자동차 연료용 바이오가스의 고순도 메탄 분리정제를 위해 2단 재순환 분리막 공정을 연구하였다. 2단 재순환 분리막 공정을 개발하기 위해 폴리설폰(Polysulfone) 중공사 모듈을 채택하여 이산화탄소, 메탄의 순수투과도를 측정하였다. 또한 모델 혼합가스를 대상으로 모듈의 메탄농도와 압력에 대해 투과실험을 수행하여 메탄의 농도와 회수율에 대한 연구를 수행하였다. 그 결과를 토대로 2단 재순환 분리막 파일럿 플랜트를 제작하였으며 현장에서 발생되는 바이오가스를 대상으로 공정변수에 대한 메탄 회수율과 농도에 관한 투과실험을 수행하였다. 제습기와 탈황설비 등의 전처리설비를 거쳐 가스 내의 수분을 500 ppm 이하, 바이오가스내의 황화수소 농도를 20 ppm 이하로 제거하였으며 그 정제된 혼합가스를 대상으로 파일럿 분리막 공정의 막면적비에 따른 운전결과를 알아보기 위하여 1, 2단의 막면적비가 각각 1:1, 1:3, 2:2가 되도록 구성하여 실험을 진행한 결과, 1단의 막면적은 $1m^2$로 동일하고 2단의 면적비가 $1m^2$에서 $3m^2$로 증가하였을 경우 최종 공급유량은 6.6 L/min에서 80.7 L/min로 그리고 메탄 회수율은 메탄순도 95%에서 47.1%에서 92.5%로 증가하였다. 또한, 막 면적비가 1:1로 동일한 경우 전체 면적이 2배로 증가함에 따라서 유량은 6.6 L/min에서 100.8 L/min로 회수율은 47.1에서 88.3%를 나타내었다. 1:3 면적비에서 공급유량이 증가하는 경우, 최종 메탄 순도는 감소하고 메탄 회수율은 증가하는 것을 알 수 있었다. 운전압력이 증가할수록 공급유량은 증가하고 회수율은 다소 감소하는 것으로 나타났다. 실험을 통해 유효막면적, 공급압력과 공급유량의 변화가 공정 성능향상에 중요한 영향을 미친다는 것을 확인하였다.
In this study, 2-stage recirculation membrane process was developed for purification of high purity bio-methane for the vehicle fuel application. Pure gas permeation and mixture gas permeation test were done as a function of methane content and pressure in the feed using polysulfone membrane modules. 2-stage membrane plant was designed, constructed in a food waste treatment cite. Dehumidification, dry desulfurization, and desiloxane plants are installed for the removal of $H_2O$, $H_2S$ and siloxane in the biogas. Permeation test were done with the pre-treated methane mixture in terms of methane purity and recovery by adjusting the ratio of membrane area (1:1, 1:3, 2:2) in the first and second membrane modules in the plant. When membrane area of 2 stage increased to $3m^2$ from $1m^2$ at 1-stage membrane area of $1m^2$, the feed rate and $CH_4$ recovery at 95% methane purity were increased from 47.1% to 92.5% respectively. When the membrane area increased two-fold (1:1 to 2:2), $CH_4$ recovery increased from 47.1% to 88.3%. When the feed flow rate was increased, in 1:3 ratio, final purity of the methane is reduced, the methane recovery is increased. When operating pressure was increased, the feed rate was increased and recovery was slightly decreased. From this result, membrane area, feed pressure and feed rate could be the important factor to the performance of the membrane process.
