KR102464466B1 - 세라믹 중공사 접촉막 모듈을 가지는 기체 분리 장치 - Google Patents

세라믹 중공사 접촉막 모듈을 가지는 기체 분리 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일실시예의 세라믹 중공사 접촉막 모듈을 가지는 기체 분리 장치는 세라믹 중공사막과, 복수의 상기 세라믹 중공사막을 수용하며, 상측으로 통하는 상단홀, 하측으로 통하는 하단홀, 측면에 형성된 상부 포트와 하부 포트를 가지는 하우징을 포함하는 세라믹 중공사 접촉막 모듈(ceramic hollow fiber membrane contactor, HFMC); 상기 상단홀 및 상기 하단홀에 연결되며, 상측에서 하측으로 또는 하측에서 상측으로 상기 중공사막의 중공으로 흐를 대상 가스를 공급되는 제1 배관; 상기 상부 포트 및 상기 하부 포트에 연결되어 상기 하우징의 내면과 상기 중공사막 사이로 흐르며 상기 대상 가스로부터 일부 성분을 흡수하는 흡수제가 공급되는 제2 배관; 및 상기 대상 가스 및 상기 흡수제의 흐름 방향을 상하로 서로 반대가 되도록 제어하며, 상기 하우징에 상기 대상 가스 유입압력과 상기 흡수제의 유입압력 간의 압력차가 설정값에 도달하면, 상기 대상 가스 및 상기 흡수제의 상하 흐름 방향을 반대로 전환하는 제어부를 포함한다.

Description

세라믹 중공사 접촉막 모듈을 가지는 기체 분리 장치{GAS SEPARATION DEVICE HAVING CERAMIC HOLLOW FIBER MEMBRANE CONTACTOR}
본 발명은 세라믹 중공사 접촉막 모듈을 가지는 기체 분리 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기체 성분의 제거 효율이 향상된 세라믹 중공사 접촉막 모듈을 가지는 기체 분리 장치에 관한 것이다.
산업혁명 이래로 급속하게 진행된 산업화로 인해 지구 온난화의 속도는 점차 가속되고 있고, 최근 10년간의 온난화 속도는 약 두 배 수준까지 증가하였다. 기후 온난화는 여러 원인이 복합적으로 작용하여 가속화되었지만, 온실 가스의 증가와 화석 연료의 사용과 같은 인간의 활동이 주된 원인으로 꼽히고 있다. 세계적으로 온실가스 배출량은 매년 2 % 수준으로 증가하고 있으며, 매년 늘어나는 온실가스 배출량을 줄여 지구온난화에 대비하기 위해 국내뿐 아니라 전 세계적으로 대체 에너지 기술에 대한 관심이 부상하고 있는 실정이다.
지구온난화에 주된 영향을 미치는 6대 가스인 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 아산화질소(N2O), 수소불화탄소(HFC), 과불화탄소(PFCs), 육불화황(SF6) 중에서 이산화탄소는 전체의 55 %를 차지할 정도로 많은 부분을 차지하고 있으며, 또한 이산화탄소의 온난화 지수 보다 21배 정도 더 높은 메탄은 전체의 15 %를 차지하고 있다.
급속한 경제 발전과 도시 집중화 현상 등으로 인해 도시 폐기물의 배출량은 양적으로 뚜렷하게 증가하고 있다. 배출된 도시 폐기물의 처리방법은 크게 매립과 소각 방법이 있는데, 이 중 매립된 폐기물은 물리, 화학, 생물학적 분해 과정을 거쳐 최종적으로 매립지 가스(Landfill gas)를 배출한다. 매립지 가스의 주성분은 메탄과 이산화탄소로 이루어져 있으며, 두 성분은 매립지 가스의 98 %를 차지한다. 매립지 가스를 이용한 폐기물 자원화를 통해 온실가스 저감과 동시에 신재생 에너지 확보가 가능할 것으로 전망된다. 또한 매립지 가스의 주성분 중 하나인 CH4를 연료화 할 경우 기존 천연가스 인프라를 활용할 수 있기에, 타 신재생에너지에 비해 적용 가능성이 높다.
매립지 가스를 연료화 하기 위해선 고순도의 CH4를 분리하는 기술이 필요하다. 매립지 가스에 다량 포함된 CO2는 발열량을 감소시키고, 관의 부식을 야기할 수 있다. 따라서 매립지 가스로부터 에너지원을 확보함과 동시에 온실가스 감축 효과를 위해선 혼합 가스 내 CO2를 포집하는 기술이 필수적이다. CO2 포집 방법에는 흡수제를 이용한 공정, 분리막을 이용한 공정, 접촉막 공정 등 많은 방법이 있다. 그 중 흡수제 공정은 소수성의 다공성 분리막을 이용하여 기체와 액체가 접촉하는 기술이다. 다공성 분리막의 넓은 비표면적으로 인해 효율적으로 기체와 액체가 접촉하여 혼합기체로부터 용해도가 높은 가스를 선택적으로 흡수제에 흡수시켜 분리가 가능하다. 접촉막 공정은 흡수제 공정에 비해 비표면적이 높기에 장치 소형화에 유리하고, scale-up에 용이하다는 장점이 있다. 또한 낮은 설치비용과 운전비용 등의 장점이 있어 기존 CO2 포집 공정에 비해 경제적이다. 따라서 접촉막 공정은 매립지 가스 정제 기술에 유망할 것으로 전망된다.
