기능성 무기막의 제조와 N2/O2 혼합물의 분리에 응용

이상인, 이광래, 안병성*

강원대학교 화학공학과, *KIST CFC Center

Preparation of a Functional Inorganic Membrane and for the Separation of N2/O2 mixture and its Application

Sang-In Lee, Kwang-Rae Lee, Byoung-Sung Ahn*

Dep. of Chemical Eng., Kangwon National University

*CFC Center, KIST

1. 서론

무기막을 이용한 분리기술은 기체 또는 액체의 분리공정에 응용되어 왔다. 무기막은 크게 다공성막과 비다공성막으로 구분된다. 다공성막은 기공이 커서 투과도가 큰 반면에, 기체분리가 주로 Knudsen diffusion에 의해 이루어지기 때문에 분리선택도가 매우 낮은 단점이 있다. 비다공성막은 특정기체에 대해 매우 높은 선택도를 보이나, 투과도는 매우 작다. 최근 들어서는 기존의 무기막의 특성을 향상시키기 위해 다공성 무기막의 기공을 코팅하여 미세기공 또는 비다공성의 복합 무기막 제조 및 분리공정에의 응용에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다[1,2,3]. 본 실험에서는 Al2O3를 지지체로 사용하여 □-Fe2O3를 dip-coating을 해서 기능성 무기막을 제조하였다. 실험은 순수기체인 질소와 산소의 투과실험 및 질소와 산소의 혼합기체인 공기를 분리하는 기초실험을 수행하였다.

2. 실험

2-1. □-Fe2O3 sol용액 제조

Ferric nitrate(Fe(NO3)3·9H2O),(Yakuri P.C. Co. 1級)와 ethylene glycol (HOCH2CH2OH)(Yakuri P.C. Co. 1級)의 조성비를 1:37몰비로 혼합하고, 80℃의 반응온도로 rotary evaporator(EYELA, TOKYO R. CO. LTD)에서 100rpm의 속도를 유지하면서 교반시켜 sol용액을 제조하였다[4,5].

2-2. □-Fe2O3/Al2O3 membrane 제조

Al2O3를 지지체로 사용하였으며, 얻어진 sol 용액으로 dip-coating을 하였다. Sol 용액을 지지체와 접촉시킨 다음, 100℃의 온도로 건조를 하고 전기로에서 300℃의 온도로 열처리를 하였으며 충분한 coating이 이루어지기 위해 4회의 coating을 하여 기능성 무기막을 제조하였다. 지지체의 물성을 Table 1에 나타내었다.

Table 1. The physical properties of substrate

Substrate	Type : tube
	Material : Al2O3
	Pore size : 0.12□
	Length : 70□
	ID : 5.75□
	OD : 7.05□
	□ :1.3□

2-3. 공기분리 실험 및 분석

투과실험 장치에 대한 공정도는 Fig. 1에 나타내었다. 이 실험은 산소와 질소의 분리성능에 미치는 영향에 대한 기초실험이므로, 순수기체인 O2와 N2, 그리고 O2와 N2의 혼합기체인 공기에 대한 분리성능 실험을 행하였다.

유입기체의 수분을 제거시키기 위하여 유입기체를 실리카겔(I)을 통과시킨 후 모듈(A)속의 막의 안으로 공급하고 투과부에서의 기체의 흐름은 유입부의 흐름과 반대 방향인 향류형태로 하였다. 그리고, 투과되지 않은 기체는 배제부를 통해 나오게 하였다. 유입부, 투과부, 배제부에서의 유량은 질량유량계(Teledyne Brown Eng. Hastings instruments)(B,C,D)로 측정하였다. 막의 양단에 걸리는 압력차는 needle valve(E,F)로 조절하였고, 디지털압력계(J)를 사용하여 측정하였다. 그리고, 투과부의 압력은 대기압으로 유지하였다. 복합무기막에 의한 공기의 분리성능을 측정하기 위하여 투과부와 배제부의 농도를 기체크로마토그래피(Shimadzu, GC-14B)를 이용하여 분석하였다.

3. 실험 결과 및 고찰

Fig. 2,3에서 나타낸 것은 막분리의 공정변수중 하나인 압력차를 다르게 하여  순수기체인 N2 와 O2의 투과 실험 결과를 나타낸 것인데 N2가 O2보다  투과도가 컸다. Fig. 4는 sol 입자의 크기가 56□인 것을 coating한 막으로 공기의 투과실험결과를 G.C로 분석한 것이다. 압력차가 3atm 이상에서부터 N2가 O2보다 많이 투과되었다. Fig. 5는 sol 입자의 크기가 20□인 것을 coating한 막으로 공기의 투과실험결과를 G.C로 분석한 것이다. 압력차가 1atm 이상에서부터 N2가 O2보다 많이 투과되었다. 실험 결과, 막 표면에서 □-Fe2O3와 O2와의 친화력 때문에 O2는 막표면에서 잘 투과하지 못하고, 막표면과의 친화력이 없는 N2는 잘 투과한 것으로 판단된다. 그리고, Fig. 4에서는 압력차가 3atm 이상에서부터 N2가 O2보다 잘 투과하였고, Fig. 5에서는 압력차가 1atm 이상에서도 N2가 O2보다 잘 투과하였는데, 이는 coating 물질인 □-Fe2O3의 입자크기가 분리성능에 미치는 인자라고 판단된다.

4. 참고문헌

1. 현상훈, 멤브레인, 3(1), 1 (1993).

2. 하흥용, 남석우, 홍성안, 멤브레인, 9(2), 63 (1999).

3. 현상훈, 강범석, 최두진, J. Korean Ceramic. Soc., 29(12), 970 (1992).

4. Young Soo Kang, S. Risbud, J. F. Rabolt, and P. Stroeve,Chem.Master.,

8(9), 2209 (1996)

5. 강경원, 정용선, 오근호, J. Korean Ceramic Soc., 35(3), 239 (1998).

Fig. Schematic diagram of permeation rate measuring apparatus :

(A)membrane module, (B),(C)(D)mass flow meter, (E),(F)needle valve,

(G)G.C, (H)gas cylinder, (I)silica gel, (J)pressure gauge

Fig. 2. Permeation rates of pure

O2 and N2

Fig. 3. Permeation rates of pure

O2 and N2

Fig. 4. Concentration of O2 and N2 in

permeate stream

(Feed : Air(O2:21%, N2:79%))

Fig. 5. Concentration of O2 and N2 in

permeate stream

(Feed : Air(O2:21%, N2:79%))