WO2015023039A1 - 흡착성 투과 중공사막, 그것의 제조 방법 및 그것을 이용한 가스 흡탈착 분리 시스템 - Google Patents

흡착성 투과 중공사막, 그것의 제조 방법 및 그것을 이용한 가스 흡탈착 분리 시스템 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to an adsorptive perforated hollow fiber membrane, and more particularly, to an adsorptive perforated hollow fiber membrane capable of effectively separating carbon dioxide and acid gas, or a general gas mixture included in exhaust gas of a power plant, a factory, a chemical process, and the like. And a gas adsorption-desorption separation system using the same.
  • the adsorption method is a method of adsorbing a gas to be separated while passing a mixed gas through a bed filled with an adsorbent such as zeolite, and has been applied to some gas treatment processes along with the study of various adsorbents. Due to the absence of adsorbents and the use of granular adsorbents, the contact efficiency decreases, and the adsorption amount is limited compared to the amount of adsorbent used because the adsorption takes place mainly in the center because the flow rate of mixed gas in the bed is fast at the center and slow at the periphery. The disadvantage is that the regeneration time of the adsorbent is long.
  • Membrane separation method is a separation method using hollow fiber membrane that can selectively permeate some of the mixed gas. Since gas permeation rate is slow and high pressure must be applied, gas separation takes too much time and energy consumption. have.
  • the present invention has been made to solve the above-described problem of gas separation, and the first problem to be solved by the present invention is that the contact between the adsorbent and the adsorbent gas is made uniform and fast in all directions, so that the contact efficiency between the adsorbent and the adsorbent gas is achieved. It is to provide an adsorptive permeable hollow fiber membrane that can maximize.
  • the second problem to be solved by the present invention is not to use the granular adsorbent used in the bed adsorption method, which is a conventional adsorption method, but also to use it without scattering the adsorbent by dispersing the crystalline adsorbent in the form of a hollow fiber membrane.
  • An object of the present invention is to provide an adsorptive hollow fiber membrane capable of efficiently adsorbing gas without increasing adsorbent packing density over time.
  • a third object of the present invention is to provide an adsorptive hollow fiber membrane capable of significantly shortening the regeneration time of a saturated adsorbent, compared to a bed adsorption method, which is a conventional adsorption method.
  • the fourth problem to be solved by the present invention is to provide an adsorptive hollow fiber membrane that can significantly reduce energy consumption in the adsorption process and regeneration process than the bed adsorption method, which is a conventional adsorption method.
  • the fifth problem to be solved by the present invention is to provide an adsorptive hollow fiber membrane that can easily vary the size of the gas adsorption-and-desorption separation system from a small amount of separation to a large amount of separation.
  • the above-described problems of the present invention provide an adsorbent capable of selectively adsorbing only a specific gas among mixed gas components in a porous hollow fiber membrane having a sponge structure capable of non-selectively permeating the mixed gas in a powder or crystalline powder state. It can be solved by the adsorptive perforated hollow fiber membrane uniformly dispersed.
  • one or two or more fillers selected from zeolites, activated carbons, or silicas may be used.
  • the porous hollow fiber membrane may be made of polypropylene, polyimides, polyphenylene sulfide, polysulfones, polyvinylidene fluoride (PVDF), celluloses, or the like. ), One or more polymers selected from polyvinyl chloride (PVC) can be used.
  • the adsorptive perforated hollow fiber membrane may be prepared by thermally induced phase separation (TIPS) and nonsolvent induced phase separation (NIPS), and the polymer, the diluent and the adsorbent may be used when the thermally induced phase transition method is used.
  • TIPS thermally induced phase separation
  • NIPS nonsolvent induced phase separation
  • the hollow fiber membrane may be cooled by a cooling rate that may be porous; and may be manufactured by a process including a non-solvent induction phase transition method, in which an injection stock solution containing an adsorbent is mixed by mixing a polymer, a solvent, and an adsorbent.
  • the hollow fiber membrane may be prepared by a process comprising a; phase separation and solidification by a solvent, non-solvent exchange action can be porous.
  • the adsorbent in the injection stock solution is preferably included in a ratio of 15% by weight to 60% by weight.
  • Gas adsorption-and-desorption separation system using the adsorptive permeable hollow fiber membrane of the present invention includes a plurality of the adsorptive perforated hollow fiber membrane inside the housing, the inner hollow fiber communication hole and the hollow fiber membrane that can inject gas into the hollow fiber membrane
  • the first hollow fiber membrane module is provided with a hollow fiber outer communication hole for discharging the gas passing through the filter, and a plurality of the adsorptive hollow fiber membranes are collected in the housing, the housing is hollow to inject gas into the hollow fiber membrane
  • a second hollow fiber membrane module provided with an internal communication hole and an external communication hole for discharging gas penetrating the hollow fiber membrane, a vacuum pump, and a hollow fiber internal communication hole of the first hollow fiber membrane module to the mixed gas supply device.
  • the hollow fiber inner communication hole and the hollow fiber outer communication hole of the second hollow fiber membrane module are connected to the vacuum pump so that the adsorbent regeneration process is performed in the second hollow fiber membrane module, and the hollow fiber inner communication hole and hollow of the first hollow fiber membrane module are
  • the hollow fiber internal communication port of the second hollow fiber membrane module is connected to the mixed gas supply device, and the hollow of the second hollow fiber membrane module is It may be configured to include a gas flow channel switching means for connecting the external communication port to the outside to perform the adsorption process in the second hollow fiber membrane module.
  • Gas adsorption-and-desorption separation system using the adsorptive perforated hollow fiber membrane of the present invention includes a plurality of the adsorptive perforated hollow fiber membrane inside the housing, the outer hollow fiber communication port and the hollow fiber membrane that can inject gas into the outside of the hollow fiber membrane
  • the first hollow fiber membrane module is provided with a hollow fiber inner communication hole for discharging the gas passing through the filter, and the plurality of adsorptive hollow fiber membranes are collected inside the housing, the housing is hollow to inject gas to the outside of the hollow fiber membrane
  • a second hollow fiber membrane module having a hollow fiber inner communication hole for discharging gas passing through the outer hollow communication hole and the hollow fiber membrane, a vacuum pump, and a hollow fiber outer communication hole of the first hollow fiber membrane module to the mixed gas supply device; And a suction process is performed in the first hollow fiber membrane module by connecting the hollow fiber internal communication port of the first hollow fiber membrane module to the outside.
  • the hollow fiber inner communication hole and the hollow fiber outer communication hole of the second hollow fiber membrane module are connected to the vacuum pump to perform an adsorbent regeneration process in the second hollow fiber membrane module, and the hollow fiber inner communication hole of the first hollow fiber membrane module and
  • the external hollow fiber communication port of the second hollow fiber membrane module is connected to the mixed gas supply device and the second hollow fiber membrane module is It may be configured to include a gas flow channel switching means for connecting the hollow fiber internal communication port to the outside to perform the adsorption process in the second hollow fiber membrane module.
  • the contact between the adsorbent and the adsorbent gas is made uniform and fast in all directions, the contact efficiency between the adsorbent and the adsorbent gas is excellent, Uniform vacuum can be applied for quick regeneration.
  • the adsorbent can be dispersed in a powder state, even if the same amount of the adsorbent is used, the adsorption area can be significantly wider than in the case of the bed adsorption method, which is a conventional adsorption method using a granular adsorbent, thus significantly reducing the amount of adsorbent used.
  • the same or higher amount of gas can be adsorbed.
  • the bed adsorption method which is a conventional adsorption method
  • adsorption and desorption between the adsorbent and the adsorption gas at low pressure are possible in the adsorption process and the regeneration process, so that energy consumption can be significantly reduced.
  • the adsorption and desorption capacity can be easily changed by increasing the number of hollow fiber membrane modules or by increasing the number of hollow fiber membranes in the module, so that the size of gas adsorption and desorption separation system can be easily varied from small amount separation to large amount separation. .
  • FIG. 1 is an enlarged perspective view of a porous hollow fiber membrane shown by removing the adsorbent from the adsorptive hollow fiber membrane according to the present invention.
  • FIG 2 is an enlarged perspective view of the adsorptive perforated hollow fiber membrane conceptually showing the adsorbent dispersed in the adsorptive perforated hollow fiber membrane according to the present invention.
  • FIG. 3 is a manufacturing process chart of the adsorptive hollow fiber membrane according to the present invention.
  • FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of the adsorptive hollow fiber membrane shown in FIG. 3.
  • 5 to 7 are adsorption process diagrams showing the adsorption process of a particular gas when the mixed gas is injected into the adsorptive hollow fiber membrane according to the present invention.
  • FIGS. 8 to 10 are adsorption process diagram showing the adsorption process of a specific gas when the mixed gas is injected into the adsorptive hollow fiber membrane according to the present invention.
  • FIG. 11 is an adsorbent regeneration process diagram showing a specific gas desorption process of the adsorptive hollow fiber membrane according to the present invention.
  • FIG. 12 is a longitudinal cross-sectional view of the hollow fiber membrane module for internal hollow fiber membrane injection using the adsorptive hollow fiber membrane according to the present invention.
  • Figure 13 is a longitudinal cross-sectional view of the hollow fiber membrane module for external injection of the hollow fiber membrane using the adsorptive hollow fiber membrane according to the present invention.
  • FIG. 14 is a block diagram of a gas adsorption-and-desorption separation system in which two hollow fiber membrane modules for inputting the hollow fiber membrane shown in FIG. 12 are combined to enable vacuum swing adsorption.
  • 15 and 16 are configuration diagrams of a gas adsorption-desorption separation system using one hollow fiber membrane module for the internal hollow fiber membrane shown in FIG.
  • FIG. 17 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the cross section of the adsorptive hollow fiber membrane according to the embodiment of the present invention.
  • SEM scanning electron microscope
  • 20 and 21 are graphs showing the permeation time and the ratio of the adsorbed gas contained in the permeate when the amount of the adsorbent is changed.
