The membrane separation paradigm, free from phase change, aligns with global carbon reduction goals by offering an energy-efficient alternative to current thermal industrial separations. Operating based on the permeation rate ratio, the membrane separation process eliminates latent heat requirements, reducing energy consumption by up to 10%. It thereby shows promise in lowering carbon emissions and finds applications in diverse industries such as pharmaceuticals and petrochemicals, serving as a potential replacement for solvent separation processes. Despite its potential, membrane separation processes face challenges in achieving economically feasible high throughput and selectivity, especially when dealing with complex multi-component mixtures during separation and purification.
This dissertation proposes an innovative methodology for directly separating organic solvent mixtures at room temperature, spanning from bulk mixture separation to molecular-level differentiation. The approach considers membrane materials and explores new separation methodologies tailored to specific separation targets. Leveraging an understanding of adsorption and diffusion behavior, the ultramicroporous carbon hollow fiber membrane is designed with pores similar in size to solvent molecules. Such design achieves size and shape selectivity, enabling sub-angstrom resolution in room temperature organic solvent forward osmosis technology using a draw solvent, a demonstration accomplished for the first time. Additionally, the study emphasizes the potential of pressure-assisted osmosis technique to simultaneously achieve high throughput and selectivity for challenging hydrocarbon liquids by controlling process conditions, including the type of draw solvent. Finally, it accomplishes a membrane-based reverse osmosis process for complex organic solvent mixtures, specifically crude oil containing over a thousand components, and proposes design orientations for a continuous membrane cascade to comprehensively replace conventional distillation-based separation processes.
상 변화 없는 막 분리 패러다임은 현 열적 산업 분리의 에너지 및 탄소 집약도를 전세계 탄소 저감 목표와 일치시킬 수 있는 선진 기술이다. 투과 속도의 비율에 따라 작동하는 분리막 공정은 상 변화를 위한 잠열을 필요로 하지 않아, 에너지 소비를 기존 산업 대비 최대 10% 수준까지 완화하고 탄소 배출 저감에 유망함을 나타내어, 제약∙석유화학 등 다양한 산업의 유기용매 분리공정을 대체하고자 발전해왔다. 그러나 막 분리공정은 특히 복잡한 다성분 혼합물의 분리 및 정제에 있어, 경제적으로 타당한 수준에서 높은 처리량과 선택성을 동시에 달성해야 하는 과제에 직면해 있다.
본 학위논문에서는 분리 대상에 따른 분리막 물질 고찰과 새로운 분리 기법의 탐구를 바탕으로, 매우 복잡한 벌크 혼합물 분리에서 분자 수준의 분리에 이르기까지 유기용매 혼합물의 상온 직접 분리를 위한 선구적인 방법론을 제안한다. 흡착 및 확산 거동에 대한 이해를 바탕으로 용매 분자와 유사한 크기의 기공을 갖도록 설계된 초미세다공성 탄소 중공사막은 크기 및 모양 선택성을 바탕으로, 유도용매를 활용하는 상온 유기용매 정삼투 기법의 분자 수준 분리를 최초로 입증한다. 나아가, 유도용매의 종류 등 공정 조건들을 제어하여 높은 처리량과 선택도를 동시에 달성할 수 있는 압력 보조 정삼투 기법의 잠재력을 입증한다. 궁극적으로, 수천 개 이상의 성분을 포함하는 복잡한 유기용매 혼합물인 원유를 정제하는 상온 원유 역삼투 공정을 실현하며, 기존 증류 기반 분리공정을 포괄적으로 대체하는 연속적 분리막 케스케이드의 전망 및 지향점을 제안한다.
