이정민,이정빈 한국막학회 2001 멤브레인 Vol.11 No.2

본 연구에서 상업용 폴리설폰 한외여과 중공사막을 지지체로 사용하여 저압 정수용 역삼투압막 제조시 막표면에서 feed의 큰 전단응력에 견딜 수 있도록 도포층과 지지층의 결합력을 증가시키는 전처리 방법을 확립하였다. 확립한 전처리 공정에서 지지막과 친화력이 좋으면서 도포층을 이루는 반응물과 반응성이 있는 글루탈알데히드와 촉매역할을 하는 염산 혼합 수용액으로 지지막을 전처리하면 이들 글루탈알데히드는 지지막 표면 및 기공 벽에 균일하게 분포되어 이후 표면중합법에 의해 형성된 도포층을 이루는 일부 반응물과 화학적으로 결합 되어 지지체와 도포층간에 강한 결합력을 제공한다. 전처리공정 없이 제조한 중공사 역삼투압막은 투과 후 5시간 이내에 feed의 큰 전단응력에 의해 도포층의 분리 파괴가 일어났으나 본 연구에서 확립한 방법으로 전처리하여 제조한 중공사막은 장시간 사용에도 우수한 막성능이 지속되었다. A methodology for enhancing the bond strength of a coating layer with a support has been established in preparing low-pressure reverse osmosis mO) hollow fiber which would experience shear badly in flowing feed un it. Prior to coating process, the support membrane, ultrafiltratiun polysulfone(PS) hollow fibers was pretreated with a reaction solution containing glutaraldehyde (GAl which has a good affinity to the suppurt membrane material as well as a reactivity to some of the cunstituents of cuating layer subsequently formed on the support by interfacial polymerization. Therefore, the reactant GA distributed unifonnly over the support layer through the pretreatment could provide a strong adhesive bond between the coating layer and the support, sticking fast to the support membrane through physical bond and, at the same time, connecting its functional group with the coating laycr by chemical bonding. Due to the strong adhesive bond, the resulting hollow fiber membrane showed an excellent long-tcnn stability in pcnneation.

투과증발 막분리 공정에서 막하부의 공정조건의 중요성

염충균 한국막학회 1998 멤브레인 Vol.8 No.3

일반적으로 투과증발 막분리 공정에서 막상부 압력은 상압 부근에서 설정되며 막하부 압력은 투과성분의 포화증기압 보다 낮게 유지하므로써 막을 통한 물질 투과가 일어난다. 이중에 하부압력은 막공정의 추진력과 밀접한 관련이 있다. 즉, 막하부의 조건에 따라 막공정의 추진력이 결정되며 또한 막내부의 상구배가 달라진다. 그러므로 막하부의 공정조건은 막의 투과 분리특성을 결정하는 매우 중요한 제어대상이 된다. 많은 연구자들이 막하부 압력에 따른 투과속도 및 선택도 변화에 대한 연구를 진행해왔는데 이들 대부분은 막하부 압력을 투과공정의 추진력과 관련을 지어 투과 분리거동을 설명하였으며 1980년 후반 이후부터 유체역학 관점에서 막하부 압력이 투과특성에 끼치는 영향을 검토하기 시작하였다. 본 장에서는 막하부 압력이 막투과 분리 특성에 끼치는 영향에 대한 이해를 돕고자 발표된 연구 내용을 토대로 하여 투과증발 막분리 공정에서 막하부 압력의 중요성을 간략하게 정리해 보았다.