  • FIG. 22 is a graph showing the permeation time and the ratio of adsorption gas contained in the permeate according to the flow rate change when the amount of the adsorbent is the same.
  • the adsorptive perforated hollow fiber membrane according to the present invention uses a sponge-structured highly porous hollow fiber having a sponge structure.
  • the porous hollow fiber of the present invention has permeability to all components (constituent gases) of the mixed gas to be introduced. That is, the present invention forms a porous porous fiber structure having a very large porosity and a large porosity that can permeate the mixed gas nonselectively, thereby minimizing the pressure drop when the mixed gas passes. This is different from the conventional hollow fiber membrane for gas separation.
  • the present invention is characterized in that the adsorbent 5 capable of selectively adsorbing only a specific gas (which is referred to as an adsorbing gas in the present invention) among the mixed gas components is in powder or crystalline powder state. It is to uniformly dispersed in the porous hollow fiber membrane of the sponge structure capable of permeating the mixed gas non-selectively.
  • 2 is an enlarged view of the adsorptive perforated hollow fiber membrane of the present invention, and for the sake of convenience of explanation, the adsorbent 5 is granulated and regularly displayed, but as shown in FIGS. 17 and 18, the inside of the hollow fiber membrane of the present invention is shown.
  • the size of the dispersed crystalline adsorbent 5 is powder in the range of 1 ⁇ m to 5 ⁇ m and is uniformly dispersed. In general, considering that the crystal size of the crystalline adsorbent 5 is 1 ⁇ m to 5 ⁇ m, it means that the adsorbent 5 is powdered and dispersed in crystal units. In the present invention, this is referred to as crystalline powder. Theoretically and substantially, when the crystalline adsorbent 5 is dispersed in crystalline units, the contact area with the specific gas of the adsorbent is greatest. If necessary, a powder adsorbent having a size of 5 ⁇ m to 100 ⁇ m in which two or more crystals are integrally combined may be used.
  • the adsorption area can be greatly increased than in the case of the bed adsorption method, which is a conventional adsorption method using a granular adsorbent, and thus the amount of adsorbent used is the same or higher.
  • the gas can be adsorbed.
  • the adsorbent may be selected from zeolites, activated carbon, or silica, but is not necessarily limited thereto.
  • the material of the porous hollow fiber membrane is polypropylene, polyimides, polyphenylene sulfide, polysulfones, polyvinylidene fluoride (PVDF), celluloses It may be selected from one or two or more polymers selected from polyvinyl chloride (PVC), but is not necessarily limited thereto.
  • Figure 4 is a uniform average density and uniform average size of pores are formed in the thickness direction or the radial direction of the adsorptive perforated hollow fiber membrane 3 according to the present invention, the uniform average density and uniform average size of the adsorbent (5 ) Shows a cross-sectional view of the adsorbent perforated hollow fiber membranes dispersed therein. As shown in Fig. 4, the adsorbent 5 in a powder state is held while the material of the hollow fiber membrane is kept in a dispersed state, so that the adsorbent 5 is not concentrated or dispersed.
  • FIGS. 8 to 10 show an adsorption process when the mixed gas (CO 2 + N 2 ) is introduced into the adsorptive hollow fiber membrane 3 shown in FIG. 4, and FIGS. 8 to 10 are shown in FIG. 4.
  • the mixed gas (CO 2 + N 2 ) is added to the outside of the adsorbent permeable hollow fiber membrane 3, the adsorption process is shown.
  • the adsorbent (5) In the form of powder or crystalline powder, all the gases (CO 2 , N 2 ) constituting the mixed gas (CO 2 + N 2 ) are dispersed inside the porous hollow fiber membrane through which the adsorbed gas (CO 2 ) Is adsorbed to the adsorbent (5) and the non-adsorbed gas (N 2 ) is discharged to the outside of the hollow fiber membrane through the membrane.
  • the adsorbent (5) Is dispersed in a porous hollow fiber membrane through which all gases (CO 2 , N 2 ) constituting the mixed gas (CO 2 + N 2 ) are dispersed in a powder or crystalline powder state. 2 ) is adsorbed to the adsorbent (5) and the non-adsorbed gas (N 2 ) is discharged into the hollow fiber membrane through the membrane.
  • FIG. 11 shows a process of desorbing adsorbent gas (CO 2 ) from the adsorbent (5) to regenerate the adsorbent (5).
  • adsorbent gas CO 2
  • FIG. 7 or FIG. 10 when adsorption of the adsorption gas by the adsorbent 5 is saturated, in order to desorb the adsorption gas (CO 2 ) from the adsorbent 5, the inside of the hollow fiber membrane 3 may be removed. Apply vacuum to the outside at the same time.
  • This adsorbent 5 regeneration process may be performed before adsorption by the adsorbent 5 reaches a saturation state.
  • the adsorbent permeable hollow fiber membrane 3 according to the present invention has permeability not only to the non-adsorbed gas N 2 but also to the adsorbed gas CO 2 , when the vacuum is applied to the inside and the outside of the hollow fiber membrane, After being separated from the adsorbent, it is quickly passed through the membrane into and out of the membrane. Even when the adsorption gas for the regeneration of the adsorbent 5 is desorbed, it is possible to apply a uniform and simultaneous vacuum in all directions inside and outside the hollow fiber membrane, thereby enabling rapid regeneration.
  • Such adsorption and regeneration may be accomplished by very low energy consumption. This is because the non-selective porous hollow fiber membrane is used for the mixed gas to which the present invention is introduced, so that the mixed gas can be permeated even at low pressure and the adsorbed gas can be removed.
  • the adsorptive perforated hollow fiber membrane 3 As shown in FIG. 3, the adsorptive perforated hollow fiber membrane 3 according to the present invention having the above-described advantages is obtained by mixing the polymer, the diluent or the solvent, and the adsorbent to produce a spray stock solution in which the adsorbent is uniformly dispersed. And a step (100) of forming a hollow fiber by spinning the injection stock solution in which the adsorbent is dispersed (200), and separating the hollow fiber in such a way that the hollow fiber membrane is porous to allow all of the mixed gas to be separated therethrough. It may be prepared, including the step (300) to solidify.
  • the adsorptive perforated hollow fiber membrane of the present invention may be prepared by known thermally induced phase separation (TIPS) and nonsolvent induced phase separation (NIPS).
  • TIPS thermally induced phase separation
  • NIPS nonsolvent induced phase separation
  • It can be prepared by a process comprising the step of cooling with, when using a non-solvent induction phase transition method, the step of mixing a polymer, a solvent and an adsorbent to produce an injection stock dispersion of the adsorbent, the injection stock dispersion containing the adsorbent Forming a hollow fiber by spinning, and the phase separation and coagulation stage by the exchange action between the solvent and the non-solv
  • the adsorbent in the injection stock solution is preferably included in a ratio of 15% by weight to 60% by weight. If the amount of the adsorbent is less than 15% by weight, the adsorption efficiency is lowered. If the amount of the adsorbent is more than 60% by weight, the structure of the hollow fiber membrane becomes too weak.
  • the remainder of the injection stock is a polymer and a diluent or solvent, and the mixing ratio thereof is required by known thermally induced phase separation (TIPS) and nonsolvent induced phase separation (NIPS).
  • the hollow fiber membrane module 17 can be manufactured by charging into the housing which consists of 9a, 9b.
  • the hollow fiber inner communication hole 11 is provided in the housing cap 9a of one end of the housing body 7, and the hollow fiber outer communication hole 13 is provided in the housing body 7, and is provided at the other end of the housing body 7.
  • the provided housing cap 9b is closed.
  • the mixed gas when the mixed gas is introduced into the hollow fiber internal communication port 11, the mixed gas flows into the adsorptive hollow fiber membrane 3 and passes through the adsorptive hollow fiber membrane 3.
  • Gas is discharged to the outside of the module through the hollow fiber outer communication port 13 through the inside of the housing.
  • the mixed gas flows into the outside of the adsorptive hollow fiber membrane 3 and passes through the adsorptive hollow fiber membrane 3.
  • Gas is discharged to the outside of the module through the hollow fiber internal communication port 11 through the inside of the housing.
  • the adsorbent permeable hollow fiber membrane 3 of the present invention includes a plurality of aggregates inside the housing, and the housing contains the mixed gas inside the hollow fiber inner communication port 11 and the hollow fiber membrane through which the mixed gas can enter and exit the hollow fiber membrane.
  • the hollow fiber membrane module 17 provided with a hollow fiber external communication port 13 through which the hollow fiber is accessible may be used in a gas adsorption-desorption separation system having various structures.
  • FIGS. 14 is a schematic diagram of a gas adsorption and desorption separation system in which two hollow fiber membrane modules are coupled to enable vacuum swing adsorption
  • FIGS. 15 and 16 are gas adsorption and desorption separation using one hollow fiber membrane module. It is a schematic diagram of the system.
  • the gas adsorption-and-desorption separation system shown in FIGS. 14 to 16 employs the hollow fiber membrane module shown in FIG. 12 and is configured to inject a mixed gas into the hollow fiber membrane.
  • the mixed gas supply device is connected to the hollow fiber outer communication port 13 of each hollow fiber membrane module, and the non-adsorbed gas is discharged from the hollow fiber inner communication port 11 of each hollow fiber membrane module, the mixed gas outside the hollow fiber membrane It becomes a system that can input.
  • a gas adsorption-and-desorption separation system is used for at least two hollow fiber membrane modules 17a and 17b, a vacuum pump 25 and a gas flow switching means for vacuum swing adsorption.
  • the gas flow channel switching means may be a mixed gas supply device or the vacuum pump 25 through the hollow fiber inner communication port 11 of the first hollow fiber membrane module 17a or the hollow fiber inner communication port 11 of the second hollow fiber membrane module 17b.
  • the hollow fiber outer communication hole 13 of the first hollow fiber membrane module 17a or the hollow fiber outer communication hole 13 of the second hollow fiber membrane module 17b. May be a gas container or atmosphere, the same as below) or the vacuum pump 25 is provided with selectable means.
