• Membrane Journal
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• v.34 no.2
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• pp.114-123
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• 2024

Hydrogen isotopes can be categorized into light hydrogen, heavy hydrogen, and tritium based on the number of neutrons, each of which is used in specific fields. Specifically, deuterium is of interest in the electronics industry, nuclear energy industry, analytical technology industry, pharmaceutical industry, and telecommunications industry. Conventional methods such as cold distillation, thermal cycling absorption processes, Girdler sulfide processes, and water electrolysis have their own advantages and disadvantages, leading to the need for alternative technologies with high separation and energy efficiency. In this context, membrane-based hydrogen isotope separation is one of the promising solutions to reduce energy consumption. In this review, we will present the state-of-the-art in hydrogen isotope separation using membranes and their operating principles. The technology for separating hydrogen isotopes using membranes is just beginning to be conceptualized, and many challenges remain to be overcome. However, if achieved, the economic benefits are expected to be significant. We will discuss future research directions for this purpose.

• Membrane Journal
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• v.22 no.1
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• pp.16-22
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• 2012

The influence of co-existing gases on the hydrogen permeation without sweep gas was studied through a Pd-coated $V_{99.8}B_{0.2}$ alloy membrane. Membranes have been investigated in the pressure range 1.5-8.0 bar under pure hydrogen, hydrogen-carbon dioxide and hydrogen-carbon monoxide gas mixture without sweep gas at $400^{\circ}C$. Preliminary hydrogen permeation experiments without sweep gas have been confirmed that hydrogen flux was $40.7mL/min/cm^2$ for a Pd-coated $V_{99.8}B_{0.2}$ alloy membrane (thick : 0.5 mm) using pure hydrogen as the feed gas. In addition, hydrogen flux was $21.4mL/min/cm^2$ for $V_{99.8}B_{0.2}$ alloy membrane using $H_2/CO_2$ as the feed gas. The hydrogen permeation flux decreased with decrease of hydrogen partial pressure irrespective of pressure when $H_2/CO_2$and $H_2/CO$mixture applied as feed gas respectively and permeation fluxes were satisfied with Sievert's law in different feed conditions. It was found from XRD, SEM/EDX results after permeation test that the Pd-coated $V_{99.8}B_{0.2}$ alloy membrane had good stability and durability for various mixtures feeding condition.

• Membrane Journal
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• v.33 no.4
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• pp.168-180
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• 2023

H₂ generation from renewable sources is crucial for ensuring sustainable production of energy. One approach to achieve this goal is biohydrogen production by utilizing renewable resources such as biomass and microorganisms. In contrast to commercial methods, biohydrogen production needs ambient temperature and pressure, thereby requiring less energy and cost. Biohydrogen production can reduce greenhouse gas emissions, particularly the emission of carbon dioxide (CO₂). However, it is also associated with significant challenges, including low hydrogen yields, hydrodynamic issues in bioreactors, and the need for H₂ separation and purification methods to obtain high-purity H₂. Various technologies have been developed for hydrogen separation and purification, including cryogenic distillation, pressure-swing adsorption, absorption, and membrane technology. This review addresses important experimental developments in dense polymeric membranes for biohydrogen purification.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2011.02a
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• pp.196-196
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• 2011

