세계적으로 중요한 문제인 지구 온난화와 기후 변화는 대기 중의 CO₂와 깊은 연관이 있다. 그에 맞춰, 2018년에 기후 변화에 관한 정부 간 협의체(IPCC)는 인명 및 재산 손실로 이어지는 잦은 폭염, 집중 호우, 극지방 빙하 소멸, 해수면 상승을 방지하기 위하여, 세계 평균 온도 상승을 1.5 °C 미만으로 제한하는 목표를 세웠다. 그럼에도 불구하고, 국제 에너지 기구(IEA)에서 발표한 세계 에너지 전망 2020(World Energy Outlook 2020)에 따르면 종래와 같이 탄소 배출을 줄이기 위한 적극적인 행동이 취해지지 않으면 2070년까지 지구 온도가 약 1.65 °C 상승할 것이라고 전망했다.
CO2 배출을 줄이기 위한 노력의 일환으로, 막 기반 분리 기술은 분리 공정의 에너지 집약적인 기존 작업들을 대체 또는 보완할 수 있는 실행 가능한 옵션으로 주목받고 있다. 다양한 후보들 중에서, 선택적 흡착 및 분자체 능력을 기반으로 분자 수준의 감별이 가능한 제올라이트는 분자 분리에 있어 매우 매력적인 소재이다. 제올라이트 분리막을 실제 응용 분야에 활용하기 위해선 모듈화된 형태의 제올라이트 분리막이 가진 분리 성능에 대한 포괄적인 이해가 필요하다. 그럼에도 불구하고, 제올라이트 분리막에 대한 대부분의 연구는 투과 선택도로 대표되는 분리막 고유의 특성을 향상시키는 데에 중점을 두고 있다.
따라서 본 연구에서는 제올라이트 분리막의 막 및 모듈 특성에 대해 종합적으로 이해하고자 하였다. 이를 위해, 각각 p-xylene 및 CO₂ 선택도를 갖는 MFI(zeolite soconi mobil-five)와 CHA(Chabazite) 타입의 제올라이트 분리막을 합성하여 제올라이트 분리막의 분리막 특성(투과도와 분리 계수 기반의 관점)을 연구하였다. 나아가, CHA 분리막을 작은 디스크에서 다중 튜브 모듈로 스케일업 하였고, 이를 이용하여 실제 응용을 위한 분리막 및 모듈 특성(회수율과 순도의 관점)에 대한 연구를 진행하였다. 먼저 1장에서는 제올라이트 분리막과 분리막 및 모듈 특성에 대한 포괄적인 이해의 필요성에 대해 소개하였다.
2장에서는 제올라이트 분리막의 분리막 특성을 개선하고 이해하기 위해 결함에 대한 연구를 진행하였다. 일반적으로 소성 과정에서 발생하는 결함은 표적 혼합물에 비선택적인 투과경로를 제공하여 분리막의 투과 선택성을 심각하게 저해한다. 따라서 결함은 분리막의 투과도와 분리 계수로 대표되는 분리막 특성과 밀접한 관련이 있다. 분리막 특성을 향상시키기 위해, 산업적으로 중요한 혼합물(xylene 이성질체, butane 이성질체, 천연가스 스트림)의 분리를 위해 널리 연구되어 온 MFI 타입 제올라이트 분리막을 합성하고 다양한 방법으로 소성하였다. 그 결과, 오존(O₃)에 의한 저온 소성 방법을 바탕으로 세계 기록만큼이나 뛰어난 높은 p-xylene 투과 선택도를 달성할 수 있었다. 그런 다음, 결함과 분리막 특성 간의 관계를 이해하기 위해, MFI 분리막의 결함 구조를 분석하고, 결함이 MFI의 p-xylene 및 o-xylene 투과도에 대해 갖는 기여도를 정량적으로 평가하였다.
3장에서는 분리막 및 모듈 특성 간의 연관성에 대해 연구하였다. 이를 위해, 높은 CO₂ 투과 선택도를 가진 CHA 타입 제올라이트 분리막을 합성하고 디스크에서 튜브로 스케일업 하였다. CHA 분리막은 미세기공(0.37 × 0.42 nm²)의 분자 식별을 통해 CO₂(0.33 nm)를 보다 큰 분자 (N₂(0.364 nm) 및 CH₄(0.38nm))로부터 분리할 수 있으며, 습한 CO₂ 함유 공급물에 대해서도 잘 작동하여 효과적인 탄소 포집이 가능하다. 그런 후에, CHA 분리막의 분리 성능을 체계적으로 제어된 작동 조건에서 평가하였다. 분리막 특성은 Reynolds 수로 대표되는 공급 스트림 특성과 밀접한 관련이 있음이 발견되었는데, 이를 바탕으로 분리막 및 모듈 특성을 극대화하기 위하여 최적의 작동 조건에 대한 몇 가지 중요 매개 변수를 제안하였다.
4장에서는 제올라이트 분리막의 실제 적용을 위해 모듈 특성을 향상시키는 방법을 연구하였다. 이를 위해 더욱 다양한 작동 조건에서 CHA 분리막을 테스트하였으며, 분리막 및 모듈 특성과 공급 스트림 특성 사이의 관계를 더욱 개선된 형태로 제안하였다. 이를 기반으로, CO₂에 대한 회수율, 순도 및 공정 효율성으로 대표되는 모듈 특성을 설명하기 위한 주요 매개변수(공급 유량, 압력 및 모듈 치수로 구성)를 제안하였다. 그런 다음, 다중 분리막 모듈로 스케일업 된 CHA 분리막을 2단 분리막 시스템에 적용하였다. 결과적으로 모듈 특성이 눈에 띄게 향상되어 실제 배가스 처리를 위한 CHA 분리막의 큰 잠재력이 성공적으로 입증되었다. 또한, 분리막 및 모듈 특성과 공급 스트림 특성 간의 관계를 기반으로 모듈 특성의 개선을 정량적으로 예측할 수 있었다.