그러나, 접촉막 공정의 효율성을 더욱 향상시킬 필요가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 특정 기체의 제거 효율이 향상된 세라믹 중공사 접촉막(HFMC) 모듈을 가지는 기체 분리 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 가스 유입압력과 흡수제 유입압력 간의 압력차에 따라 흐름의 방향을 제어하여, 이산화탄소 제거 효율이 향상된 세라믹 중공사 접촉막(HFMC) 모듈을 가지는 기체 분리 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 가스 유입압력과 흡수제 유입압력 간의 압력차의 증가에도 사용가능한 강도와 기공도를 가지는 세라믹 중공사막을 가져서, 이산화탄소 제거 효율이 향상된 세라믹 중공사 접촉막(HFMC) 모듈을 가지는 기체 분리 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 세라믹 중공사 접촉막(ceramic hollow fiber membrane contactor, HFMC) 모듈을 가지는 기체 분리 장치를 제공한다. 세라믹 중공사 접촉막 모듈을 가지는 기체 분리 장치는 세라믹 중공사막과, 복수의 상기 세라믹 중공사막을 수용하며, 상측으로 통하는 상단홀, 하측으로 통하는 하단홀, 측면에 형성된 상부 포트와 하부 포트를 가지는 하우징을 포함하는 세라믹 중공사 접촉막 모듈(ceramic hollow fiber membrane contactor, HFMC); 상기 상단홀 및 상기 하단홀에 연결되며, 상측에서 하측으로 또는 하측에서 상측으로 상기 중공사막의 중공으로 흐를 대상 가스를 공급되는 제1 배관; 상기 상부 포트 및 상기 하부 포트에 연결되어 상기 하우징의 내면과 상기 중공사막 사이로 흐르며 상기 대상 가스로부터 일부 성분을 흡수하는 흡수제가 공급되는 제2 배관; 및 상기 대상 가스 및 상기 흡수제의 흐름 방향을 상하로 서로 반대가 되도록 제어하며, 상기 하우징에 상기 대상 가스 유입압력과 상기 흡수제의 유입압력 간의 압력차가 설정값에 도달하면, 상기 대상 가스 및 상기 흡수제의 상하 흐름 방향을 반대로 전환하는 제어부를 포함한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 대상 가스의 유입을 위해 상기 상단홀 및 상기 하단홀 중 하나를 선택할 수 있도록 제어되는 가스 밸브; 상기 흡수제의 유입을 위해 상기 상부 포트 및 상기 하부 포트 중 하나를 선택할 수 있도록 제어되는 흡수제 밸브; 상기 압력차를 감지하는 압력센서; 및 상기 압력센서로부터 신호를 받고, 상기 가스 밸브 및 상기 흡수제 밸브를 동작시키는 회로부를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제어부는 상기 압력차가 상기 설정값 미만인 경우, 상기 대상 가스는 상기 상단홀로 유입되고 상기 하단홀로 유출되고, 상기 흡수제는 상기 하부 포트로 유입되고, 상기 상부 포트로 유출되도록 하는 제1 모드로 제어하고, 상기 제어부는 상기 압력차가 상기 설정값 이상인 경우, 상기 대상 가스는 상기 하단홀로 유입되고 상기 상단홀로 유출되고, 상기 흡수제는 상기 상부 포트로 유입되고, 상기 하부 포트로 유출되도록 하는 제2 모드로 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 대상 가스는 메탄 및 이산화탄소를 포함하는 혼합 가스이고, 상기 흡수제는 상기 세라믹 중공사막을 통해 이산화탄소를 흡수하며, 상기 압력차가 상기 설정값 미만인 경우, 상기 제1 모드가 상기 제2 모드보다 이산화탄소 제거 효율이 더 높고, 상기 압력차가 상기 설정값 이상인 경우, 상기 제2 모드가 상기 제1 모드보다 이산화탄소 제거 효율이 더 높을 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제2 모드의 이산화탄소 흡수율은 상기 제1 모드의 이산화탄소 흡수율보다 높을 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 세라믹 중공사막은 0.5 μm 크기 알루미나(alumina, α-Al2O3) 분말 30 wt%, 0.3 μm 크기 알루미나(alumina, α-Al2O3) 분말 30 wt%, 메틸피롤리돈(Methyl-2-pyrrolidone) 33.5 wt%, 폴리술폰(polyethersulfone; PESf)5.75 wt%, 폴리비닐피로리돈(Polyvinylpyrrolidone; PVP) 0.75 wt%를 혼합한 혼합재료를 교반하고, 탈포과정을 거치고, 중공사막 방사장치로 방사 및 건조공정 이후, 소결온도에서 소결하고 소수성 코팅 공정을 거쳐 형성되며, 상기 압력차의 변화를 견디는 강도와 기공의 수를 함께 확보하도록 상기 소결온도가 결정될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 세라믹 중공사막의 제조시 소결온도는 1445~1455도이고, 유효표면기공(effective surface porosity (m-1)은 6500 이상이고, 평균 기공 크기(um)는 0.23~0.26일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 혼합기체는 30 % CO2와 CH4 로 구성되고, 상기 흡수제는 모노에탄올아민(monoethanolamine, MEA)를 포함하며, CO2 흡수율이 40% 미만일때는 상기 제1 모드의 이산화탄소 제거 효율이 상기 제2 모드의 이산화탄소 제거 효율보다 높고, CO2 흡수율이 40% 이상일때는 상기 제2 모드의 이산화탄소 제거 효율이 상기 제1 모드의 이산화탄소 제거 효율보다 높을 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 특정 기체의 제거 효율이 향상된 세라믹 중공사 접촉막(HFMC) 모듈을 가지는 기체 분리 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 가스 유입압력과 흡수제 유입압력 간의 압력차가 설정값에 도달하면 흐름의 방향을 역전시키는 방식으로 제어하여, CH4/CO2 혼합가스에서 CO2 분리 효율이 향상된 세라믹 중공사 접촉막(HFMC) 모듈을 가지는 기체 분리 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 가스 유입압력과 흡수제 유입압력 간의 압력차의 증가에도 사용가능한 강도와 기공도를 가지는 세라믹 중공사막을 가져서, 이산화탄소 제거 효율이 향상된 세라믹 중공사 접촉막(HFMC) 모듈을 가지는 기체 분리 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 중공사 접촉막 모듈을 가지는 기체 분리 장치의 제1 모드 운전상태를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 중공사 접촉막 모듈을 가지는 기체 분리 장치의 제2 모드 운전상태를 나타내는 도면이다.
도 3은 중공사막 방사장치의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기체 분리 장치의 제1 모드 및 제2 모드의 운전조건을 나타내는 테이블이다.
도 5는 도 1에 도시된 기체 분리장치의 제1 모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 2에 도시된 기체 분리 장치의 제2 모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 소결온도에 따라 제작된 중공사막 단면의 SEM 이미지이다.
도 8은 도 7에 제시된 중공사막의 N2 기체투과테스트 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 9는 도 7및 도 8에서 설명된 중공사막 중 1350 ℃, 1450 ℃에서 소결한 중공사막의 기공 특성 평가를 나타내는 표이다.
도 10은 도 9에서 설명된 1450 ℃에서 소결한 중공사막 75개로 이루어진 HFMC를 사용하여 진행한 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 중공사 접촉막 모듈을 가지는 기체 분리 장치의 제1 모드 운전상태를 나타내는 도면이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 중공사 접촉막 모듈을 가지는 기체 분리 장치의 제2 모드 운전상태를 나타내는 도면이다.