팔라듐-구리 합금 분리막은 세륨산화물로 전처리된 다공성 니켈 지지체 위에 마그네트론 스퍼터 공정과 구리리플로우 공정에 의해 제조되었다. 스퍼터 공정은 얇고 치밀한 팔라듐 합금 분리막 증착을 위해 아주 효과적이다. 본 연구에서는 고온 스퍼터 공정에 의해 증착된 팔라듐 상부에 유동성과 열적확산이 우수한 구리를 코팅한 후, 반도체 분야에서 기가 패턴 매립시 사용하는 구리리플로우 공정을 도입하였다. 구리리플로우 공정은 치밀하고 미세기공이 존재하지 않는 표면을 구현하고 무한대의 수소 투과도를 가능하게 한다. 이로써 마그네트론 스퍼터에 의해 $200^{\circ}C$에서 팔라듐과 구리를 순차적으로 코팅한 후, $700^{\circ}C$에서 2시간 구리리플로우 공정을 실시하여 $7.5{\mu}m$ 두께의 팔라듐-구리 합금 분리막이 제조되었다. 세륨산화물(CeO2)은 고온에서 장시간 운전하는 동안 다공성 니켈 지지체의 금속성분이 팔라듐 합금층으로 확산하는 금속의 확산 문제를 개선하고자 지지체와 코팅층 사이에 확산방지막으로 도입되었으며, 균일한 스퍼터 증착을 위해 평탄한 표면의 지지체를 구현하였다. 투과도 테스트는 100-400kPa 의 압력차, 673-773K 의 온도 조건에서 순수한 수소가스로 실시하였다. 표면 미세기공이 없는 치밀한 팔라듐-구리 합금 분리막은 혼합가스에서 질소의 투과 없이 수소만을 투과하는 무한대의 우수한 분리도를 나타내었으며, 상용온도 $500^{\circ}C$에서 12.6ml/$cm^2{\cdot}min{\cdot}atm$의 수소 투과 능력을 보였다. 본 연구에 의해 제조된 팔라듐-구리 합금 분리막은 표면 미세기공이 없는 치밀한 분리막 제조를 가능하게 하였으며 열팽창계수가 팔라듐과 매우 비슷한 세륨산화물($CeO_2$)로 인해 지지체층과 코팅층과의 접합력이 향상되고 수소취성에 강하고 높은 열적 안정성을 갖는다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2007.11a
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• pp.118-121
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• 2007

수소 스테이션의 수소분리정제를 위한 Compact 형 PSA를 연구하였다. 수소 스테이션의 공정과정 중에서 수소 분리를 위한 PSA 장치는 에너지효율면에서 장점을 가지고 있지만 부피가 커서 많은 부지를 차지하는 단점이 있다. 수소 PSA의 이러한 단점을 줄이기 위하여 하나의 흡착탑 안에 다른 흡착탑을 넣는 Dual bed 형태의 Compact형 수소 PSA공정을 연구하였다. Compact형 수소 PSA는 하나의 bed안에 다른 하나의 bed를 넣음으로써 시스템이 차지하는 부피를 줄이는 한편, inner bed와 outer bed사이의 열교환 효과가 나타나기 때문에 그 효율을 높일 수가 있다. Compact형 Dual bed는 활성탄으로 충진하였고 공급 기체로는 4성분 수소 혼합물 ($H_2/CO/CH_4/CO_2$, 69:2:3:26 vol.%)를 사용하였다. 흡착탑의 동특성을 알아보기 위하여 공급유량 7LPM, 흡착압력 9atm의 조건으로 파괴 실험을 수행하였다. 또한, Compact형 흡착탑의 열교환 효과가 PSA공정에 미치는 영향을 보고자 한 쪽 탑에서 흡착을 할 때, 다른 탑에서 탈착이 일어나는 실험을 하였다. 그리고 P/F ratio에 따라 Compact형 PSA 공정 실험을 하고 Compact형 흡착탑과 같은 부피의 일반 두 탑 PSA 공정을 시뮬레이션 값과 비교함으로써 Compact형 PSA의 성능을 알아 보았다. 그 결과 Dual bed PSA는 작은 부피를 차지하는 장점뿐만 아니라 열적 효과로 인하여 기존의 단일 흡착탑 PSA에 비하여 보다 높은 효율을 나타내면서 우수한 수소 분리 성능을 보여주었다.

• Membrane Journal
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• v.6 no.2
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• pp.59-71
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• 1996

기체 막분리공정 기술이 점점 개발되어질수록 막분리의 성능을 이해하려는 필요성이 각 공정에서 증진될 것이며 기체 막분리 성능의 예측능 기술 발전을 위해 계속 시도되어질 것이다. 이러한 추세에 힘입어 현재 석유화학공정 배가스 중 수소를 정제하기 위한 기술 개발을 시도하고 있으며 특히 저농도의 수소를 고농도로 농축시키기 위해 막분리 공정을 적극 검토하고 있다. 본 논문에서 밝혀 본 막분리 공정의 성능 예측과 분석은 향후 공정을 설계하고 제작하는 데 크게 이바지할 뿐만 아니라 석유화학 제반 공정뿐만 아니라 관련 화학공업장치 산업에서 기체 분리를 통한 자원회수와 에너지 절약 측면에서 계속 발전해 나갈 것은 믿어 의심치 않을 것이다.

