국외 분리막 소식

■ 바이오 디젤 정제를 위한 polyethersulfone/nano ZnO 하이브리드 막 개발

 멤브레인을 사용한 바이오 디젤 정제의 주요 문제점은 낮은 선택성 및 오염 문제로 분석되고 있다. 최근 우수한 선택성 성능 및 오염방지 거동을 갖는 polyethersulfone nanohybrid 막이 개발되어 큰 관심을 모으고 있다. PES/nano ZnO nanohybrid 막의 경우 N-methyl pyrrolidone 용매를 활용하여 제조됐으며, 막 변형을 위해 UV 조사, PVP 첨가 및 열 처리가 더해졌다. 개질 된 막의 경우 물 접촉각 수치를 66.17 °에서 52.33 °로 낮아질 정도로 친수성이 크게 향상된 것으로 보고되었다. 개질 된 막의 초기 플럭스는 개질되지 않은 막의 초기 플럭스의 200 %까지 증가했으며, 개질 된 막과 개질되지 않은 막 모두 글리세롤 함량을 3.98에서 0.34 wt%로 낮출 수 있는 높은 배제율을 보였다. 게다가 개질 된 막은 막 표면 상에 오염물 침착이 크게 줄었으며, 투과 플럭스 및 제거 효율면에서 우수한 안정성을 보였다. 결과적으로 개질된 ES/nano ZnO 하이브리드 막은 플럭스 증가, 글리세롤 함량 감소, 우수한 오염방지 및 우수한 안정성을 갖춤으로써 바이오 디젤 정제용 분리막으로서 활용될 것으로 기대되었다.

출처: Renewable Energy, 3 November 2019
저자: Tutuk Djoko Kusworo
(소속: Negoro University)


■ 평면 단량체가 함유된 고성능 폴리아미드 막 개발
 
 Pararosaniline(PAR)을 폴리아미드 나노필름 성능을 극대화하기 위해 활용된 연구가 화제를 모으고 있다. 폴리아미드 나노필름의 합성은 단량체로서 1,3-phenylenediamine (MPD) 및 PAR을 사용하여 계면중합에 의해 하이드로 지지체상에서 제조되었으며, 생성된 폴리아미드 나노필름의 경우 기계적 강도가 크게 향상된 것으로 보고되었다. 특히 폴리아미드 나노필름의 Young’s modulus은 PAR이 사용 될 경우 약 1.5 배 증가하였으며, 복합 막의 스크래치 저항성 역시 개선된 것으로 밝혀졌다. PAR의 함량 증가에 따라 나노필름 두께 및 접촉각은 증가할 뿐만 아니라, 지지체로서 다공성 폴리설폰(PS)막을 사용하여 제조된 복합막의 경우 더 높은 water flux 및 염 제거율을 나타내어 큰 관심을 모으고 있다.

출처: Applied Surface Science, 17 November 2019, 144415
저자: Songmiao Liang (소속: Vontron membrane technology)


■ 리튬 추출을 위한 유기/무기 하이브리드 실리카 나노여과막 개발

 높은 Mg 이온/Li 이온 비율의 소금물 호수에서 리튬을 효과적으로 추출하는 것은 큰 과제로 손꼽히고 있다. 최근 LiCl과 MgCl2 염의 효율적인 분리를 위해 관형 TiO2 지지체에 1,2-bis (triethoxysilyl)ethane (BTESE)을 dip-coating하여 유기/무기 하이브리드 실리카 나노여과(NF)막이 성공적으로 제조되었으며, 400 ℃에서 소성된 막의 경우 매우 좁은 기공 크기 분포 (0.63?1.66 nm)를 나타낼 수 있다는 것이 보고되었다. 제조된 모든 막의 경우 MgCl2보다 LiCl에 대해 더 높은 반발력을 나타냈으며, 이는 Donnan?exclusion효과가 염 제거 메커니즘을 지배한다는 것을 보여주었다. 또한 400 ℃에서 소성된 3중 코팅 된 막의 경우, LiCl 또는 MgCl2 용액에 대해 높은 투과율을 나타냈으며 이전에 보고된 NF 멤브레인의 성능과 비교해서 우수한 성능을 보이는 것으로 확인되었다. 개발된 연구는 소금호수로부터 효율적인 리튬 추출을 위해 음전하를 갖는 실리카 기반 세라믹 NF막 설계에 대해 많은 기반 정보를 제공한 것으로 밝혀져 큰 관심을 모았다.
 