본 실시예의 기체 분리 장치는 세라믹 중공사막(ceramic hollow fiber membrane)을 사용하여 산업시설의 공정 폐가스나, 매립지의 가스 중에서 이산화탄소와 같은 특정한 가스를 분리하는 장치로 적용될 수 있다.
기체 분리 장치는 세라믹 중공사 접촉막 모듈(10), 제1 배관(50), 제2 배관(60) 및 제어부(70)를 포함한다.
세라믹 중공사 접촉막 모듈(10)은 세라믹 중공사막(20)과 하우징(30)을 포함할 수 있다.
세라믹 중공사막(20)은 내부가 중공된 미세 관으로서, 세라믹 분말을 사용하여 제조될 수 있다. 이에 대해서는 더 후술된다.
하우징(30)은 복수의 세라믹 중공사막(20)을 수용하며, 원통 형상 내지 실린더 형상을 가지며, 상부 및 하부가 콘 형태로 형성될 수 있다. 하우징(30)은 상측으로 통하는 상단홀(31), 하측으로 통하는 하단홀(32), 측면에 형성된 상부 포트(35)와 하부 포트(36)를 가질 수 있다.
복수의 세라믹 중공사막(20)은 배플에 의해 하우징(30)의 내부에 고정될 수 있다. 배플에는 복수의 홀이 형성되고, 각 홀에는 각 세라믹 중공사막(20)이 관통될 수 있다.
하우징(30)의 상단홀(31) 또는 하단홀(32)로 대상 가스가 유입되고, 상부 포트(35) 또는 하부 포트(36)로 흡수제가 공급될 수 있다. 흡수제는 세라믹 중공사의 기공을 통해 이동되는 이산화탄소와 같은 특정한 가스를 흡수하는 액체일 수 있다.
제1 배관(50)은 하우징(30)의 상단홀(31) 및 하단홀(32)에 연결되며, 상측에서 하측으로 또는 하측에서 상측으로 중공사막의 중공으로 흐를 대상 가스를 공급할 수 있다. 제1 배관(50)은 하우징(30)의 상단홀(31) 및 하단홀(32)과 가스공급부(도 1에서 우상측 가스탱크 참조)를 연결할 수 있다. 또한, 제1 배관(50)은 하우징(30)의 상단홀(31) 및 하단홀(32)과 가스 분석부(Gas chromatography)를 연결할 수 있다.
제2 배관(60)은 상부 포트(35) 및 하부 포트(36)에 연결되어 하우징(30)의 내면과 중공사막 사이로 흐르며 대상 가스로부터 일부 성분을 흡수하는 흡수제가 공급될 수 있다. 제2 배관(60)은 흡수제 공급부(도 1의 우하측 absorbent 탱크 참조)와 하우징(30)의 상부 포트(35) 및 하부 포트(36)를 연결할 수 있다. 또한, 제2 배관(60)은 흡수제 회수부(도 1의 좌상측 absorbent reservoir 참조)와 하우징(30)의 상부 포트(35) 및 하부 포트(36)를 연결할 수 있다.
제어부(70)는 대상 가스 및 흡수제의 흐름 방향을 상하로 서로 반대가 되도록 제어할 수 있다. 제어부(70)는 하우징(30)에 대상 가스 유입압력과 흡수제의 유입압력 간의 압력차가 설정값에 도달하면, 가스 밸브 및 흡수제 밸브를 제어하여 대상 가스 및 흡수제의 상하 흐름 방향을 반대로 전환할 수 있다.
예를 들어, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 제어부(70)는 상측 가스 밸브(721,722), 하측 가스 밸브(711,712), 상측 흡수제 밸브(751,752), 하측 흡수제 밸브(761,762), 압력센서(도시되지 않음) 및 회로부(78)를 포함할 수 있다.
도 2에서 상측 가스 밸브(721,722)가 폐쇄된 상태이며, 도 1에서는 상측 가스 밸브(721,722)가 개방된 상태로서 상측 가스 밸브(721,722)의 도시가 생략되었다.
도 2에서 하측 흡수제 밸브(761,762)가 폐쇄된 상태이며, 도 1에서는 하측 흡수제 밸브(761,762)가 개방된 상태로서 하측 흡수제 밸브(761,762)의 도시가 생략되었다.
제어부(70)는 가스 밸브를 선택적으로 개폐하여 대상 가스의 유입을 위해 상단홀(31) 및 하단홀(32) 중 하나를 선택할 수 있다.
제어부(70)는 압력차가 설정값 미만인 경우, 대상 가스는 상단홀(31)로 유입되고 하단홀(32)로 유출되고, 흡수제는 하부 포트(36)로 유입되고, 상부 포트(35)로 유출되도록 하는 제1 모드로 제어할 수 있다.
또한, 제어부(70)는 압력차가 설정값 이상인 경우, 대상 가스는 하단홀(32)로 유입되고 상단홀(31)로 유출되고, 흡수제는 상부 포트(35)로 유입되고, 하부 포트(36)로 유출되도록 하는 제2 모드로 제어할 수 있다.
예를 들어, 도 1과 같은 제1 모드는 상측 가스 밸브(721,722)를 개방하고, 하측 가스 밸브(711,712)를 닫은 상태로서, 대상 가스가 하우징(30)의 상단홀(31)로 유입되고, 하단홀(32)로 유출될 수 있다.
도 2와 같은 제2 모드는 반대로 상측 가스 밸브(721,722)를 닫고, 하측 가스 밸브(711,712)를 개방한 상태로서, 대상 가스가 하우징(30)의 하단홀(32)로 유입되고, 상단홀(31)로 유출될 수 있다.
유사하게, 제어부(70)는 흡수제 밸브를 선택적으로 개폐하여, 흡수제의 유입을 위해 상부 포트(35) 및 하부 포트(36) 중 하나를 선택할 수 있다.
예를 들어, 도 1과 같은 제1 모드는 상측 흡수제 밸브(751,752)를 닫고, 하측 흡수제 밸브(761,762)를 개방한 상태로서, 흡수제가 하우징(30)의 하부 포트(36)로 유입되고, 상부 포트(35)로 유출될 수 있다.
도 2와 같은 제2 모드는 반대로 상측 흡수제 밸브(751,752)를 개방하고, 하측 흡수제 밸브(761,762)를 닫은 상태로서, 흡수제가 하우징(30)의 상부 포트(35)로 유입되고, 하부 포트(36)로 유출될 수 있다.
압력센서는 상단홀(31), 하단홀(32), 상부 포트(35) 및 하부 포트(36)의 압력을 측정할 수 있다. 또는, 가스 공급부나 흡수제 공급부의 공급압력을 측정할 수도 있다.
