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중공사 탄소막의 개발과 기체 투과 특성 연구

전문가 제언: ○ 가스분리 성능의 상충되는 두 성질인 투과성과 선택성을 충족하는 탄소막은 미소세공을 통한 분자체 효과에 의해 작은 기체분자에 대해 뛰어난 분리성능을 보인다. 중공사 탄소막은 외경 2㎜ 이하의 중공형으로 형성하여 탄화시킨 자립형 막이다. 각각 실험실 수준에서는 뛰어난 분리 성능이 보고되고 있지만 비용과 제조기술상의 과제로 인해 아직도 실용화에는 미흡한 실정이다.

○ 본보고서는 일본 산업기술종합연구소 연구진이 신규 중공사 탄소막의 개발을 목적으로 전구체용의 고분자 재료를 탐색한 최근의 연구결과이다. 그 내용은 제막시의 탄화온도 영향, 작용기 등의 도입 영향, 막의 구조 해석 등으로서 향후 관련 기술 개발에 유용한 자료로 기대되나 높은 제조비와 복잡한 제막 및 모듈화 공정은 주요 해결과제이다.

○ 우리나라도 최근 한양대에서 polyacrylonitrile(PAN) 등을 전구체로 한 중공사막의 열분해 조건에 따른 물리적 특성과 기체 투과특성에 대한 연구, 광주과학기술원의 PPO/PVP 고분자 블렌드 탄소막의 기체 투과 특성 등 탄소막을 기체분리에 응용하는 연구가 활발히 수행 중이다. 한국화학연구원에서는 기존 휘발성 유기물의 분리회수 공정의 단점을 해결하는 기술로 선택적 흡착-확산 메커니즘을 통해 높은 투과성과 선택성을 갖는 pitch/PAN 활성탄소 중공사막 및 phenol/alumina 복합 활성탄소 중공사막을 개발했다. 그러나 현재까지 분리소재 및 각 부품소재의 설계 및 제조기술, 구조해석을 위한 분석기술, 시스템 설계기술은 일본 등의 선진국에 비해 뒤처진 실정이다.

○ 분자체 탄소막은 전구체가 상이해도 기본적으로 투과물질의 분자 크기에 의존하는 투과 거동을 보이며 분자체 능력에 따라 분리성능을 발휘한다. 따라서 앞으로 막의 원소분석 등을 통한 고정도의 구조 해석과 고성능 흡착분리 특성 평가시스템의 구축을 통해 제막 조건 최적화 등 관련 기술에 대한 많은 연구가 필요하다. 나아가 상용화를 위해서는 이들 기초연구 결과를 토대로 모듈 최적화 설계 및 제작, 연속 제막 공정 및 운전변수 최적화 등에 대한 심층 연구가 필요하다.

저자: Miki Yoshimune
자료유형: 학술정보