출처: Chinese Journal of Chemical Engineering, 9 November 2019
저자: Hong Qi (소속: Nanjing Tech University)


■ 계면 활성제와 오일 함유된 feed stream 처리를  위한 막증류법 개발

 막 증류(Membrane Distillation)는 계면 활성제 및 오일 함유된 feed stream의 탈염과 같은 틈새 응용 분야에 유망한 기술로 각광받고 있다. 지금까지 이 분야의 적용을 위한 기존의 소수성 MD 막의 경우 사용이 제한적이었다. 이는 친수성 feed stream에 계면활성제 및 오일의 존재가 이들 매질의 표면장력을 현저히 감소시키고 소수성 막 표면에 이러한 오염 물질이 부참됨으로써 파울링을 야기하는 것으로 알려져있다. 최근 연구에서는 막 오염 및 기공 습윤을 없애기 위한 전략으로서 특수한 습윤표면을 갖는 MD 막이 개발되어 큰 관심을 모으고 있으며, 계면 활성제와 오일 함유된 feed stream에 적용가능한 기술로서 각광을 받고 있다.

출처: Advances in Colloid and Interface Science 273 (2019) 102022
저자: Rong Wang(소속: Nanyang Technological University)



                                               국내 분리막 소식


■ KIST, 인산(燐酸)에도 안 녹는 연료전지 분리막 개발...국산화 가능성 높여

 한국과학기술연구원(KIST) 수소·연료전지연구단 헨켄스마이어 디억 박사팀은 ‘고온형 고분자 전해질 연료전지(HT-PEMFC)? 핵심소재인 전해질막의 성능을 크게 개선했다고 24일 밝혔다. HT-PEMFC는 이온전도성 고분자막을 이온전달 전해질로 사용하는 연료전지다.
 고온형 연료전지가 널리 상용화되기 위해서는 높은 전력밀도와 긴 내구성이 필요하다. 고온형 연료전지에는 이온전도도를 높이기 위해 인산이 첨가된 폴리벤즈이미다졸(PBI, PolyBenzImidazole)계 전해질막이 사용된다. 그러나 기존 폴리벤즈이미다졸계 분리막은 연료전지가 작동되는 고온에서 인산에 용해되는 심각한 문제가 있었다.
 KIST 연구진은 고분자막의 안정성과 전도성을 획기적으로 개선하기 위해, 설폰산기를 폴리벤즈이미다졸에 부착시킨 후 열을 가해, 고온에서 부서지지 않는 단단한 고분자막을 만들었다. KIST 연구팀이 개발한 새로운 분리막은 160˚C의 인산에서도 용해되지 않았다. 다른 분리막보다 44% 더 높은 전도성과 전력밀도를 보였다. 또한 시간에 따른 전압감소도 63% 더 낮아 우수한 내구성을 보여줬다.
 연료전지는 100℃ 이하의 온도에서 작동되는 저온형과 160~180℃의 온도에서 작동되는 고온형으로 나뉜다. 고온형은 발생하는 열을 버리지 않고, 메탄올과 같은 연료를 수소로 변환시키는 공정에 사용해 수소를 생산, 다시 에너지원으로 재사용한다. 가격이 저렴하면서도 운반, 보관, 취급이 쉬운 메탄올은 수소변환 시 이산화탄소를 배출하지 않는다. 이러한 메탄올 개질기와 결합된 고온 연료전지를 발전기에 사용하면 디젤 발전기보다 이산화탄소 발생을 65%가량 줄일 수 있다.헨켄스마이어 디억 KIST 박사는 “고온용 고분자 전해질막은 수소전기차용 연료전지의 핵심 소재이지만 기술 장벽이 높아 소수 국가에서만 생산 가능하다”면서 “이번 연구결과를 통해 전해질막의 국산화에 크게 기여할 수 있을 것”이라고 밝혔다.
[전자신문 2019.10.24]