• Clean Technology
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• v.18 no.4
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• pp.360-365
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• 2012

With rapid increase in municipal solid waste (MSW) due to the rising economy, solid waste gasification emerges as one of the promising technologies. Separation of the carbon monoxide (CO) and hydrogen ($H_2$) from syngas obtained by gasification of MSW was studied using the polyamide composite membrane. The separation characteristics of the CO and $H_2$ were studied at different gas flow rates and stage cuts. The permeability of CO and $H_2$ along with the selectivity of $H_2$ with respect to CO was obtained. Furthermore, the Arrhenius plots were obtained to estimate the activation energies of CO and $H_2$ permeabilites.

• Proceedings of the Membrane Society of Korea Conference
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• 1995.10a
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• pp.47-48
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• 1995

알루미나 막이나 바이코 글라스(Vycor glass)같은 다공성 무기재료막은 화학적으로 안정하고 열에 잘 견디므로 고온에서 기체를 분리하는 데에 사용될 수 있다. 미세한 기공을 가지고 있는 알루미나막은 수소를 분리하는데 상대적으로 높은 투과도를 나타내고 고온에 잘 견딘다. 기공이 치밀한 알루미나막에 의하여 분리되는 메카니즘은 기체의 분자량에 의존하는 Knudsen확산이 지배적이 된다. 그러나, 분자량의 차이가 크지 않을때는 Knudsen확산에 의한 분리도는 크지않다. 그래서 분리도의 향상에 대해 많은 사람들이 연구하고 있다. 본연구에서는 Sol-Gel법으로 제조된 막을 개선하여, 높은 압력차에서 조업할 수 있도록 하고자, TEOS와 증류수를 막의 기공내에서 반응시켜 실리카를 기공내에 생성시키고자하는 실험을 수행하였다. 이 연구를 통해 약 25 psi 정도의 압력차하에서도 수소/질소의 분리도가 Knudsen확산의 수준을 보이는 실용적인 막을 생산할 수 있었다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2010.11a
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• pp.115.1-115.1
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• 2010

수소 에너지는 인류가 당면해 있는 대체에너지와 환경문제를 해결할 수 있는 방법 중 하나이며, 전 세계적으로 수소 제조/정제 기술에 대한 연구가 활발히 진행 중이다. 본 연구에서는 수소 제조/정제 분야 중 분리막에 대한 연구를 진행하였다. 분리막 지지체로 는 SUS, Ceramic, Nikel 등의 소재들이 사용되고 있지만 본 연구에서는 수소취성이 강하고 제조원가가 낮으며 가공 성형하기 쉬운 Nikel을 사용하였다. 분리막 지지체는 Nikel Powder 전처리 과정을 통해 불순물을 제거하였으며, 몰드에서 가압 성형 후 기계적 강도 증가를 위해 고온에서 짧은 시간동안 소성 하였다. 분리막의 $H_2$ Flux 향상을 위한 방법으로 지지체 표면 조도 증가를 위해 polishing을 하였다. 표면 조도 특성은 polishing 조건에 따라 많은 차이점이 있기에, 다양한 조건에서 polishing한 분리막 지지체의 표면 조도를 SEM 분석을 통하여 지지체로서의 $H_2$ Flux향상에 어떠한 영향이 있는가를 알아보았다.

• Korean Chemical Engineering Research
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• v.48 no.5
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• pp.598-602
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• 2010

In this paper, we carried out CFD modelling and simulation for the membrane system to separate H2 gas from the multi-component feed gas. The membrane system is of the annulus tubular type consisting of the external lumen side for the feed gas and the internal permeation side for the sweeping gas. The operating temperature and pressure of the lumen side inlet flow are $374^{\circ}C$ and 7 bar respectively and those of the sweeping gas are $374^{\circ}C$ and 3 bar, and considering these conditions, Pd membrane system was employed. CFD simulations were performed for the co-current flow and counter-current flow membrane system based on the flow directions between the feed and the sweeping gas. Comparisons and discussions were made for the H2 partial pressure, H2 mole fraction and H2 flux for both cases. Furthermore, we executed CFD simulations for the each case of the various inlet flow rates of the feed gas at the lumen side. Accordingly, we reviewed the effects of the flow rate and residence time on the performance of the membrane system.