  • the gas flow channel switching means connects the hollow fiber inner communication port 11 of the first hollow fiber membrane module 17a to the mixed gas supply device, and the hollow fiber outer communication port of the first hollow fiber membrane module 17a. 13 is connected to the outside when the adsorption process is performed in the first hollow fiber membrane module 17 is the hollow fiber inner communication port 11 and the hollow fiber outer communication port 13 of the second hollow fiber membrane module 17b to the vacuum pump 25 ) And the adsorbent regeneration process is performed in the second hollow fiber membrane module 17b, and the hollow fiber inner communication port 11 and the hollow fiber outer communication port 13 of the first hollow fiber membrane module 17a are vacuumed.
  • the hollow fiber internal communication port 11 of the second hollow fiber membrane module 17b is connected to the mixed gas supply device, and the Connect the hollow fiber outer communication port 13 of the double fiber membrane module 17b to the outside.
  • the adsorption step is to be done in the second hollow fiber membrane module.
  • Fig. 14 shows the gas flow channel switching means composed of four three-way valves V1, V2, and V3. These four three-way valves are all solenoid valves and are controlled by known controllers. These four-way valves are opened and closed so that the adsorbent regeneration process is performed in the second hollow fiber membrane module 17b when the adsorption process is performed in the first hollow fiber membrane module 17a.
  • the first port (a) of the three-way valve V1 is connected to the mixed gas supply device, the second port (b) is connected to the hollow fiber inner communication port 11 of the second hollow fiber membrane module (17b) and the third port (c).
  • the first port (a) of the three-way valve V2 is connected to the vacuum pump 25, the second port (b) is connected to the hollow fiber inner communication port 11 of the first hollow fiber membrane module (17a) and the third port ( c) is connected to the hollow fiber inner communication port 11 of the second hollow fiber membrane module 17b, when the first port (a) is selectively connected to the second port (b) or the third port (c)
  • the inside of the hollow fiber membranes of the first hollow fiber membrane module 17a and the inside of the hollow fiber membranes of the second hollow fiber membrane module 17b are selectively connected to the vacuum pump 25.
  • the first port (a) of the three-way valve V3 is connected to the outside, the second port (b) is connected to the hollow fiber outer communication port 13 of the first hollow fiber membrane module (17a) and the third port (c) is The first hollow fiber membrane module when the first port (a) is selectively connected to the second port (b) or the third port (c) is connected to the hollow fiber outer communication port 13 of the second hollow fiber membrane module (17b)
  • the non-adsorbed gas (N 2 ) penetrating the adsorptive hollow fiber membrane (3) from the hollow fiber outer communication port 13 of (17a) or the hollow fiber outer communication port (13) of the second hollow fiber membrane module (17b) is discharged to the outside.
  • the first port (a) of the three-way valve V4 is connected to the vacuum pump 25, the second port (b) is connected to the hollow fiber outer communication port 13 of the second hollow fiber membrane module (17b) and the third port ( c) is connected to the hollow fiber outer communication port 13 of the first hollow fiber membrane module 17a so that when the first port (a) is selectively connected to the second port (b) or the third port (c) Adsorbed gas released from the adsorbent 5 in the adsorptive hollow fiber membrane in the hollow fiber outer communication port 13 of the hollow fiber membrane module 17b or the hollow fiber outer communication port 13 of the first hollow fiber membrane module 17a (CO 2 ) Is discharged to the vacuum pump 25 side.
  • the three-way valve V1 connects the hollow fiber inner communication port 11 of the first hollow fiber membrane module 17a with the mixed gas supply device, and the three-way valve V3 is the first hollow fiber membrane module 17a.
  • the three-way valve V2 Is connected to the outside of the hollow fiber outer communication port 13 of the outside through the first hollow fiber membrane module (17a) adsorbed gas (CO 2 ) to the adsorbent (5) and the non-adsorbed gas (N 2 ) adsorbent permeable hollow fiber membrane ( 3)
  • the adsorption process is carried out through the outside, and the three-way valve V2 connects the hollow fiber internal communication port 11 of the second hollow fiber membrane module 17b with the vacuum pump 25, and the three-way valve V4 is removed.
  • the adsorption gas (CO 2 ) adsorbed to the adsorbent (5) in the second hollow fiber membrane module (17b) by connecting the hollow fiber external communication port 13 of the hollow fiber membrane module (17b) with the vacuum pump (25) is adsorbent (5).
  • the adsorbent regeneration process discharged to the vacuum pump 25 side is removed from the).
  • the opening and closing directions of the three-way valves are changed, the adsorbent regeneration process is performed in the first hollow fiber membrane module 17a, and the adsorption process is performed in the second hollow fiber membrane module 17b.
  • the non-adsorbed gas N 2 discharged to the outside may be stored in a gas container for the non-adsorbed gas or discharged to the atmosphere.
  • each hollow fiber membrane module (17a, 17b) When injecting the mixed gas to the outside of the adsorptive hollow fiber membrane as shown in Figure 13, unlike in Figure 14, the hollow fiber outer communication port 13 of each hollow fiber membrane module (17a, 17b) is a mixed gas (CO 2 in the adsorption process + N 2 ) is the inlet and the outlet of the adsorption gas (CO 2 ) in the adsorbent regeneration process, the hollow fiber inner communication port 11 of each hollow fiber membrane module (17a, 17b) is a non-adsorbed gas (N 2 ) and the outlet of the adsorbent gas (CO 2 ) in the adsorbent regeneration process.
  • the gas flow path switching means connects the hollow fiber external communication port 13 of the first hollow fiber membrane module 17a to the mixed gas supply device in the gas adsorption-and-desorption separation system by the external input of the hollow fiber membrane. And the inside of the hollow fiber of the second hollow fiber membrane module 17b when the adsorption process is performed in the first hollow fiber membrane module 17a by connecting the hollow fiber internal communication port 11 of the first hollow fiber membrane module 17a to the outside.
  • the secondary communication port 11 and the hollow fiber external communication port 13 are connected to the vacuum pump 25 to perform the adsorbent regeneration process in the second hollow fiber membrane module 17b, and the first hollow fiber membrane module 17a.
  • the second hollow fiber membrane module 17b by connecting the hollow fiber inner communication hole 11 and the hollow fiber outer communication hole 13 to the vacuum pump 25 when the adsorbent regeneration process is performed in the first hollow fiber membrane module 17a.
  • the adsorption and desorption capacity can be easily changed by increasing the number of hollow fiber membrane modules or by increasing the number of adsorptive permeable hollow fiber membranes in each module. There are also advantages that can be harmonized.
  • polypropylene as a dope solution a solution of latent solvent and non-solvents as a diluent, and zeolite 5A as an adsorbent were used.
  • the thermally induced phase preparation process (TIPS) was used as the hollow fiber spinning method of the membrane preparation process. Twin-screw extrusion was used for mixing the stock solution in this spinning method. Spinning temperature was maintained at 220 °C. The cooling rate was adjusted to the rate at which a porous membrane through which both carbon dioxide and nitrogen could permeate was formed.
  • FIG. 17 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of a cross section of the adsorptive hollow fiber membrane prepared according to the embodiment.
  • one hollow fiber membrane module 17c In order to test the adsorptive hollow fiber membrane thus prepared, as shown in FIGS. 15 and 16, one hollow fiber membrane module 17c, three three-way valves V5, V6, and V7 and one vacuum pump 25 are used. The gas adsorption and desorption separation system was configured. In order to measure the pressure applied to the adsorptive hollow fiber membrane, a pressure gauge 19 was attached to the housing cap without the hollow fiber internal communication port. In order to test the adsorption process, as shown in FIG.
  • the first port (a) and the second port (b) of the three-way valve V5 are connected, and the mixed gas gas cylinder and the pressure regulator Mixed gas supply device (CO 2 + N 2 ), which is composed of a gas flow controller and a mass flow controller, is injected into the hollow fiber inner communication port 11 of the hollow fiber membrane module 17c at a pressure of 0.3 atm. It was made.
  • the first port (a) and the third port (c) of the three-way valve V6 to the non-adsorbed gas discharged from the hollow fiber outer communication port 13 of the hollow fiber membrane module (17c) is collected in the gas container.
  • SCCM mixed gas input flow rate
  • the adsorbent is saturated after 20 minutes has elapsed in the case of the first radioactive solution having a relatively high amount of adsorbent, and the adsorbent is saturated before 5 minutes have passed in the second radiation solution having a relatively small amount of adsorbent. After saturation of the adsorbent, it can be seen that the concentration of carbon dioxide in the non-adsorbed gas gradually increases and then converges to the concentration of carbon dioxide in the mixed gas.
  • 21 is a ratio (mass%) of polypropylene / diluent / zeolite 5A of the spinning stock solution while maintaining the mixed gas temperature, the mixed gas input pressure, and the mixed gas input flow rate (SCCM) at 30 ° C., 0.3 atm and 57 SCCM, respectively.
  • SCCM mixed gas input flow rate
  • the adsorbent when the flow rate of the mixed gas is increased, the adsorbent is saturated after about 5 minutes for the first radioactive raw solution having a relatively high amount of adsorbent, and within 2 to 3 minutes for the second radioactive raw liquid having a relatively low amount of adsorbent. It can be seen that the adsorbent is saturated. After the adsorbent is saturated, it can be seen that the concentration of carbon dioxide in the non-adsorbed gas gradually increases and then converges to the carbon dioxide concentration of the mixed gas introduced within a short time.
  • SCCM 22 is a mixed gas input flow rate (SCCM) while maintaining the mixed gas temperature, the mixed gas input pressure, and the ratio (mass%) of polypropylene / diluent / zeolite 5A of the spinning stock solution at 30 ° C., 0.3 atm, and 24.7 / 32.7 / 42.6, respectively.
  • SCCM mixed gas input flow rate
  • the present invention mainly uses the adsorption principle for separation.