■ ‘가성비 최고’ 99.9% 고순도 수소 생산 분리막 개발

 국내 연구진이 저비용 고효율로 수소 생산기술을 개발하는데 성공했다. KIST(한국과학기술연구원·원장 이병권)는 한종희·조영석 수소연료전지연구단 박사팀이 고가의 귀금속 사용을 최소화하면서 기존 대비 5배 이상 높은 수소 투과율을 갖는 고성능 복합분리막을 개발했다고 14일 밝혔다. 연구진에 따르면 개발한 분리막을 통해 정제된 수소는 99.999% 이상의 고순도로 수소전기차에도 바로 활용이 가능한 수준으로 나타났다. 우리나라는 올해 초 수소경제 활성화 로드맵을 발표한 바 있다. 정부는 연간 2000대 수준인 수소전기차 보급을 2040년 620만대까지 확대하고 이에 필요한 수소 생산량도 526톤 이상으로 늘릴 계획이다.
 전 세계 수소 공급량의 90% 이상을 차지하는 추출 수소는 천연가스 등을 고온의 수증기로 열분해하는 방식을 사용한다. 하지만 고순도 정제를 위해 이산화탄소, 일산화탄소 등 불필요한 성분들을 흡착 제거하는 복잡한 공정이 필요하다. 이는 수소 가격상승의 요인이 되고 있다. 이에 간단하고 모듈화가 쉬운 분리막을 이용한 수소 정제기술이 주목받고 있지만 에너지 투입량 대비 성능이 좋지않고, 고가 귀금속 팔라듐을 기반으로한다는 점이 약점으로 작용해왔다.
 KIST 연구진은 높은 수소 투과도 및 순도와 경제성을 함께 갖춘 금속 복합 분리막 소재를 개발하던 중 주기율표 5족에 속하는 전이금속들에 팔라듐을 얇은 두께로 증착시켰다. 그 결과 5족 금속의 높은 수소 투과율과 팔라듐의 우수한 수소 분리 특성을 동시에 구현하는 금속 복합 분리막을 제작했다.
 또 분리막 표면 반응성을 고려한 새로운 수소 투과 모델에 따른 실험 결과, 기존에 알려진 금속 복합 분리막의 수소 투과율 계산이 수소 용해도와 확산도를 잘못된 온도 영역에서 합산하며 발생한 오류라는 사실을 밝혀냈다. 조영석 박사는 “연구팀이 제시한 수소 투과 모델과 분리막 실험 결과가 금속 복합 분리막의 투과 특성을 새롭게 이해하는데 도움이 되기를 바란다” 라고 말했다. 한종희 소장은 “국내 연구진이 개발한 수소 정제 원천기술이 기존 수소 정제 공정의
효율성 개선과 수소 가격 저감에 기여할 수 있을 것으로 기대한다” 라고 덧붙였다.
[HELLODD 2019.11.14]


■ 콩 심은데 팥 났다! 발상의 전환 ‘CO2 포집’
 