회로부(78)는 압력센서로부터 신호를 받고, 가스 밸브 및 흡수제 밸브를 동작시킬 수 있다. 도 1 및 도 2에서 도시의 편의상 회로부를 도시하였으며, 회로부는 가스 밸브, 흡수제 밸브, 압력센서 등과 유선 또는 무선으로 신호를 주고받을 수 있다.
일 예로, 대상 가스는 메탄 및 이산화탄소를 포함하는 혼합 가스이고, 흡수제는 세라믹 중공사막(20)을 통해 이산화탄소를 흡수할 수 있다.
대상 가스의 유입압력과 흡수제의 유입압력 간의 차이인 압력차가 설정값 미만인 경우, 제1 모드가 제2 모드보다 이산화탄소 제거 효율이 더 높고, 압력차가 설정값 이상인 경우, 제2 모드가 제1 모드보다 이산화탄소 제거 효율이 더 높을 수 있다. 즉, 제2 모드의 이산화탄소 흡수율은 제1 모드의 이산화탄소 흡수율보다 높을 수 있다.
따라서, 본 실시예의 기체 분리 장치에서, 제어부(70)는 압력차가 설정값 미만인 경우, 제1 모드로 운전하고, 압력차가 설정값 이상인 경우 제2 모드로 운전하여서, 전체적으로 기체 분리 효율을 향상시킨다.
여기서, 설정값은, 대상 가스와, 세라믹 중공사막(20)의 사양, 흡수제 등 장치의 요소들의 결정된 후, 실재 테스트에서 제1 모드와 제2 모드의 효율차이를 가져오는 분기점이 되는 압력차로 볼 수 있다. 이러한 압력차에 따라 효율 향상을 위해 대상 가스와 흡수제의 흐름 방향을 역전시켜서 운전하는 것이 전체적으로 이산화탄소 분리 효율향상에 큰 효과가 있음을 발견하고 본 발명을 하였다. 이에 대해서는 더 후술된다.
일 예로, 세라믹 중공사막(20)은 0.5 μm 크기 알루미나(alumina, α-Al2O3) 분말 30 wt%, 0.3 μm 크기 알루미나(alumina, α-Al2O3) 분말 30 wt%, 메틸피롤리돈(Methyl-2-pyrrolidone) 33.5 wt%, 폴리술폰(polyethersulfone; PESf)5.75 wt%, 폴리비닐피로리돈(Polyvinylpyrrolidone; PVP) 0.75 wt%를 혼합한 혼합재료를 교반하고, 탈포과정을 거치고, 중공사막 방사장치로 방사 및 건조공정 이후, 소결온도에서 소결하고 소수성 코팅 공정을 거쳐 형성될 수 있다. 압력차의 변화를 견디는 강도와 기공의 수를 함께 확보하도록 소결온도가 결정될 수 있다.
일 실시예에서, 세라믹 중공사막(20)의 제조시 소결온도는 1445~1455도이고, 유효표면기공(effective surface porosity (m-1)은 6500 이상이고, 평균 기공 크기(um)는 0.23~0.26일 수 있다.
일 예로, 혼합기체는 30 % CO2와 CH4 로 구성되고, 흡수제는 모노에탄올아민(monoethanolamine, MEA)를 포함하며, CO2 흡수율이 40% 미만일때는 제1 모드의 이산화탄소 제거 효율이 제2 모드의 이산화탄소 제거 효율보다 높고, CO2 흡수율이 40% 이상일때는 제2 모드의 이산화탄소 제거 효율이 제1 모드의 이산화탄소 제거 효율보다 높을 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예와 같이, 제1 모드와 제2 모드를 전환시킬 수 있는 구동방식을 가지는 본 실시예의 기체 분리장치가 전체적으로 기체 분리 효율이 향상되는 원리를 설명한다.
이를 위해, CH4/CO2 혼합가스에서 CO2 분리를 위해 세라믹 중공사 접촉막 모듈(10) (HFMC)을 이용하여 실험을 수행하였다. 고 내구성의 HFMC를 제작하기 위해, 고강도의 중공사막을 제조하여 평가하였다. 제조한 중공사막을 이용하여 HFMC를 제작하였고, 실험은 CH4/CO2 혼합 기체(30 % CO2, CH4 balance)와 monoethanolamine(MEA)를 사용하였다. HFMC 운전 중 기체와 흡수제의 압력이 CO2 제거 효율에 어떠한 영향을 주는지 평가하였다. 실험 결과는 본 발명의 실시예에 따른 기체 분리 장치에 의한 CH4/CO2 분리용 세라믹 HFMC 공정 운용의 효율 증가를 데이터로 증명해주고 있다.
이하, 이러한 효율 증가의 확인 과정에 대해 더 상세히 설명한다.
<α-Al2O3 중공사막 제조>
본 실시예의 세라믹 중공사 접촉막 모듈을 가지는 기체 분리 장치(이하, 기체 분리 장치)의 세라믹 중공사막(20)을 이하의 과정을 통해 제조하였다.
세라믹 중공사 접촉막 모듈(10)(hollow fiber membrane contactor, HFMC)에 사용된 중공사막의 소재로는 화학적 안전성이 높은 소재인 알루미나(alumina, α-Al2O3)를 사용하였다.
중공사막의 강도 개선을 위해 alumina는 0.5 μm 입자 크기와 0.3 μm 입자 크기를 갖는 순도 99.9 %의 두 종류의 분말을 Kceracell (Korea)에서 구매하여 사용하였다. 도프 용액은 0.5 μm 크기의 알루미나 분말(alumina powder; 99.9%, kceracell, korea) 30 wt%, 0.3 μm 크기를 지닌 알루미나 분말 30 wt%, 메틸피롤리돈(Methyl-2-pyrrolidone; NMP, 99.5%, Samchun Pure Chemical Co., Ltd, Korea) 33.5 wt%, 폴리술폰(polyethersulfone; PESf, Ultrason®E6020P, BASF, Germany) 5.75 wt%, 폴리비닐피로리돈(Polyvinylpyrrolidone; PVP, Sigma Aldrich, U.S.A) 0.75 wt%를 혼합하여 제조하였다. 솔벤트(solvent)에 점도가 높은 폴리술폰(PESf)을 24 hr 용해시킨 후, 알루미나 분말 및 폴리비닐피로리돈(PVP)를 넣고 48 hr 동안 교반하여 크기가 다른 두 분말을 완전 혼합하였다.