  • the adsorption principle for separation.
  • the adsorptive perforated hollow fiber membrane according to the present invention can quickly and effectively apply vacuum or reduced pressure to both sides of the adsorptive perforated hollow fiber membrane.
  • FIG. 16 shows an example in which vacuum is simultaneously applied to the hollow fiber inner communication hole 11 and the hollow fiber outer communication hole 12 of the hollow fiber membrane module 17c for adsorbent regeneration. Desorption of adsorption gas is carried out simultaneously in all areas of the adsorptive perforated hollow fiber membrane constituting the module, and in the desorption process, desorption is performed in both the inside and the outside of the hollow fiber membrane, so the time required for regenerating the saturated adsorbent is very short Low energy consumption
  • the present invention relates to an adsorptive perforated hollow fiber membrane, and more particularly, it can be usefully used in various equipment fields for separating carbon dioxide, acid gas, or a general gas mixture contained in exhaust gas of power plants, factories, chemical processes, and the like. There will be.

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Abstract

혼합가스 성분 중 특정가스만을 선택적으로 흡착할 수 있는 흡착제를, 분체 상태로, 혼합가스를 비선택적으로 투과시킬 수 있는 스펀지 구조의 다공성 중공사막 내부에 균일하게 분산시킨 흡착성 투과 중공사막과, 그것의 제조 방법 및 그것을 이용한 가스 흡탈착 분리 시스템을 개시한다.

Description

흡착성 투과 중공사막, 그것의 제조 방법 및 그것을 이용한 가스 흡탈착 분리 시스템
본 발명은 흡착성 투과 중공사막에 관한 것으로, 더 상세하게는 발전소, 공장, 화학 공정 등의 배출 가스에 포함된 이산화탄소 및 산성가스, 혹은 일반 가스혼합물 등을 효과적으로 분리할 수 있는 흡착성 투과 중공사막, 그것의 제조 방법 및 그것을 이용한 가스 흡탈착 분리 시스템에 관한 것이다.
이산화탄소의 분리회수 방법으로는 흡수법, 흡착법, 막분리법 등이 알려져 있다. 이들 방법은 각각 그 특성 및 장ㆍ단점을 갖고 있어 실제 사용하려고 하는 조건에 따라 선택되어지고 있다. 흡수법은 아민알카리 등의 흡수제를 물에 용해하여 이산화탄소를 분리하는 방법으로 현재 화력발전소, 제철소 등에 적용된 예가 많다. 그러나 흡수액 재생에 따른 에너지 소비 과대, 흡수탑에서의 흡수액의 범람 및 편류 현상, 기-액간의 낮은 접촉면적 그리고 흡수액의 부식성 등 많은 문제점을 가지고 있다. 흡착법은 제올라이트 등의 흡착제를 충전한 베드(bed)에 혼합가스를 통과시키면서 분리할 가스를 흡착시키는 방법으로, 다양한 흡착제의 연구와 함께 일부 가스 처리공정 등에 응용된 예가있으나, 비산 문제로 분말 형태의 흡착제를 사용하지 못하고 과립 형태의 흡착제를 사용함으로 인하여 접촉 효율이 떨어지고, 베드 내에서 혼합가스의 흐름 속도가 중심부에서 빠르고 주변부에서 느려 주로 중심부에서 흡착이 이루어지기 때문에 흡착제의 사용량에 비하여 흡착량이 제한적이며, 흡착제의 재생 시간이 길다는 단점이 있다. 막분리법은 혼합가스 중 일부를 선택적으로 투과시킬 수 있는 중공사막을 이용한 분리법으로, 가스의 막투과 속도가 느리고큰 압력을 가하여야 하기 때문에 가스 분리에 시간이 과다하게 소요되고 에너지 소모가 큰 단점이 있다.
본 발명은 상술한 종래 가스 분리의 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 제1과제는 흡착제와 흡착가스간의 접촉이 전 방위에서 균일하고 빠르게 이루어지게 하여 흡착제와 흡착가스간의 접촉 효율을 극대화할 수 있는 흡착성 투과 중공사막을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 제2과제는 종래의 흡착법인 베드(bed) 흡착법에서 사용되는 과립형태의 흡착제를 사용하는 것이 아니라, 분말형태의 결정성 흡착제를 중공사막 내부에 분산시킴으로써 흡착제 비산없이 또한 사용시간에 따른 흡착제 충진밀도 증가없이 효율적으로 가스를 흡착할 수 있는 흡착성 투과 중공사막을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 제3과제는 종래의 흡착법인 베드(bed) 흡착법보다 포화 흡착제의 재생 시간을 현저하게 단축시킬 수 있는 흡착성 투과 중공사막을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 제4과제는 종래의 흡착법인 베드(bed) 흡착법보다 흡착 과정 및 재생 과정에서 에너지 소모를 현저하게 줄일 수 있는 흡착성 투과 중공사막을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 제5과제는 가스 흡탈착 분리 시스템 크기를 소량 분리용으로부터 대량 분리용까지 쉽게 다양화할 수 있는 흡착성 투과 중공사막을 제공하는 데 있다.
상술한 본 발명의 과제들은, 혼합가스 성분 중 특정가스만을 선택적으로 흡착할 수 있는 흡착제를, 분체 혹은 결정성 분체 상태로, 혼합가스를 비선택적으로 투과시킬 수 있는 스펀지 구조의 다공성 중공사막 내부에 균일하게 분산시킨 흡착성 투과 중공사막에 의하여 해결될 수 있다.
상기 흡착제로는 제올라이트(zeolites), 활성탄소(activated carbon), 또는 실리카(silica) 가운데서 선택된 1 또는 2이상의 충전제(fillers)를 사용할 수 있다.
상기 다공성 중공사막의 소재로는 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리이미드(polyimides), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylene sulfide), 폴리설폰(polysulfones), 또는 폴리플루오린화비닐리덴(PVDF), 셀루로오즈(celluloses), 폴리비닐클로라이드(PVC) 가운데서 선택된 1 또는 2이상의 폴리머를 사용할 수 있다.
상기 흡착성 투과 중공사막은 열유도상전이법(TIPS; thermally induced phase separation)과 비용매유도상전이법(NIPS; nonsolvent induced phase separation)으로 제조할 수 있는데, 열유도상전이법을 사용할 경우 폴리머와 희석제와 흡착제를 혼합하여 흡착제가 분산된 분사 원액을 생성하는 단계; 흡착제가 분산된 분사 원액을 방사하여 중공사를 형성하는 단계; 중공사막이 다공질이 될 수 있는 냉각 속도로 냉각하는 단계;를 포함하는 공정에 의하여 제조될 수 있으며, 비용매유도상전이법을 사용할 경우 폴리머와 용매와 흡착제를 혼합하여 흡착제가 분산된 분사 원액을 생성하는 단계; 흡착제가 분산된 분사 원액을 방사하여 중공사를 형성하는 단계; 중공사막이 다공질이 될 수 있는 용매, 비용매간의 교환작용으로 상분리 및 응고하는 단계;를 포함하는 공정에 의하여 제조될 수 있다.
분사 원액 중 흡착제는 15중량% - 60중량%의 비율로 포함되는 것이 바람직하다.
본 발명의 흡착성 투과 중공사막을 이용한 가스 흡탈착 분리 시스템은, 상기 흡착성 투과 중공사막을 하우징 내부에 다수 집합하여 포함하고, 하우징에는 중공사막 내부로 가스를 주입할 수 있는 중공사내부연통구와 중공사막을 투과한 가스를 배출할 수 있는 중공사외부연통구가 마련된 제1중공사막모듈과, 상기 흡착성 투과 중공사막을 하우징 내부에 다수 집합하여 포함하고, 하우징에는 중공사막 내부로 가스를 주입할 수 있는 중공사내부연통구와 중공사막을 투과한 가스를 배출할 수 있는 중공사외부연통구가 마련된 제2중공사막모듈과, 진공펌프와, 상기 제1중공사막모듈의 중공사내부연통구를 상기 혼합가스공급장치에 연결하고 제1중공사막모듈의 중공사외부연통구를 외부에 연결하여 상기 제1중공사막모듈에서 흡착공정이 이루어질 때 상기 제2중공사막모듈의 중공사내부연통구 및 중공사외부연통구를 상기 진공펌프에 연결하여 상기 제2중공사막모듈에서 흡착제 재생공정이 이루어지게 하고, 상기 제1중공사막모듈의 중공사내부연통구 및 중공사외부연통구를 상기 진공펌프에 연결하여 제1중공사막모듈에서 흡착제 재생공정이 이루어질 때 상기 제2중공사막모듈의 중공사내부연통구를 상기 혼합가스공급장치에 연결하고 상기 제2중공사막모듈의 중공사외부연통구를 외부에 연결하여 상기 제2중공사막모듈에서 흡착공정이 이루어지게 하는 가스유로 스위칭 수단을 포함하여 구성할 수 있다.
본 발명의 흡착성 투과 중공사막을 이용한 가스 흡탈착 분리 시스템은, 상기 흡착성 투과 중공사막을 하우징 내부에 다수 집합하여 포함하고, 하우징에는 중공사막 외부로 가스를 주입할 수 있는 중공사외부연통구와 중공사막을 투과한 가스를 배출할 수 있는 중공사내부연통구가 마련된 제1중공사막모듈과, 상기 흡착성 투과 중공사막을 하우징 내부에 다수 집합하여 포함하고, 하우징에는 중공사막 외부로 가스를 주입할 수 있는 중공사외부연통구와 중공사막을 투과한 가스를 배출할 수 있는 중공사내부연통구가 마련된 제2중공사막모듈과, 진공펌프와, 상기 제1중공사막모듈의 중공사외부연통구를 상기 혼합가스공급장치에 연결하고 상기 제1중공사막모듈의 중공사내부연통구를 외부에 연결하여 상기 제1중공사막모듈에서 흡착공정이 이루어질 때 상기 제2중공사막모듈의 중공사내부연통구 및 중공사외부연통구를 상기 진공펌프에 연결하여 상기 제2중공사막모듈에서 흡착제 재생공정이 이루어지게 하고, 상기 제1중공사막모듈의 중공사내부연통구 및 중공사외부연통구를 상기 진공펌프에 연결하여 상기 제1중공사막모듈에서 흡착제 재생공정이 이루어질 때 상기 제2중공사막모듈의 중공사외부연통구를 상기 혼합가스공급장치에 연결하고 제2중공사막모듈의 중공사내부연통구를 외부에 연결하여 상기 제2중공사막모듈에서 흡착공정이 이루어지게 하는 가스유로 스위칭 수단을 포함하여 구성할 수 있다.