 국내 연구진이 콩 심은 데 팥이 나는 연구결과를 내는데 성공했다. 이산화탄소를 분리하는데 적합하다고 알려진 DDR 제올라이트 분리막(이하 DDR 분리막)을 전혀 다른 씨앗(물질)을 통해 똑같이 키워내는데 성공했다. 화제의 주인공은 최정규 고려대학교 교수팀이다. 제올라이트는 기공을 지닌 물질로 종류도 수백 가지다. 그중 DDR 분리막은 이산화탄소 분리에 적합한 기공을 지니고 있어 효과적이고 선택적으로 이산화탄소를 제거할 수 있다고 알려져 있다. DDR 분리막을 만드는 일은 쉽지 않다. 통상적으로 제올라이트 분리막은 씨앗 성장법을 이용해 제작하는데 좋은 DDR 씨앗을 구하기 어렵다. 좋은 씨앗을 구했더라도 특정 지지대에 증착시켜 압력밥솥처럼 생긴 오토클레이브에서 구워(합성)냈을 때 성능이 좋지 않았다. 낮은 재현성을 보여 분리막으로 사용하는데 어려움이 있었다.
 “기존에 보고된 방법으로 합성이 어렵다고 판단했습니다. 어떻게 할까 고민하다 합성방법이 간편하고 재현성이 높다고 알려진 CHA(SSZ-13) 입자를 씨앗 입자로 활용했죠. 화학을 전공한 정양환 학생(제1 저자인)의 지식을 활용해 새로운 분리막 성장방법이 구현했기에 가능했던 일입니다.” 최 교수는 특정 지지대에 CHA 입자를 뿌리고 오토클레이브에서 합성한 결과 DDR 씨앗 입자와 같은 성능의 ‘이종 제올라이트 분리막? 을 만들어내는데 성공했다. 최 교수에 따르
면 A라는 씨앗 입자로 결정구조가 다른 분리막 B를 만들어낸 사례는 세계 첫 보고다. 그는 “필름정도를 만들 수 있도록 성장시킨 사례는 있었으나 연속적인 분리막으로 성장한 것은 처음” 이라며 “전혀 다른 종을 통해 쉽고 간단하게 우수한 성능을 가진 분리막을 만든 것에 의의가 있다”고 설명했다. 그렇다면 최 교수팀이 만든 분리막의 성능은 어떨까. 최 교수팀은 실험을 통해 ‘이종 제올라이트 분리막? 이 이산화탄소를 포함하는 혼합물 특히, 이산화탄소/질소, 이산화탄소/메탄에서 선택적으로 이산화탄소를 분리할 수 있다는 것을 확인했다. 또 많은 연구에서 다루기 어려웠던 수분에 강한 ‘소수성? 을 띠도록 제작해 수증기에 분리막 성능의 악영향이 없도록 했다. 탄화수소가 산화될 때 이산화탄소와 더불어 생성되는 수증기에 의해 분리 성능이 저해되는 것을 막을 수 있었다. 최 교수는 “산화될 때뿐 아니라 우리 공기 속에는 물
이 존재하고 있다” 면서 “수분에 영향을 받는 공정에 써도 큰 문제가 없을 것” 이라고 말했다.최 교수팀은 상용화가 될 수 있도록 빠르게 이종 제올라이트 분리막을 키우는 기술을 추가로 개발 중이다.
[HELLODD 2019.10.21]