도 3은 중공사막 방사장치의 일 예를 나타내는 도면이다.
전술한 바와 같이 제조한 도프 용액(dope solution)을 도 3에 예시된 도프탱크(dope tank)에 옮겨 담은 후, 진공펌프를 이용하여 1 hr 간의 탈포 과정을 거쳐 도프 용액(dope solution) 내부의 기포를 제거하였다.
탈포 과정이 끝난 도프 용액을 질소 가스(99.99 %)와 기어펌프를 이용하여 이중관형 노즐(spinneret)로 방사하였다. 방사는 상온(20 ℃)에서 진행되었으며, 조업변수인 방사 압력은 3 bar, 내부 응고제 유량은 20 cc/min, air gap은 10 cm로 하나의 조건으로 고정하여 진행하였다. 방사된 중공사막은 24 hr 간 응고제에서 상전이 시켜주었으며, 이후 25 cm로 절단하여 세척하였다. 세척한 중공사는 직진 성을 만들어 주기 위해 강선을 이용하여 직선으로 고정시켜주었으며, 120 ℃ 오븐에서 24 hr간 건조시켰다. 건조된 중공사는 실험 조건에 따라 1350 ℃, 1450 ℃, 1550 ℃에서 4 hr 간 소결하였다. 소결온도는 green body의 TGA(Thermogravimeyric analysis)를 통해 수립되었으며, 중공사막의 내구성을 증가시키기 위해 다양한 온도에서 소결을 진행하였다. 제조한 중공사막 단면의 SEM 이미지 분석을 통해 기공구조를 분석하였으며, N2 기체투과 실험을 통해 중공사막의 투과성능을 확인하였다.
소결된 중공사막은 Hepta-decafluoro-1,1,2,2-tetrahydrodecyltrimethoxysilane (FAS, ≥98 %, Sooyang Chemtec Co., Ltd, Korea) 0.86 wt%, Hexane(99.5 %, Samchun Pure Chemical Co., Ltd, Korea) 99.14 w% 용액에 넣어 2 hr 간 소수성 코팅하였다.
<α-Al2O3 중공사막을 이용한 HFMC module 제조>
소수성 중공사막은 20 cm 길이로 절단하여 내경 35 mm의 모듈 하우징(30)(housing)에 75가닥씩 넣었다. 모듈은 최대한 난류가 발생할 수 있도록 유로와 구조를 고려하여 설계되었으며, 또한 중공사 루멘측(lumen side)로 균일한 기체가 흐를 수 있도록 배플(baffle)을 설치하였다. 모듈 제작 과정에서 모세관 현상으로 인한 중공사막의 막힘 현상을 방지하기 위해, 중공사막의 양쪽 끝을 접착제를 이용하여 막아주었다. 그 다음 하우징(30)에 일정량의 에폭시 접착제를 주입하여 경화시켰다. 에폭시가 완전히 경화되면 모듈 구조에 맞춰 에폭시를 절단하여 HFMC를 제조하였으며, 다른 한쪽 끝 역시 같은 방법으로 중공사막을 하우징(30)에 고정시켜 모듈을 제조하였다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기체 분리 장치의 제1 모드 및 제2 모드의 운전조건을 나타내는 테이블이다. 도 5는 도 1에 도시된 기체 분리장치의 제1 모드를 설명하기 위한 도면이다. 도 6은 도 2에 도시된 기체 분리 장치의 제2 모드를 설명하기 위한 도면이다.
제조한 HFMC의 CO2 흡수 성능을 평가하기 위해 제1 모드로 세팅된 도 5의 장치와 제2 모드로 세팅된 도 6의 장치를 제작하였으며, 흡수제와 기체의 흐름 방향에 따른 성능을 비교하기 위해 도 4에 제시된 두 가지의 흐름 방향으로 실험을 진행하였다.
CO2가 30% 포함되어 있는 CH4혼합 가스를 유량제어기(Mass flow controller, MFC, 5850E, Brooks, Japan)를 이용하여 모듈의 쉘측(shell side)로 보내고, 동시에 루멘측(lumen side)로는 기어펌프(gear pump, REGLO-Z digital, Ismatec, U.S.A.)를 이용하여 30 wt%의 모노에탄올아민(monoethanolamine, MEA, 99.0%, Samchun Pure Chemical Co., Ltd, Korea) 수용액을 공급해주었다. 세라믹 중공사 접촉막 모듈(10)에서 배출된 혼합가스는 가스 크로마토그래피(gas chromatography, GC-TCD, iGC 7200, DS science, Korea)로 분석하여 CO2 흡수량 및 제거효율을 측정하였다. 세라믹 중공사 접촉막 모듈(10)의 운전 조건은 도 4에 정리하여 나타내었다.
<실험결과: 소결온도에 따른 중공사 특성 평가>
메틸피롤리돈(NMP)를 이용한 도프 용액(dope solution)을 바탕으로 중공사막을 제조하였고, 소결온도만을 변화시켜 실험을 진행하였다. 방사 압력과 내부 응고제, 에어갭(air gap)이 동일하기에, 방사된 그린바디(green body)의 용매와 비용매 간의 상전이 속도는 루멘측과 쉘측에서 동일하게 제조되었다.
그린바디를 소결함에 있어, α-Al2O3는 통상적으로 1200 ℃에서 1600 ℃ 사이에서 소결과정을 거치게 된다. 실험에 사용한 α-Al2O3 내부에 포함된 알루미나(alumina) 외에 소결조제로서 사용되는 성분들에 의해 기공 구조가 변화한다. 1300 ℃로 소결된 중공사막보다 높은 강도를 지닌 중공사막을 개발하기 위해 1350 ℃, 1450 ℃, 1550 ℃로 소결한 중공사막의 성능을 평가하였다.
도 7은 소결온도에 따라 제작된 중공사막 단면의 SEM 이미지이다.
도 7을 참조하면, 제조한 중공사막의 루멘측 기공 길이와 쉘측의 기공 길이는 비율은 비슷하였으며, 중공사막의 루멘측과 쉘측 사이의 스폰지 구조(sponge structure)의 두께 또한 비슷하였다. 이는 기공구조에 영향을 미치는 방사 조건과 용매 조건이 같기에 전체적인 기공 구조는 동일하게 나타난 것으로 볼 수 있다.