상술한 구성을 갖는 본 발명에 의하면, 흡착제와 흡착가스간의 접촉이 전 방위에서 균일하고 빠르게 이루어지므로, 흡착제와 흡착가스간의 접촉 효율이 우수하고, 흡착제의 재생을 위한 흡착가스 탈착시에도 전 방위에서 균일한 진공을 가할 수 있으므로 빠른 재생이 가능하다. 또한, 흡착제를 분말 상태로 분산시킬 수 있으므로, 동일한 양의 흡착제라도 과립형 흡착제를 사용하는 종래의 흡착법인 베드(bed) 흡착법의 경우보다 흡착 면적을 크게 넓힐 수 있고, 따라서 흡착제 사용량을 현저하게 줄이면서도 동일하거나 더 많은 양의 가스를 흡착할 수 있다. 또한, 흡착 공정과 재생 공정에서 종래 흡착법인 베드(bed) 흡착법과 달리 저압에서 흡착제와 흡착가스간의 흡착 및 탈착이 가능하므로, 에너지 소모를 현저하게 줄일 수 있다. 또한, 중공사막 모듈 갯수를 늘리거나 모듈 내의 중공사막 갯수를 늘림으로써 흡탈착 용량을 용이하게 변경할 수 있으므로, 가스 흡탈착 분리 시스템 크기를 소량 분리용으로부터 대량 분리용까지 쉽게 다양화할 수 있는 장점도 있다.
도 1은 본 발명에 따른 흡착성 투과 중공사막에서 흡착제를 제거하고 도시한 다공질 중공사막의 확대 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 흡착성 투과 중공사막에 분산된 흡착제를 개념적으로 표시하여 도시한 흡착성 투과 중공사막의 확대 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 흡착성 투과 중공사막의 제조 공정도이다.
도 4는 도 3에 도시된 흡착성 투과 중공사막을 확대하여 절단한 횡 단면도이다.
도5 내지 도 7은 본 발명에 따른 흡착성 투과 중공사막 내부에 혼합가스를 투입할 경우 특정가스의 흡착과정을 보여주는 흡착 공정도이다.
도8 내지 도 10은 본 발명에 따른 흡착성 투과 중공사막 외부에 혼합가스를 투입할 경우 특정가스의 흡착과정을 보여주는 흡착 공정도이다.
도 11은 본 발명에 따른 흡착성 투과 중공사막의 특정가스 탈착과정을 보여주는 흡착제 재생 공정도이다.
도 12는 본 발명에 따른 흡착성 투과 중공사막을 이용한 중공사막 내부 투입용 중공사막모듈의 종단면도이다.
도 13은 본 발명에 따른 흡착성 투과 중공사막을 이용한 중공사막 외부 투입용 중공사막모듈의 종단면도이다.
도 14는 도 12에 도시된 중공사막 내부 투입용 중공사막모듈 2개를 진공 스윙 흡착(vacuum swing adsorption)이 가능하게 결합한 가스 흡탈착 분리 시스템의 구성도이다.
도 15 및 도 16는 도 12에 도시된 중공사막 내부 투입용 중공사막모듈 1개를 이용한 가스 흡탈착 분리 시스템의 구성도이다.
도 17은 본 발명의 실시 예에 따른 흡착성 투과 중공사막의 단면에 대한 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 18은 본 발명의 실시 예에 따른 흡착성 투과 중공사막의 외측 표면에 대한 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 19는 본 발명의 실시 예에 따른 흡착성 투과 중공사막의 내측 표면에 대한 주사전자현미경(SEM) 사진이다
도 20 및 도 21은 흡착제 양을 달리할 경우 투과 시간과 투과물에 포함된 흡착가스의 비율을 보여주는 그라프이다.
도 22는 흡착제 양을 동일하게 할 경우 유량변화에 따라 투과 시간과 투과물에 포함된 흡착가스의 비율을 보여주는 그라프이다.
*도면의 주요부호에 대한 상세한 설명*
1 : 다공성 중공사막
3 : 흡착성 투과 중공사막
5 : 흡착제
7 : 하우징 바디
9a, 9b : 하우징 캡
11 : 중공사내부연통구
13 : 중공사외부연통구
15 : 포팅수지(potting resin)
17, 17a, 17b, 17c : 중공사막모듈
19 : 압력계
21 : 압력조절기
23 : 유량조절기
25 : 진공펌프
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 흡착성 투과 중공사막, 그것의 제조 방법 및 그것을 이용한 가스 흡탈착 분리 시스템을 상세히 설명한다.
첨부 도면과 이하의 설명에서는 이산화탄소와 질소의 혼합가스(CO2 + N2)로부터 이산화탄소를 흡착성 투과 중공사막에 의하여 흡착하여 분리하는 경우를 예시적으로 설명하지만, 본 발명에 따른 흡착성 투과 중공사막이 분리할 수 있는 혼합가스에는 제한이 없으며, 흡착가스의 종류에 따라 흡착제가 달라질 뿐이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 흡착성 투과 중공사막은 스펀지 구조를 갖는 매우 다공질의 중공사막(sponge-structured highly porous hollow fiber)을 이용한다. 본 발명의 다공질 중공사막은 투입되는 혼합가스의 모든 성분(구성 가스)에 대하여 투과성을 지닌다. 즉, 본 발명은 혼합가스를 비선택적(nonselectively)으로 투과시킬 수 있는 매우 기공이 큰 또한 기공율이 큰 다공질의 중공사막 구조를 형성함으로써 혼합가스가 통과할 때 압력 강하를 최소화하도록 한다. 이러한 점은 기존의 가스분리용 중공사막과 다른 점이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 특징은 혼합가스 성분 중 특정가스(이를 본 발명에서는 흡착가스라고 함)만을 선택적으로 흡착할 수 있는 흡착제(5)를, 분체 또는 결정성 분체 상태로, 혼합가스를 비선택적으로 투과시킬 수 있는 스펀지 구조의 다공성 중공사막 내부에 균일하게 분산시킨 데 있다. 도 2는 본 발명의 흡착성 투과 중공사막을 확대하여 도시하였고, 또 설명의 편의상 흡착제(5)를 입자화하여 규칙적으로 표시하였지만, 도 17 및 도 18에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 중공사막 내부에 분산된 결정성 흡착제(5)의 크기는 1㎛~5㎛ 범위의 분체이고 균일하게 분산되어 있다. 일반적으로 결정성 흡착제(5)의 결정 크기가 1㎛~5㎛임을 감안하면, 흡착제(5)가 결정 단위로 분체화되어 분산되어 있음을 의미한다. 본 발명에서는 이를 결정성 분체라고 표현한다. 이론적으로나 실질적으로 결정성 흡착제(5)가 결정 단위로 분산되어 있을 때 흡착제의 특정가스와의 접촉 면적이 가장 커진다. 필요에 따라서는 결정들이 2개 이상 일체로 결합된 5㎛ ~ 100㎛ 크기의 분체 흡착제를 사용할 수도 있다. 본 발명에 의하면, 동일한 양의 흡착제라도 과립형 흡착제를 사용하는 종래의 흡착법인 베드(bed) 흡착법의 경우보다 흡착 면적을 크게 넓힐 수 있고, 따라서 흡착제 사용량을 현저하게 줄이면서도 동일하거나 더 많은 양의 가스를 흡착할 수 있게 된다.
상기 흡착가스가 이산화탄소일 경우 흡착제는 제올라이트(zeolites), 활성탄소(activated carbon), 또는 실리카(silica) 가운데서 선택될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 다공성 중공사막의 소재는 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리이미드(polyimides), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylene sulfide), 폴리설폰(polysulfones), 또는 폴리플루오린화비닐리덴(PVDF), 셀루로오즈(celluloses), 폴리비닐클로라이드(PVC) 가운데서 선택된 1 또는 2이상의 폴리머 가운데서 선택될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
이하에서, 위와 같은 구성을 갖는 본 발명의 작용을 설명한다.
도 4는 본 발명에 따른 흡착성 투과 중공사막(3)의 두께 방향 또는 방사 방향에 대하여 균일한 평균 밀도 및 균일한 평균 크기의 기공이 형성되고, 균일한 평균 밀도 및 균일한 평균 크기의 흡착제(5)가 분산된 흡착성 투과 중공사막의 횡단면도를 보여준다. 도 4에 도시된 바와 같이, 분말 상태의 흡착제(5)를 중공사막의 소재가 분산 상태를 유지한 채 붙들고 있으므로, 흡착제(5)가 집중되거나 흩어질 염려가 없다.
도5 내지 도 7은 도 4에 도시된 흡착성 투과 중공사막(3)의 내부에 혼합가스(CO2 + N2)를 투입할 때 흡착공정을 보여주고, 도 8 내지 도 10은 도 4에 도시된 흡착성 투과 중공사막(3)의 외부에 혼합가스(CO2 + N2)를 투입할 때 흡착공정을 보여준다.
