순 산소공법에 적용하기 위한 산소 발생 장치

1. 산소 분리 기술의 종류

 

1) 촉매를 이용한 산소발생

표백제를 이용한 촉매로 물과 반응시켜 산소를 발생시키는 원리로 구조가 매우 간단하다. 저가형에 적용되며 고순도의 산소를 발생시킨다. 저가형의 모델로 사용되며 매번 촉매제를 교환해 주어야 하는 불편함이 있어 휴대용 산소발생기로 사용된다.

 

2) 전기분해를 이용한 산소발생

물을 전기분해하면 산소와 수소가 발생하는 원리로 구조가 매우 간단하며 고순도의 산소를 발생시킨다. 가장 기초적이며 가장 공개돼있는 기술이지만 상업적으로 활용되지는 않고 있다. 폭발성이 매우 높은 수소가 발생하여 위험할 뿐더러 수소를 별도 처리를 해야 되기 때문에 후처리 공정이 복잡하다.

 

3) PSA(Pressure Swing Adsorption)방식을 이용한 산소발생

흡착제를 이용한 산소발생 원리로 공기중의 질소분자를 흡착제에 의해 흡수하여 산소의 농도를 높이는 방법을 이용하고 있으며 현재 가장 많이 활용되고 있다. 또한 특허시효가 만료되어 특허에 접촉되지 않고 사용할 수 있어 제작에 어려움이 없다. 그러나 흡착제로 쓰이는 원료가 수분에 약해 수분 방지에 심혈을 기울여야 하는 단점이 남아있다.

 

4) 기체분리방식을 이용한 산소발생

중공사막에 대한 물질들의 투과속도 차이를 이용하여 산소를 분리하는 방법으로 압축공기를 중공사막에 투입시켜 산소를 중공사막의 배출부로 나오게 하여 산소를 방출한다. 이 방식은 반영구적으로 사용할 수 있는 구조로 설치가 간편하고 활용도가 넓다. 수분에 강하고 다른 매체들과의 반응이 없어 하자보수가 거의 없는 것이 큰 장점이라 할 수 있다. 주로 산업용에 많이 활용되고 있으며 이번에 가정용으로 개발하고자 하는 방식으로 전망이 매우 좋다고 할 수 있겠다. 

 

  * 중공사막은 한외여과막 또는 UF막이라고도 하며  주로 신부전증 환자의 혈액투석을 위한 신장투석기에 사용하는 중공사를 산소발생기에 응용한 것으로  미세한 기공으로 공기를 투과시켜 산소를 얻는 방식. 일부 정수기도  미세한 기공으로 물을 투과시켜서 바이러스, 세균등을 걸러내지만 미네랄은 남겨 주는 장점이 있어 중공사막을 채택하고 있다.

 

 

2. 기체분리방식

 

1) 분리막

막(membrane)은 쉽게 말해서 거름종이와 같은 원리로 어떠한 것을 걸러내서 좀 더 깨끗이, 좀더 순수한 것을 얻고자 할 때 쓰는 거르는 것을 말한다. 쉬운 예로 정수기를 예로 들 수가 있겠다.

우리가 깨끗한 물을 먹고자 정수기를 쓸 때는 그 정수기 안에는 역삼투막(Reverse Osmosis membrane)을 많이 쓰고 있는데 이 역삼투막이 막의 한 종류이다. 그런데 이러한 정수기는 물과 같은 액체를 분리하는 것이고, 여기서 활용하고자 하는 막은 기체를 선택적으로 분리하는 기체분리막이다. 여러 가지 혼합 기체 속에서 우리가 원하는 기체를 기체분리막을 이용하여 산소만을 뽑아내려는 것이다.

막에는 종류가 무수히 많다. 활용 목적에 따라 몇 가지로 분리가 된다.

크게는 분리하고자 하는 물질의 상(Phase)에 따라 액체분리막과 기체분리막, 그리고 형태에 따른 복합막, 비대칭막, 중공사막 등 또한 막의 성분에 따른 고분자막, 세라믹막, 액막 등 그 외 이온교환막, 다공성막 등, 아주 많은 종류의 막(Membrane)이 연구되고 실제 공정에 쓰여지고 있습니다. 