도 7에 도시된 중공사막의 두께를 비교하면 1350 ℃로 소결된 중공사막의 외경은 2.1 mm, 1450 ℃로 소결된 중공사막의 외경은 1.89 mm, 1550 ℃로 소결된 중공사막의 외경은 1.65 mm로 소결온도가 증가함에 따라 전체 중공사막의 외경은 점차 줄어들었다. 이는 소결과정에서 중공사막을 구성하는 α-Al2O3간의 간격이 줄어들기 때문에 발생한 현상이라고 판단된다.
고성능의 HFMC를 제조하기 위해서는 사용되는 중공사막의 기체투과 성능이 중요하다. CO2와 흡수제간의 물질 전달 속도를 높이기 위해서 중공사막에 보다 많은 기공이 존재하는 것이 바람직하다. 그러나 중공사막의 기공이 증가할수록 강도는 감소하게 된다. SEM 이미지 결과상으로는 소결온도가 기공의 크기와 모양에 어떠한 영향을 미치는지 정량적으로 비교가 어려우므로, N2 기체투과도를 통해 기공 구조와 기체투과 성능을 비교하였다.
도 8은 도 7에 제시된 중공사막의 N2 기체투과테스트 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
N2 가스는 중공사의 쉘측에서 루멘측으로 투과되었으며, 유입압력(Pin)과 유출압력(Pout)에 따라 투과되어 나오는 N2 가스의 유량을 측정하여 도 8에 나타내었다.
도 8에는 1350 ℃, 1450 ℃에서 측정한 결과만 포함되어 있다. 1550 ℃ 조건에서 소결한 중공사막의 경우 5 bar까지 압력을 올렸지만 기체가 투과되지 않았다. 이는 1550 ℃에서 중공사막의 모든 기공이 닫혔다고 판단할 수 있다. 도 7에서는 1550 ℃에서 쉘측과 루멘측에 기공이 존재함을 볼 수 있었지만, 기체투과가 되지 않았다는 점은 중간 스폰지구조(sponge structure)에 존재하는 알루미나 분말(alumina powder)에서 기공이 완전히 닫혔다고 볼 수 있다. 이 결과는 소결온도를 올리면 스폰지구조 부분에서 알루미나 간의 간극이 점차 좁아진다는 것을 의미함과 동시에 중공사막의 미세 기공구조가 감소되므로 강도 또한 증가한다는 사실을 의미한다. 이는 중공사막의 외경이 줄어든 이유를 설명해 준다.
다음으로 1350 ℃, 1450 ℃의 결과를 비교면 Pin-Pout이 2 bar일 때, 기체 투과 flux는 4배 이상 차이가 났다. 이는 앞에서 설명된 소결온도에 따른 스폰지구조의 미세 기공 변화로 인해 발생했다고 판단된다.
도 9는 도 7및 도 8에서 설명된 중공사막 중 1350 ℃, 1450 ℃에서 소결한 중공사막의 기공 특성 평가를 나타내는 표이다.
도 8의 기체투과 성능을 바탕으로 제조한 중공사막의 평균 기공 크기(mean pore size)와 표면 기공도(effective surface porosity)을 계산하면 도 9와 같이 나타낼 수 있다.
도 9의 결과를 보면 소결온도가 증가함에 따라 표면 기공도(effective surface porosity)은 감소함을 확인할 수 있었다. 이는 소결온도가 증가함에 미세기공이 닫혀 전체적인 표면 기공도가 감소했다고 볼 수 있고, 이는 위에서 확인한 기체투과성능이 감소한 이유를 설명할 수 있다. 다만, 평균 기공 크기는 소결온도가 증가함에 따라 오히려 더 커지게 되었는데, 이와 같은 이유는 소결온도의 증가가 미세기공을 닫는 결과를 불러왔기 때문에, 평균 기공 크기는 미세기공을 뺀 큰 기공만이 남아 이러한 평균 기공 크기가 측정되었다고 볼 수 있다.
최종적으로 소결온도가 증가함에 따라, 중공사막의 미세 기공부터 닫히게 됨을 확인할 수 있었고, 이와 같은 현상은 중공사막의 기체투과 성능을 감소시킴과 동시에 중공사막 강도를 증가시킬 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.
도 10은 도 9에서 설명된 1450 ℃에서 소결한 중공사막 75개로 이루어진 HFMC를 사용하여 진행한 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
<운전조건에 따른 HFMC의 CO2 분리 성능 평가>
1350 ℃에서 소결한 중공사막과 1450 ℃에서 소결한 중공사막을 이용하여 HFMC를 제작하였다. 제조 과정에서 1350 ℃에서 소결한 중공사막을 이용한 HFMC의 경우 모듈의 전체적인 강도가 낮아 CO2 분리 성능 평가 실험을 진행할 수 없었다.
도 10은 1450 ℃에서 소결한 중공사막 75개로 이루어진 HFMC를 사용하여 진행한 실험 결과를 나타내며, 가스 유량을 0.1 Nm3/h 로 고정했을 때, 흡수제의 유입압력(Liquid Pin)과 가스의 유입압력(Gas Pin)의 압력 차이에 따른 CO2 제거 효율 결과를 나타낸다.
도 10에서 LTS-1 은 전술된 제1 모드로서, 흡수제가 하측에서 상측으로 흐르고, 가스가 상측에서 하측으로 흐르는 운전모드를 나타낸다. LTS-2는 전술된 제2 모드로서, 흡수제가 상측에서 하측으로 흐르고, 가스가 하측에서 상측으로 흐르는 운전모드를 나타낸다.
LTS-1 흐름과 LTS-2 흐름은 모두 흡수제와 가스가 향류로 흐르는 구조이다. LTS-1과 LTS-2 두 흐름 방식에서 동일하게 기체의 압력이 점차 높아질수록 CO2 제거 효율과 CO2 흡수 성능은 모두 증가함을 확인할 수 있다. 이는 중공사막의 비표면적이 처음과 동일하게 유지되었기 때문이라고 유추할 수 있다. 흡수제의 압력이 가스압력 이상일 경우, 흡수제는 중공사의 루멘측(lumen side)로 침투할 수 있다. 이는 중공사막의 기공구조를 젖게 만들어 기체-액체간의 비표면적이 줄어들게 된다. 그러나 가스압력이 증가함에 따라 중공사막의 젖음 현상이 발생할 가능성은 줄어들게 되며, 이에 따라 CO2 제거 성능 또한 증가하였다고 볼 수 있다.
Gas Pin - Liquid Pin이 0~0.03 bar의 지점에서는 LTS-1 흐름(제1 모드)일 때 더 높은 CO2 제거 성능을 보였다. 이와 반대로 Gas Pin - Liquid Pin이 0.03 bar 이상의 경우, LTS-2 흐름(제2 모드)이 더 높은 CO2 제거 효율을 보였다.