도5 및도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 흡착성 투과 중공사막(3) 내부에 일정한 압력(Pkgf/㎠)으로 혼합가스(CO2 + N2)를 투입할 경우, 흡착제(5)가 분체 또는 결정성 분체 상태로, 혼합가스(CO2 + N2)를 구성하는 모든 가스(CO2, N2)가 투과할 수 있는 다공질의 중공사막 내부에 분산되어 있으므로, 흡착가스(CO2)는 흡착제(5)에 흡착되고 비흡착가스(N2)는 막을 통과하여 중공사막 외부로 배출 된다. 이과정에서, 흡착제(5)와 흡착가스(CO2)간의 접촉이 전 방위에서 균일하고 빠르게 이루어지므로, 흡착제(5)와 흡착가스간의 접촉 효율이 매우 우수하고, 분산된 흡착제(5) 대부분이 실효적으로 흡착에 이용된다. 도 7에 도시된 바와 같이, 흡착제(5)에 의한 흡착가스(CO2)의 흡착이 포화상태가 되면 흡착가스(CO2)와 비흡착가스(N2)가 모두 막을 투과하게 된다.
도8 및도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 흡착성 투과 중공사막(3) 외부에 일정한 압력(Pkgf/㎠)으로 혼합가스(CO2 + N2)를 투입할 경우도, 흡착제(5)가 분체 또는 결정성 분체 상태로, 혼합가스(CO2 + N2)를 구성하는 모든 가스(CO2, N2)가 투과할 수 있는 다공질의 중공사막 내부에 분산되어 있으므로, 흡착가스(CO2)는 흡착제(5)에 흡착되고 비흡착가스(N2)는 막을 통과하여 중공사막 내부로 배출 된다. 이 과정에서, 흡착제(5)와 흡착가스(CO2)간의 접촉이 전 방위에서 균일하고 빠르게 이루어지므로, 흡착제(5)와 흡착가스간의 접촉 효율이 매우 우수하고, 분산된 흡착제(5) 대부분이 실효적으로 흡착에 이용된다. 도 10에 도시된 바와 같이, 흡착제(5)에 의한 흡착가스(CO2)의 흡착이 포화상태가 되면 흡착가스(CO2)와 비흡착가스(N2)가 모두 막을 투과하게 된다.
도 11은 흡착제(5)로부터 흡착가스(CO2)를 탈착하여 흡착제(5)를 재생하는 공정을 보여준다. 도 7 또는 도 10에 도시된 바와 같이, 흡착제(5)에 의한 흡착가스의 흡착이 포화상태가 되면, 흡착제(5)로부터 흡착가스(CO2)를 탈착하기 위하여, 중공사막(3) 내부와 외부에 동시에 진공(vacuum)을 걸어 준다. 이러한 흡착제(5) 재생 공정은 흡착제(5)에 의한 흡착이 포화 상태에 도달하기 전에 할 수도 있다. 본 발명에 따른 흡착성 투과 중공사막(3)은 비흡착가스(N2) 뿐만 아니라, 흡착가스(CO2)에 대해서도 투과성을 갖기 때문에, 중공사막 내부와 외부에 진공을 걸어줄 경우, 흡착가스가 흡착제에서 분리된 후 막을 통과하여 막 내부 및 외부로 빠르게 배출 된다. 흡착제(5)의 재생을 위한 흡착가스 탈착시에도 중공사막 내외부 전 방위에서 균일하고 동시적인 진공을 가할 수 있으므로 빠른 재생이 가능하게 되는 것이다.
이와 같은 흡착공정 및 재생공정은 매우 낮은 에너지 소모에 의하여 이루어질수 있다. 본 발명이 투입되는 혼합가스에 대하여 비선택적 다공질의 중공사막을 사용함으로써 저압에서도 혼합가스의 투과가 가능하고 흡착가스가 제거가 가능하기 때문이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상술한 장점을 갖는 본 발명에 따른 흡착성 투과 중공사막(3)은, 상기 폴리머와, 희석제 또는 용매와, 상기 흡착제를 혼합하여 흡착제가 균일하게 분산된 분사 원액을 생성하는 단계(100)와, 상기 흡착제가 분산된 분사 원액을 방사하여 중공사를 형성하는 단계(200)와, 중공사막이 분리하고자 하는 혼합가스가 모두 투과하는 다공질이 될 수 있도록 중공사를 상분리 및 고화(固化)하는 단계(300)를 포함하여 제조할 수 있다.
더 구체적으로 본 발명의 흡착성 투과 중공사막은 공지의 열유도상전이법(TIPS; thermally induced phase separation)과 비용매유도상전이법(NIPS; nonsolvent induced phase separation)으로 제조할 수 있는데, 열유도상전이법을 사용할 경우,폴리머와 희석제와 흡착제를 혼합하여 흡착제가 분산된 분사 원액을 생성하는 단계와, 흡착제가 분산된 분사 원액을 방사하여 중공사를 형성하는 단계와, 중공사막이 다공질이 될 수 있는 냉각 속도로 냉각하는 단계를 포함하는 공정에 의하여 제조될 수 있으며, 비용매유도상전이법을 사용할 경우, 폴리머와 용매와 흡착제를 혼합하여 흡착제가 분산된 분사 원액을 생성하는 단계와, 흡착제가 분산된 분사 원액을 방사하여 중공사를 형성하는 단계와, 중공사막이 다공질이 될 수 있는 용매, 비용매간의 교환작용으로 상분리 및 응고단계;를 포함하는 공정에 의하여 제조될 수 있다. 이들 공정에서 분사 원액의 성분 조성비 및 중공사막 기공률은 실시자가 혼합가스 종류, 성상 등을 반영하여 적절히 선택 실시할 수 있으므로, 특히 그 범위를 제한할 필요가 없다.
분사 원액 중 흡착제는 15중량% - 60중량%의 비율로 포함되는 것이 바람직하다. 흡착제 양이 15중량% 미만이면 흡착 효율이 떨어지고, 흡착제 양이 60중량%를 초과하면 중공사막의 조직이 너무 약해진다. 분사 원액 중 나머지는 폴리머와, 희석제 또는 용매이며, 이들의 혼합 비율은 공지의 열유도상전이법(TIPS; thermally induced phase separation)과 비용매유도상전이법(NIPS; nonsolvent induced phase separation)에서 요구하는 비율에 따른다.
도 12 및 도 13에 도시된 바와 같은, 본 발명에 따른 흡착성 투과 중공사막(3)을 다수 집합하고, 포팅수지(15)에 양단을 포팅(potting)한 후, 하우징 바디(7)와 하우징 캡(9a, 9b)으로 구성되는 하우징 내부에 장입함으로써 중공사막모듈(17)을 제작할 수 있다. 이때, 하우징 바디(7) 일단의 하우징 캡(9a)에는 중공사내부연통구(11)가 마련되고, 하우징 바디(7)에는 중공사외부연통구(13)가 마련되고, 하우징 바디(7) 타단에 마련된 하우징 캡(9b)은 폐쇄 된다. 도 12에 도시된 바와 같이, 상기 중공사내부연통구(11)에 혼합가스를 투입할 경우, 혼합가스는 흡착성 투과 중공사막(3)의 내부로 유입되고, 흡착성 투과 중공사막(3)을 투과한 가스는 하우징 내부를 거쳐 중공사외부연통구(13)를 통해 모듈 외부로 배출된다. 도 13에 도시된 바와 같이, 상기 중공사외부연통구(13)에 혼합가스를 투입할 경우, 혼합가스는 흡착성 투과 중공사막(3)의 외부로 유입되고, 흡착성 투과 중공사막(3)을 투과한 가스는 하우징 내부를 거쳐 중공사내부연통구(11)를 통해 모듈 외부로 배출된다.
이와 같이, 본 발명의 흡착성 투과 중공사막(3)을 하우징 내부에 다수 집합하여 포함하고, 하우징에는 중공사막 내부로 혼합가스가 출입할 수 있는 중공사내부연통구(11)와 중공사막 외부로 혼합가스가 출입할 수 있는 중공사외부연통구(13)가 마련된 중공사막모듈(17)은, 다양한 구조의 가스 흡탈착 분리 시스템에 이용될 수 있다.
도 14는 상기 중공사막모듈 2개를 진공 스윙 흡착(vacuum swing adsorption)이 가능하게 결합한 가스 흡탈착 분리 시스템의 구성도이고, 도 15 및 도 16는 상기 중공사막모듈 1개를 이용한 가스 흡탈착 분리 시스템의 구성도이다. 도 14 내지 도 16에 도시된 가스 흡탈착 분리 시스템은 모두 도 12에 도시된 중공사막모듈 채용하여, 중공사막 내부에 혼합가스를 투입하도록 구성한 시스템이다. 그러나, 혼합가스공급장치를 각 중공사막모듈의 중공사외부연통구(13)에 연결하고, 비흡착가스가 각 중공사막모듈의 중공사내부연통구(11)에서 배출되게 하면, 중공사막 외부에 혼합가스를 투입할 수 있는 시스템이 된다.
도 14에 도시된 바와 같이, 진공 스윙 흡착(vacuum swing adsorption)을 위하여 가스 흡탈착 분리 시스템을, 적어도 2개의 중공사막모듈(17a, 17b)과, 진공펌프(25)와, 가스유로 스위칭 수단으로 구성할 수 있다. 상기 가스유로 스위칭 수단은 제1중공사막모듈(17a)의 중공사내부연통구(11) 또는 제2중공사막모듈(17b)의 중공사내부연통구(11)를 혼합가스공급장치 또는 상기 진공펌프(25)에 선택적으로 연결할 수 있는 수단과, 제1중공사막모듈(17a)의 중공사외부연통구(13) 또는 제2중공사막모듈(17b)의 중공사외부연통구(13)를 외부(외부는 별도의 가스용기 또는 대기일 수 있음, 이하 같음) 또는 상기 진공펌프(25)에 선택할 수 있는 수단을 구비한다. 이들 수단을 통해 가스유로 스위칭 수단은 상기 제1중공사막모듈(17a)의 중공사내부연통구(11)를 상기 혼합가스공급장치에 연결하고 상기 제1중공사막모듈(17a)의 중공사외부연통구(13)를 외부에 연결하여 상기 제1중공사막모듈에서 흡착공정이 이루어질 때 상기 제2중공사막모듈(17b)의 중공사내부연통구(11) 및 중공사외부연통구(13)를 상기 진공펌프(25)에 연결하여 상기 제2중공사막모듈(17b)에서 흡착제 재생공정이 이루어지게 하고, 상기 제1중공사막모듈(17a)의 중공사내부연통구(11) 및 중공사외부연통구(13)를 상기 진공펌프(25)에 연결하여 제1중공사막모듈(17a)에서 흡착제 재생공정이 이루어질 때 상기 제2중공사막모듈(17b)의 중공사내부연통구(11)를 상기 혼합가스공급장치에 연결하고 상기 제2중공사막모듈(17b)의 중공사외부연통구(13)를 외부에 연결하여 상기 제2중공사막모듈에서 흡착공정이 이루어지게 한다.