■ 독일·일본서 100% 수입 연료전지 소재 국산화 성공

 국내 연구진이 차세대 연료전지로 불리는 ‘음이온 교환막 연료전지’의 핵심소재를 국산화하는데 성공했다. 이번 연구 성과는 국내 기업에 기술 이전돼 연내 상용화될 예정이다.
 한국화학연구원은 이장용 화학소재연구본부 박사팀이 음이온 교환막 연료전지에 쓰이는 음이온 교환소재(바인더 및 분리막)의 제조 기술을 개발해 국내 기업인 주식회사 SDB에 이전했다고 30일 밝혔다.
  음이온 교환막 연료전지는 기존 양이온 교환막 연료전지에 비해 제조비용을 크게 낮출 수 있어 전 세계가 주목하고 있는 차세대 연료전지 후보다. 그러나 국내에서 관련 기술을 보유한 기업은 없어 독일 푸마테크와 일본 도쿠야마 등에서 100% 수입한다.
 화학연 연구팀이 개발한 음이온 교환소재는 ‘전극 바인더’와 ‘분리막’이다. 연료전지에서 바인더는 분말가루 형태의 전극을 단단히 결합시키고 전극층 내부에서 이온이 이동할 수 있는 통로를 형성한다.
   또 이온교환막이라고도 부르는 분리막은 양극에서 음극으로 음이온(수산화이온)을 선택적으로 이동시키는 통로 역할을 한다. 이 막은 고체 상태의 전해질로 음이온 교환막 연료전지의 핵심소재로 꼽힌다.
 이들 소재로 음이온 교환막 연료전지를 만들면 기존 소재보다 성능과 내구성이 우수하다는 장점이 있다. 음이온 교환막 연료전지는 현재 산업계에서 사용 중인 양이온 교환막 연료전지보다 제조비용이 적게 드는 장점이 있었으나 성능과 내구성은 떨어졌다.
 이번 연구에 따라 음이온 교환소재의 성능과 내구성이 기존보다 좋아졌다. 바인더의 경우 이온전도도는 3배 이상 향상됐고, 화학적 안정성 역시 높아졌다. 그러나 내구성 부분은 아직까지 양이온 교환소재를 완전히 대체할 수 있는 수준은 아니다.
 이에 따라 이번 음이온 교환막 연료전지는 자동차나 건물용 연료전지를 대체하기보다 상대적으
로 이용 빈도가 낮아 높은 내구성을 요구하지 않는 ‘UPS(Un-interrupted Power System·무정전 전원 공급장치)’에 적용할 수 있을 것으로 보인다.
 이장용 박사는 “연료전지 시장에서 소재는 10%를 차지할만큼 중요하다” 며 “SD B와 함께 산업적 파급효과가 큰 음이온 교환소재를 상용화시키고, 가격을 낮추기 위한 원천기술 연구 개발에 힘을 쏟겠다”고 말했다.
[조선비즈 2019.07.30]


■ KIST, 수소 분리막 투과도 정밀 측정 기술 개발

 한국과학기술연구원(KIST)은 에너지소재연구단의 이영수 책임연구원팀이 금속 수소 분리막의 수소 투과도를 정확하게 측정할 수 있는 방법을 개발했다고 28일 밝혔다.
 정부는 올 1월 ‘수소 경제 활성화 로드맵’을 발표하고 수소를 자동차 연료와 전력생산을 위한 새로운 동력원으로 키우겠다는 장기계획을 발표한 바 있다.
 다양한 분야에 수소 연료를 사용하기 위해서는 혼합 가스에서 수소만을 선택적으로 골라내는 분리·정제 기술이 필수적이다. 일부 금속 소재는 원자 상태의 수소만을 통과시키고 그 외 다른 가스는 거의 통과시키지 않아 혼합 가스에서 수소를 분리·정제하기 위한 분리막으로 사용할 수 있다.
 우수한 성능의 수소 분리막을 개발하기 위해서는 무엇보다 수소 분리막의 투과도를 정확하게 측정할 수 있어야 한다. 분리막의 수소 투과도는 금속 분리막 양단에 수소 압력 차이를 가한 후 시간에 따른 수소 투과량을 측정해 평가한다.
 문제는 실험에서는 압력이 유지되지 않아 실제 투과도 값과 측정법으로 얻은 예측값은 3 0% 정도까지 차이가 생기게 된다.
 이에 연구진은 압력이 변하는 조건에서도 투과도를 해석할 수 있게 시간에 따라 변하는 수소 농도를 시뮬레이션하고 이 값을 재해석하는 방식으로 투과도 측정법을 개발했다. 새 측정법으로는 예측값과 실제값이 거의 일치했다.
 이영수 책임연구원은 “금속 수소 분리막의 정확한 특성 평가가 가능해졌다”며 “신뢰성 있는 기초 데이터를 바탕으로 다양한 분리막 소재를 개발하는 데 크게 이바지할 것으로 기대한다” 고 밝혔다.
 [헤럴드경제 2019.07.28]