따라서, 도 1 및 도 2에 제시된 기체 분리 장치에서, 제어부(70)가 제1 모드와 제2 모드 간에 전환하는 기준이 되는 압력차 설정값은 제1 모드와 제2 모드의 CO2 제거 효율이 역전되는 값이 될 수 있으며, 도 10에 제시된 예의 경우, 압력차 설정값이 0.03 bar가 될 수 있다.
가스 제거효율이 가스 유입압력과 흡수제 유입압력 간의 차이의 변화에 따라 달라지며, 제1 모드와 제2 모드 간에 역전되는 이와 같은 현상은 로딩된(loading) 흡수제의 흐름과 연관하여 설명할 수 있다.
흡수제는 CO2를 흡수함에 따라 밀도가 증가하기 때문에, 프레쉬(fresh) 상태의 흡수제보다 무거워지게 된다. 따라서 흡수제가 하측에서 상측으로 흐르는 LTS-1의 흐름에서는 무게가 무거워진 흡수제(loading 된 흡수제)가 모듈 하단부에 적층되게 되고, 이로 인해 CO2 제거 성능이 떨어지게 되는 것으로 해석된다.
다만, 도 10에 제시된 예의 경우, LST-1 흐름에 있어서, 초기 Gas Pin - Liquid Pin이 0~0.03 bar인 부분(압력차가 설정값 미만인 부분)에서는 CO2 제거 효율이 40 % 이하이기 때문에, 상대적으로 로딩된 흡수제의 양이 적어져 이와 같은 현상이 벌어지지 않았다. 또한 오히려 흡수제와 가스의 압력이 유사할 경우, 즉 도 10에서 압력차가 작은 경우, LTS-1의 성능이 더 높게 나타났는데, 이는 흡수제가 흐르는 과정에서 중력이 영향을 미쳤기 때문이라고 판단된다. Gas Pin 와 Liquid Pin이 유사할 경우 CO2 제거 성능 20~40 % 수준이었기 때문에 흡수제 밀도가 크게 증가하지 않아, 로딩된 흡수제가 쌓이는 현상이 적다.
또한, 압력차가 설정값 미만인 범위, 즉 Gas Pin - Liquid Pin이 0~0.03 bar인 범위에서 LTS-2의 경우 흐르는 방향이 위에서 아래쪽이기에 중력에 의해 흡수제는 아래로 내려가려는 경향을 보인다. 이는 흡수제 흐름이 Liquid in에서 Liquid out으로 내려가는 힘에 영향을 끼쳐, 두 출입구(상부 포트(35) 및 하부 포트(36))를 제외한 나머지 지역에 dead-zone이 크게 형성되었다. 이에 반해 LTS-1의 경우 중력의 역방향으로 흡수제가 흐르기 때문에, 흡수제는 아래쪽으로 내려오려는 경향이 있어 오히려 LTS-2보다 생성되는 dead-zone이 작았다고 판단된다.
이후, 압력차가 증가하여 설정값 이상이 되는 경우, 즉 Gas Pin - Liquid Pin이 0.03 bar 이상이 되는 경우, 흡수제는 CO2를 흡수함에 따라 밀도가 증가하기 때문에, 프레쉬(fresh) 상태의 흡수제보다 무거워지게 된다. 따라서 흡수제가 하측에서 상측으로 흐르는 LTS-1의 흐름에서는 무게가 무거워진 흡수제(loading 된 흡수제)가 모듈 하단부에 적층되게 되고, 이로 인해 CO2 제거 성능이 LTS-2의 흐름의 경우보다 떨어지게 되는 것으로 해석된다.
따라서, 도 1 및 도 2에서 설명된 본 발명의 일 실시예에 따른 기체 분리 장치는, 압력차가 설정값 미만인 범위에서는 제1 모드(LTS-1)로 운전하고, 압력차가 설정값 이상이 되는 범위에서는 제2 모드(LTS-2)로 운전된다. 따라서, 처리 대상 가스의 유입압력과, 흡수제의 유입압력을 압력센서로 감지하고, 제어부(70)가 압력차를 판단하여 도 1 및 도 2에서 설명된 상측 가스 밸브(721,722), 하측 가스 밸브(711,712), 상측 흡수제 밸브(751,752), 하측 흡수제 밸브(761,762)를 전술한 바와 같이 개폐를 제어하여, 제1 모드와 제2 모드 간에 전환을 시킬 수 있다. 이에 의해, 단순히 하나의 모드로만 운전되는 경우에 비해, 이산화탄소 제거의 효율성이 크게 향상된다.
한편, 압력차 Gas Pin - Liquid Pin가 클수록 이산화탄소 제거효율이 향상되므로, 이를 감당할 수 있는 내구성이 우수한 세라믹 중공사막(20)을 사용하는 것이 바람직하다.
본 실시예에 따른 기체 분리 장치는 전술한 바와 같이 제조되어 기공도와 강도를 모두 충족하는 세라믹 중공사막(20)을 포함하므로, 압력차를 충분히 상승 및 하강시키면서 운전할 수 있다.
본 실시예에서는, 하나의 세라믹 중공사 접촉막 모듈에 유입되는 가스와 흡수제가 흐름 방향이 공급 내지 유입압력에 따라 역전되는 실시예를 설명하였지만, 기체 분리 장치는 물론 복수의 중공사 접촉막 모듈을 포함할 수 있다.