도 14는 상기 가스유로 스위칭 수단을 4개의 삼방밸브(V1, V2, V3)에 의하여 구성한 것이다. 이들 4개의 삼방밸브는 모두 전자밸브이고 공지의 콘트롤러에 의하여 제어된다. 이들 4개의 삼방밸브는 상기 제1중공사막모듈(17a)에서 흡착공정이 이루어질 때 상기 제2중공사막모듈(17b)에서 흡착제 재생공정이 이루어지게 개폐된다. 삼방밸브 V1의 제1포트(a)는 혼합가스공급장치에 연결되고 제2포트(b)는 상기 제2중공사막모듈(17b)의 중공사내부연통구(11)에 연결되고 제3포트(c)는 상기 제1중공사막모듈(17a)의 중공사내부연통구(11)에 연결되어 제1포트(a)가 제2포트(b) 또는 제3포트(c)와 선택적으로 연결될 때 혼합가스(CO2 + N2)를 제2중공사막모듈(17b) 또는 제1중공사막모듈(17a)에 투입한다. 삼방밸브 V2의 제1포트(a)는 진공펌프(25)에 연결되고 제2포트(b)는 상기 제1중공사막모듈(17a)의 중공사내부연통구(11)에 연결되고 제3포트(c)는 상기 제2중공사막모듈(17b)의 중공사내부연통구(11)에 연결되어, 제1포트(a)가 제2포트(b) 또는 제3포트(c)와 선택적으로 연결될때 제1중공사막모듈(17a)의 중공사막들 내부와 제2중공사막모듈(17b)의 중공사막들 내부를 선택적으로 진공펌프(25)에 연결한다. 삼방밸브 V3의 제1포트(a)는 외부에 연결되고 제2포트(b)는 상기 제1중공사막모듈(17a)의 중공사외부연통구(13)에 연결되고 제3포트(c)는 상기 제2중공사막모듈(17b)의 중공사외부연통구(13)에 연결되어 제1포트(a)가 제2포트(b) 또는 제3포트(c)와 선택적으로 연결될 때 상기 제1중공사막모듈(17a)의 중공사외부연통구(13) 또는 제2중공사막모듈(17b)의 중공사외부연통구(13)에서 흡착성 투과 중공사막(3)을 투과한 비흡착가스(N2)를 외부에 배출되게 한다. 삼방밸브 V4의 제1포트(a)는 진공펌프(25)에 연결되고 제2포트(b)는 상기 제2중공사막모듈(17b)의 중공사외부연통구(13)에 연결되고 제3포트(c)는 상기 제1중공사막모듈(17a)의 중공사외부연통구(13)에 연결되어 제1포트(a)가 제2포트(b) 또는 제3포트(c)와 선택적으로 연결될 때 상기 제2중공사막모듈(17b)의 중공사외부연통구(13) 또는 제1중공사막모듈(17a)의 중공사외부연통구(13)에서 흡착성 투과 중공사막 내의 흡착제(5)로부터 이탈한 흡착가스(CO2)가 진공펌프(25) 측으로 배출되게 한다.
도 14에 도시된 밸브 개폐상태에서는, 삼방밸브 V1이 제1중공사막모듈(17a)의 중공사내부연통구(11)를 혼합가스공급장치와 연결하고, 삼방밸브 V3가 제1중공사막모듈(17a)의 중공사외부연통구(13)를 외부와 연결하여 제1중공사막모듈(17a)에서 흡착가스(CO2)가 흡착제(5)에 흡착되고 비흡착가스(N2)가 흡착성 투과 중공사막(3)을 투과하여 외부로 배출되는 흡착공정이 이루어지고, 삼방밸브 V2가 제2중공사막모듈(17b)의 중공사내부연통구(11)를 진공펌프(25)와 연결하고, 삼방밸브 V4가 제2중공사막모듈(17b)의 중공사외부연통구(13)를 진공펌프(25)와 연결하여 제2중공사막모듈(17b)에서 흡착제(5)에 흡착된 흡착가스(CO2)가 흡착제(5)로 부터 이탈하여 진공펌프(25) 측으로 배출되는 흡착제 재생공정이 이루어진다. 각 삼방밸브의 개폐 방향이 바뀌면, 제1중공사막모듈(17a)에서 흡착제 재생공정이 이루어지고, 제2중공사막모듈(17b)에서 흡착공정이 이루어진다.
도 14에 도시된 가스 흡탈착 분리 시스템에서 외부에 배출된 비흡착가스(N2)는 비흡착가스용 가스용기(gas container)에 저장되거나 대기에 배출될 수 있다.
도 13에서와 같이 흡착성 투과 중공사막 외부로 혼합가스를 주입할 경우, 도 14에서와 달리, 각 중공사막모듈(17a, 17b)의 중공사외부연통구(13)는 흡착공정에서 혼합가스(CO2 + N2)의 주입구가 되고 흡착제 재생공정에서 흡착가스(CO2)의 배출구가 되며, 각 중공사막모듈(17a, 17b)의 중공사내부연통구(11)는 흡착공정에서의 비흡착가스(N2)의 배출구가 되고 흡착제 재생공정에서 흡착가스(CO2)의 배출구가 된다. 따라서, 도면에 별도로 도시하지 않았지만, 가스유로 스위칭 수단은 중공사막 외부 투입에 의한 가스 흡탈착 분리 시스템에서는 상기 제1중공사막모듈(17a)의 중공사외부연통구(13)를 혼합가스공급장치에 연결하고 상기 제1중공사막모듈(17a)의 중공사내부연통구(11)를 외부에 연결하여 상기 제1중공사막모듈(17a)에서 흡착공정이 이루어질 때 상기 제2중공사막모듈(17b)의 중공사내부연통구(11) 및 중공사외부연통구(13)를 상기 진공펌프(25)에 연결하여 상기 제2중공사막모듈(17b)에서 흡착제 재생공정이 이루어지게 하고, 상기 제1중공사막모듈(17a)의 중공사내부연통구(11) 및 중공사외부연통구(13)를 상기 진공펌프(25)에 연결하여 상기 제1중공사막모듈(17a)에서 흡착제 재생공정이 이루어질 때 상기 제2중공사막모듈(17b)의 중공사외부연통구(13)를 혼합가스공급장치에 연결하고 제2중공사막모듈(17b)의 중공사내부연통구(11)를 외부에 연결하여 제2중공사막모듈(17b)에서 흡착공정이 이루어지게 한다.
본 발명에 의하면, 중공사막모듈 갯수를 늘리거나 각 모듈 내의 흡착성 투과 중공사막 갯수를 늘리므로써 흡탈착 용량을 용이하게 변경할 수 있으므로, 가스 흡탈착 분리 시스템 크기를 소량 분리용으로부터 대량 분리용까지 쉽게 다양화할 수 있는 장점도 있다.
<실시 예>
실시 예에서, 방사 원액(dope solution)으로 폴리프로필렌(polypropylene), 희석제로 조용제와 비용제 용액(a solution of latent solvent and non-solvents), 흡착제로 제올라이트 5A(zeolite 5A)를 사용하였다. 멤브레인 제조 공정의 중공사 방사 방법으로는 열유도 상분리 공정 (Thermally induced phase preparation process, TIPS)을 사용하였다. 이 방사 방법에서 원액의 혼합에는 트윈스크류 압출(twin-screw extrusion)을 사용하였다. 방사온도는 220℃를 유지했다. 냉각속도를 이산화탄소와 질소가 모두 투과될 수 있는 다공질(porous)의 막이 형성될 수 있는 속도로 조절하였다. 도 17은 이와 같은 실시 예에 의하여 제조된 흡착성 투과 중공사막의 단면에 대한 주사전자현미경(SEM) 사진이다. 도 18은 이와 같은 실시 예에 의하여 제조된 흡착성 투과 중공사막의 외측 표면에 대한 주사전자현미경(SEM) 사진이다. 도 19는 본 발명의 실시 예에 따른 흡착성 투과 중공사막의 내측 표면에 대한 주사전자현미경(SEM) 사진이다. 이들 사진을 통하여 본 발명에 따른 흡착성 투과 중공사막이 막의 두께 방향 또는 방사 방향에 대하여 기공 형성 및 흡착제의 분산이 매우 대칭적이고(symmetric)이고, 기공이 매우 많은 다공성(highly porous)의 스펀지 구조임을 알 수 있다.
이렇게 제조된 흡착성 투과 중공사막을 테스트하기 위하여, 도 15 및 도 16에 도시된 바와 같이, 1개의 중공사막모듈(17c)과 3개의 삼방밸브(V5,V6,V7)와 1개의 진공펌프(25)에 의하여 가스 흡탈착 분리 시스템을 구성하였다. 흡착성 투과 중공사막 내부에 가해지는 압력을 측정하기 위하여 중공사내부연통구가 없는 하우징 캡에 압력계(19)를 부착하였다. 흡착공정을 테스트하기 위해, 도 15에 도시된 바와 같이, 삼방밸브 V5의 제1포트(a) 및 제2포트(b)를 연결하고, 혼합가스 가스실린더(Gas Cylinder)와 압력조절기(Pressure Regulator)와 유량조절기(Mass Flow Controller)로 구성되는 혼합가스 공급장치 30℃의 혼합가스(CO2 + N2)가 중공사막모듈(17c)의 중공사내부연통구(11)에 0.3atm의 압력으로 투입되게 하였다. 또한, 삼방밸브 V6의 제1포트(a)와 제3포트(c)를 연결하여 중공사막모듈(17c)의 중공사외부연통구(13)에서 배출된 비흡착가스가 가스용기에 수집되게 하였다. 방사원액의 조성 및 혼합가스 투입 유량(SCCM)을 변화시켜 가면서, 비흡착가스 가스용기에 수집된 가스중 이산화탄소의 비율을 투과시간별로 측정하였다.