  * 삼투압은 농도가 다른 용액이 반투막을 사이로 분리되어 있으면 농도의 평형을 맞추기 위해 농도가 낮은 쪽의 용액이 농도가 높은 쪽으로 이동(투과)하는 자연의 원리인데 역삼투압은 여기에 인위적인 압력을 가해 삼투압의 과정을 역으로 진행시키는 것이다.  역삼투합 방식의 정수기에서 오염물질을 제거하기 위하여 사용하기도 하는데, 증류수에 가까운 물이 나온다는 단점이 지적되기도 한다.

 

2) 기체분리방식이란

분리막이란 2상 사이에서 물질의 이동을 선택적으로 제한하는 기능을 갖는 고분자 재질의 계면(Interphase)이라고 정의될 수 있다. 최근 산업의 고도화 및 다변화로 인한 고순도, 고품위의 제품이 요구됨에 따라 분리공정은 대단히 중요한 공정으로 인식되고 있어 화학공업, 식품공업, 약품공업 등의 공업분야뿐만 아니라 의료, 생화학 및 환경분야에 이르기까지 중요한 연구과제가 되고 있다.

막을 이용한 기체분리는 막에 대한 선택적인 가스투과원리에 의하여 진행된다. 즉 기체혼합물이 막 표면에 접촉하였을 때 기체성분은 막 속으로 용해, 확산하게 되는데 이때 각각의 기체성분의 용해도와 투과도는 막 물질에 대하여 서로 다르게 나타나게 된다. 예를 들면 헬륨, 수증기 등은 쉽게 투과하는 기체성분들이고 반면에 메탄, 질소 등은 매우 느리게 투과하는 기체성분들이다. 이것이 공기중의 산소와 질소, 이산화와 메탄 등을 막을 이용하여 분리할 수 있는 이유가 된다. 기체분리에 대한 추진력은 막 양단에 가해지는 특정기체성분에 대한 분압 차이다.

특히 분리막을 이용한 막분리 공정은 상(Phase)변화가 없고 에너지 소모가 적은 장점 때문에 여러 분야에서 광범위하게 응용되고 있다.

 

3) 기체분리방식의 특징

기체분리막이란 기체 혼합물 중 특정 기체성분 만을 분리해낼 수 있는 분리막으로서 낮은 에너지소비, 장치의 간소화, 큰 선택성, 가공의 용이성, 낮은 투자 및 운용비용 등 여러 가지 장점으로 인하여 다른 방법들에 비해 분리가 간단하기 때문에 많은 관심을 가지고 연구하고 있는 분야이다.

 

4) 중공사형 기체분리방식

환경산업을 선도하는 중공사형 기체분리막은 엔지니어링 플라스틱인 Polysulfone을 소재로 하고 Polysiloxane 고분자를 코팅하여 제조된 중공사복합막이다. 공기분리의 경우 일정 압력 하에서 압축공기를 중공사막 내부로 공급하고 다른 한쪽 부분이 더 낮은 압력으로 유지될 때 산소같이 질소에 비하여 상대적인 투과속도가 빠른 기체는 막을 빠르게 투과하고 질소같이 상대투과속도가 느린 기체는 중공사막 내부에 남게 됨으로써 고농도의 질소와 산소를 얻게 된다.

 

5) 기체분리방식의 사용되는 재료

분리막의 재료로는 유기 및 무기고분자가 사용되고 있으며 주로 유기고분자 재료가 사용되고 있다. 다양한 종류의 고분자 재료가 사용되고 있으며 분리막 재료로 사용되는 대표적인 고분자는 Polypropylene, Polysulfone, Polyimide, Polyamide, Polyacrylonitrile, Cellulose 등의 고분자가 주로 사용된다. 기체분리막은 일반적으로 단독으로는 사용되기는 어렵고 막을 분리공정에 이용할 수 있도록 장치화하여 사용하게 된다.