또한, 전술된 실시예의 변형으로서, 제1 세라믹 중공사 접촉막 모듈은 전술된 제1 모드로 운전되고, 제2 세라믹 중공사 접촉막 모듈은 전술된 제2 모드로 운전되도록, 제1 및 제2 세라믹 중공사 접촉막 모듈의 흐름 방향을 각각 상하 또는 하상으로 일정하게 하고, 공급라인의 압력에 따라 가스 및 흡수제의 공급을 밸브 제어를 통해 제1 세라믹 중공사 접촉막 모듈로 공급하거나 스위칭 하여 제2 세라믹 중공사 접촉막 모듈로 공급하는 방식으로 운전되는 기체 분리 장치도 본 발명의 범위에 포함된다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 세라믹 중공사 접촉막 모듈
20 : 세라믹 중공사막
30 : 하우징
31 : 상단홀
32 : 하단홀
35 : 상부 포트
36 : 하부 포트
50 : 제1 배관
60 : 제2 배관
70 : 제어부
711, 712 : 하측 가스 밸브
721, 722 : 상측 가스 밸브
751, 752 : 상측 흡수제 밸브
761, 762 : 하측 흡수제 밸브
78 : 회로부

Claims (8)

  1. 세라믹 중공사 접촉막 모듈을 가지는 기체 분리 장치에 있어서,
    세라믹 중공사막과, 복수의 상기 세라믹 중공사막을 수용하며, 상측으로 통하는 상단홀, 하측으로 통하는 하단홀, 측면에 형성된 상부 포트와 하부 포트를 가지는 하우징을 포함하는 세라믹 중공사 접촉막 모듈(ceramic hollow fiber membrane contactor, HFMC);
    상기 상단홀 및 상기 하단홀에 연결되며, 상측에서 하측으로 또는 하측에서 상측으로 상기 중공사막의 중공으로 흐를 대상 가스가 공급되는 제1 배관;
    상기 상부 포트 및 상기 하부 포트에 연결되어 상기 하우징의 내면과 상기 중공사막 사이로 흐르며 상기 대상 가스로부터 일부 성분을 흡수하는 흡수제가 공급되는 제2 배관; 및
    상기 대상 가스 및 상기 흡수제의 흐름 방향을 상하로 서로 반대가 되도록 제어하며, 상기 하우징에 상기 대상 가스 유입압력과 상기 흡수제의 유입압력 간의 압력차가 설정값에 도달하면, 상기 대상 가스 및 상기 흡수제의 상하 흐름 방향을 반대로 전환하는 제어부를 포함하고,
    상기 기체 분리 장치는 상기 대상 가스 유입압력에서 상기 흡수제의 유입압력을 뺀 값이 설정값 미만이면 제1 모드로 운전되고, 상기 대상 가스 유입압력에서 상기 흡수제의 유입압력을 뺀 값이 설정값 이상이면 제2 모드로 운전되며,
    상기 제1 모드에서 상기 흡수제가 상기 세라믹 중공사막 모듈 내에서 상부 방향으로 흐르고, 상기 대상 가스가 상기 세라믹 중공사막 모듈 내에서 하부 방향으로 흐르며,
    상기 제2 모드에서 상기 흡수제가 상기 세라믹 중공사막 모듈 내에서 하부 방향으로 흐르고, 상기 대상 가스가 상기 세라믹 중공사막 모듈 내에서 상부 방향으로 흐르며,
    상기 설정값은 상기 중공사막의 소결온도에 따른 CO2 제거효율에 의존하여 상기 제1 모드에서의 CO2 제거효율과 상기 제2 모드에서의 CO2 제거효율이 상호 역전되는 지점의 압력차인 것을 특징으로 하는, 세라믹 중공사 접촉막 모듈을 가지는 기체 분리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 대상 가스의 유입을 위해 상기 상단홀 및 상기 하단홀 중 하나를 선택할 수 있도록 제어되는 가스 밸브;
    상기 흡수제의 유입을 위해 상기 상부 포트 및 상기 하부 포트 중 하나를 선택할 수 있도록 제어되는 흡수제 밸브;
    상기 압력차를 감지하는 압력센서; 및
    상기 압력센서로부터 신호를 받고, 상기 가스 밸브 및 상기 흡수제 밸브를 동작시키는 회로부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 세라믹 중공사 접촉막 모듈을 가지는 기체 분리 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 모드에서 상기 대상 가스는 상기 상단홀로 유입되어 상기 하단홀로 유출되고, 상기 흡수제는 상기 하부 포트로 유입되어 상기 상부 포트로 유출되며,
    상기 제2 모드에서 상기 대상 가스는 상기 하단홀로 유입되어 상기 상단홀로 유출되고, 상기 흡수제는 상기 상부 포트로 유입되어 상기 하부 포트로 유출되는 것을 특징으로 하는, 세라믹 중공사 접촉막 모듈을 가지는 기체 분리 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 대상 가스는 메탄 및 이산화탄소를 포함하는 혼합 가스이고, 상기 흡수제는 상기 세라믹 중공사막을 통해 이산화탄소를 흡수하며,
    상기 압력차가 상기 설정값 미만인 경우, 상기 제1 모드가 상기 제2 모드보다 이산화탄소 제거 효율이 더 높고, 상기 압력차가 상기 설정값 이상인 경우, 상기 제2 모드가 상기 제1 모드보다 이산화탄소 제거 효율이 더 높은 것을 특징으로 하는, 세라믹 중공사 접촉막 모듈을 가지는 기체 분리 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제2 모드의 이산화탄소 흡수율은 상기 제1 모드의 이산화탄소 흡수율보다 높은 것을 특징으로 하는, 세라믹 중공사 접촉막 모듈을 가지는 기체 분리 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 세라믹 중공사막은
    0.5 μm 크기 알루미나(alumina, α-Al2O3) 분말 30 wt%, 0.3 μm 크기 알루미나(alumina, α-Al2O3) 분말 30 wt%, 메틸피롤리돈(Methyl-2-pyrrolidone) 33.5 wt%, 폴리술폰(polyethersulfone; PESf)5.75 wt%, 폴리비닐피로리돈(Polyvinylpyrrolidone; PVP) 0.75 wt%를 혼합한 혼합재료를 교반하고, 탈포과정을 거치고, 중공사막 방사장치로 방사 및 건조공정 이후, 소결온도에서 소결하고 소수성 코팅 공정을 거쳐 형성되며,
    상기 압력차의 변화를 견디는 강도와 기공의 수를 함께 확보하도록 상기 소결온도가 결정된 것을 특징으로 하는, 세라믹 중공사 접촉막 모듈을 가지는 기체 분리 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 세라믹 중공사막의 제조시 소결온도는 1445~1455도이고,
    유효표면기공(effective surface porosity (m-1)은 6500 이상이고,
    평균 기공 크기(um)는 0.23~0.26인 것을 특징으로 하는, 세라믹 중공사 접촉막 모듈을 가지는 기체 분리 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 혼합 가스는 30 % CO2와 CH4 로 구성되고, 상기 흡수제는 모노에탄올아민(monoethanolamine, MEA)를 포함하며,
    CO2 흡수율이 40% 미만일때는 상기 제1 모드의 이산화탄소 제거 효율이 상기 제2 모드의 이산화탄소 제거 효율보다 높고, CO2 흡수율이 40% 이상일때는 상기 제2 모드의 이산화탄소 제거 효율이 상기 제1 모드의 이산화탄소 제거 효율보다 높은 것을 특징으로 하는, 세라믹 중공사 접촉막 모듈을 가지는 기체 분리 장치.
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