도 20은 혼합가스 온도, 혼합가스 투입 압력, 혼합가스 투입 유량(SCCM)을 각각 30℃, 0.3atm, 15SCCM으로 일정하게 유지하면서, 방사원액의 폴리프로필렌/희석제/제올라이트 5A의 비율(질량%)이 각각 24.7/32.7/42.6인 경우(제1방사용액)와 29.1/37.8/33.0(제2방사원액)인 경우, 투과시간별 투과가스 중 이산화탄소의 비율을 도표로 표시한 것이다. 흡착제의 양이 상대적으로 많은 제1방사원액의 경우 20분이 도과한 후에 흡착제가 포화되고, 흡착제의 양이 상대적으로 적은 제2방사원액의 경우 5분이 도과되기 전에 흡착제가 포화됨을 알 수 있다. 흡착제가 포화된 후에는 비흡착가스 중의 이산화탄소 농도가 점점 커지다가 투입된 혼합가스의 이산화탄소 농도에 수렴함을 알 수 있다.
도 21은 혼합가스 온도, 혼합가스 투입 압력, 혼합가스 투입 유량(SCCM)을 각각 30℃, 0.3atm, 57SCCM으로 일정하게 유지하면서, 방사원액의 폴리프로필렌/희석제/제올라이트 5A의 비율(질량%)이 각각 24.7/32.7/42.6인 경우(제1방사용액)와 29.1/37.8/33.0(제2방사원액)인 경우, 투과시간별 투과가스 중 이산화탄소의 비율을 도표로 표시한 것이다. 이와 같이 혼합가스 투입 유량을 늘리면 흡착제의 양이 상대적으로 많은 제1방사원액의 경우 5분 정도가 지난 후 흡착제가 포화되고, 흡착제의 양이 상대적으로 적은 제2방사원액의 경우 2-3분만에 흡착제가 포화됨을 알 수 있다. 흡착제가 포화된 후에는 비흡착가스 중의 이산화탄소 농도가 점점 커지다가 짧은 시간 내에 투입된 혼합가스의 이산화탄소 농도에 수렴함을 알 수 있다.
도 22는 혼합가스 온도, 혼합가스 투입 압력, 방사원액의 폴리프로필렌/희석제/제올라이트 5A의 비율(질량%)을 각각 30℃, 0.3atm, 24.7/32.7/42.6로 유지하면서 혼합가스 투입 유량(SCCM)을 달리한 경우, 투과시간별 투과가스 중 이산화탄소의 비율을 도표로 표시한 것이다. 이를 통해, 혼합가스 투입 유량(SCCM)을 달리할 경우, 유량이 클수록 빠른 속도로 흡착제가 포화상태에 도달함을 알 수 있다.
이와 같이 본 발명은 분리를 위하여 주로 흡착원리를 이용한다. 혼합가스를 다공성 중공사막에 분산된 흡착제와 균일하게 접촉시킴으로써, 특정가스성분만을 흡착한다.
본 발명에 따른 흡착성 투과 중공사막은 흡착된 가스성분을 배출하기 위하여, 흡착성 투과 중공사막 양측으로 진공이나 감압을 효과적으로 빠르게 가할 수 있다. 도 16는 흡착제 재생을 위하여 중공사막모듈(17c)의 중공사내부연통구(11) 및 중공사외부연통구(12)에 동시에 진공을 가하는 예를 보여준다. 모듈을 구성하는 모든 흡착성 투과 중공사막의 전영역에서 동시적으로 흡착가스의 탈착이 이루어지고, 탈착과정에서 탈착은 중공사막 내외측 양방향으로 이루어지므로, 포화 흡착제를 재성하는 데 걸리는 시간이 매우 짧고, 에너지 소모가 적다.
본 발명은 흡착성 투과 중공사막에 관한 것으로, 더 상세하게는 발전소, 공장, 화학 공정 등의 배출 가스에 포함된 이산화탄소, 산성가스, 혹은 일반 가스 혼합물 등의 분리하는 다양한 설비분야에서 유용하게 활용될 수 있을 것이다.

Claims (8)

  1. 혼합가스 성분 중 특정가스만을 선택적으로 흡착할 수 있는 흡착제를, 분체 혹은 결정성 분체 상태로, 혼합가스를 비선택적으로 투과시킬 수 있는 스펀지 구조의 다공성 중공사막 내부에 균일하게 분산시킨 것을 특징으로 하는 흡착성 투과 중공사막.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡착제는 제올라이트(zeolites), 활성탄소(activated carbon), 또는 실리카(silica) 가운데서 선택된 1 또는 2이상의 충전제(fillers)인 것을 특징으로 흡착성 투과 중공사막.
  3. 제 1 항에 있어서,
    흡착제(5)는 1㎛~5㎛ 크기의 분체인 것을 특징으로 하는 흡착성 투과 중공사막.
  4. 상기 다공성 중공사막의 소재는 폴리프로필렌(polypropylene),
    폴리이미드(polyimides), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylene sulfide),
    폴리설폰(polysulfones), 또는 폴리플루오린화비닐리덴(PVDF),
    셀루로오즈(celluloses), 폴리비닐클로라이드(PVC) 가운데서 선택된 1 또는 2이상의 폴리머인 것을 특징으로 하는 흡착성 투과 중공사막.
  5. 폴리머와, 희석제 또는 용매와, 흡착제를 혼합하여 흡착제가 분산된 분사 원액을 생성하는 단계;
    흡착제가 분산된 분사 원액을 방사하여 중공사를 형성하는 단계;
    중공사막이 분리하고자 하는 혼합가스가 모두 투과하는 다공질이 될 수 있도록 중공사를 상분리 및 고화(固化)하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 흡착성 투과 중공사막 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 분사 원액 중 흡착제는 15중량% - 60중량%의 비율로 포함된 것을 특징으로 하는 흡착성 투과 중공사막 제조 방법.
  7. 제1항에 기재된 흡착성 투과 중공사막을 하우징 내부에 다수 집합하여 포함하고, 하우징에는 흡착성 투과 중공사막 내부로 가스를 주입할 수 있는 중공사내부연통구와 흡착성 투과 중공사막을 투과한 가스를 배출할 수 있는 중공사외부연통구가 마련된 제1중공사막모듈;
    제1항에 기재된 흡착성 투과 중공사막을 하우징 내부에 다수 집합하여 포함하고, 하우징에는 중공사막 내부로 가스를 주입할 수 있는 중공사내부연통구와 중공사막을 투과한 가스를 배출할 수 있는 중공사외부연통구가 마련된 제2중공사막모듈;
    진공펌프; 및
    상기 제1중공사막모듈의 중공사내부연통구를 상기 혼합가스공급장치에 연결하고 제1중공사막모듈의 중공사외부연통구를 외부에 연결하여 제1중공사막모듈에서 흡착공정이 이루어질 때 제2중공사막모듈의 중공사내부연통구 및 중공사외부연통구를 상기 진공펌프에 연결하여 제2중공사막모듈에서 흡착제 재생공정이 이루어지게 하고, 제1중공사막모듈의 중공사내부연통구 및 중공사외부연통구를 상기 진공펌프에 연결하여 제1중공사막모듈에서 흡착제 재생공정이 이루어질 때 제2중공사막모듈의 중공사내부연통구를 상기 혼합가스공급장치에 연결하고 제2중공사막모듈의 중공사외부연통구를 외부에 연결하여 제2중공사막모듈에서 흡착공정이 이루어지게 하는 가스유로 스위칭 수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 흡탈착 분리 시스템.
  8. 제1항에 기재된 흡착성 투과 중공사막을 하우징 내부에 다수 집합하여 포함하고, 하우징에는 흡착성 투과 중공사막 외부로 가스를 주입할 수 있는 중공사외부연통구와 흡착성 투과 중공사막을 투과한 가스를 배출할 수 있는 중공사내부연통구가 마련된 제1중공사막모듈;
    제1항에 기재된 흡착성 투과 중공사막을 하우징 내부에 다수 집합하여 포함하고, 하우징에는 흡착성 투과 중공사막 외부로 가스를 주입할 수 있는 중공사내부연통구와 흡착성 투과 중공사막을 투과한 가스를 배출할 수 있는 중공사내부연통구가 마련된 제2중공사막모듈;
    진공펌프; 및
    상기 제1중공사막모듈의 중공사외부연통구를 상기 혼합가스공급장치에 연결하고 제1중공사막모듈의 중공사내부연통구를 외부에 연결하여 제1중공사막모듈에서 흡착공정이 이루어질 때 제2중공사막모듈의 중공사내부연통구 및 중공사외부연통구를 상기 진공펌프에 연결하여 제2중공사막모듈에서 흡착제 재생공정이 이루어지게 하고, 제1중공사막모듈의 중공사내부연통구 및 중공사외부연통구를 상기 진공펌프에 연결하여 제1중공사막모듈에서 흡착제 재생공정이 이루어질 때 제2중공사막모듈의 중공사외부연통구를 상기 혼합가스공급장치에 연결하고 제2중공사막모듈의 중공사내부연통구를 외부에 연결하여 제2중공사막모듈에서 흡착공정이 이루어지게 하는 가스유로 스위칭 수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 흡탈착 분리 시스템.
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