• 멤브레인
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• 제34권2호
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• pp.114-123
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• 2024

수소 동위 원소는 중성자 수에 따라 경수소, 중수소, 삼중수소로 분류될 수 있으며, 각 원소는 특정 분야에서 사용되고 있다. 구체적으로, 중수소는 전자 산업, 원자력에너지 산업, 분석기술 산업, 의약품 산업, 그리고 통신 산업에서 관심을 받고 있다. 냉각 증류, 열 주기 흡수 공정, Girdler sulfide 공정, 그리고 수전해와 같은 기존의 방법들은 각각의 장단점을 가지고 있지만, 공통적으로 막대한 에너지를 필요로 하는 공정에 기반한다는 문제점을 가지고 있다. 높은 에너지 효율을 보이는 기술을 기반으로 분리하는 공정의 개발이 요구되는 실정이다. 이런 맥락에서 막을 사용한 수소 동위 원소 분리 기술이 에너지 소비를 줄이는 유망한 해결책 중 하나라 볼 수 있다. 이 총설에서는 분리막을 활용한 수소 동위원소 분리에 관한 선행 연구와 그들의 작동 원리를 소개하고자 한다. 특히 최근 제시되고 있는, 그래핀 기반 전기적 펌핑을 통한 수소 동위원소 분리기술에 대하여 다루고자 한다. 분리막을 활용한 수소 동위원소 분리에 대한 기술은 이제 개념이 제안되기 시작한 단계이며, 많은 부분에서 해결해야 할 난제가 있다. 그러나 이를 달성할 경우 경제적인 효과가 상당할 것으로 판단된다. 이를 위한 향후 연구 방향에 대해서 논하고자 한다.

• 멤브레인
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• 제22권1호
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• pp.16-22
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• 2012

팔라듐이 코팅된 $V_{99.8}B_{0.2}$ 합금 분리막을 통해 sweep 가스를 사용하지 않고 수소 투과 시 혼합가스의 영향에 대해 알아보았다. 분리막은 $400^{\circ}C$에서 sweep 가스를 사용하지 않고 순수 수소, 수소/이산화탄소, 수소/일산화탄소의 혼합가스를 1.5~8.0 bar의 압력으로 실험하였다. Sweep 가스를 사용하지 않고 수소만을 공급한 투과 실험에서 팔라듐 코팅된 $V_{99.8}B_{0.2}$ 합금 분리막(두께 : 0.5 mm)의 수소 투과량은 $40.7mL/min/cm^2$였다. 또한 수소/이산화탄소를 공급한 투과실험에서 $V_{99.8}B_{0.2}$ 합금 분리막의 수소 투과량은 $21.4mL/min/cm^2$였다. 수소/이산화탄소 및 수소/일산화탄소 혼합가스를 각각 공급할 때 투과량은 압력에 상관없이 수소 분압 감소 만큼 감소하였고 모든 경우 Sievert 법칙을 잘 만족시켰다. 투과 후 분리막의 XRD, SEM/EDX 결과로부터 $V_{99.8}B_{0.2}$ 합금 분리막은 여러 혼합가스에 대해 안정성과 내구성이 우수하다는 것을 알 수 있었다.

• 멤브레인
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• 제33권4호
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• pp.168-180
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• 2023

본 총설은 탄소중립 및 에너지순환을 실현하기 위한 재생에너지로부터 그린수소 생산 전략 중 하나인 바이오수소 생산 및 정제법에 관해 소개하고자 한다. 바이오수소는 생물질과 미생물과 같은 재생에너지원을 이용하며, 상온 및 상압 등의 마일드한 실험조건에서 작동하여 에너지소비 및 공정비용이 적게 드는 친환경 공정으로 알려져 있다. 하지만, 이러한 바이오수소를 상업적으로 이용하기 위해서는 해결해야 할 중요한 도전적인 과제가 존재한다. 특히, 바이오수소는 생물반응기내의 복합한 화학반응으로 합성되어, 낮은 수소생산 속도 및 반응기내 다양한 혼합물이 존재하여, 바이오수소 고순도화를 위해서 연속공정 형태의 분리 및 정제 기술이 반드시 필요하다. 이를 위해, 저온 증류법, 압력 흡착법, 분리막법 등을 비롯한 다양한 분리 및 정제 기술이 고순도 바이오수소를 얻기 위해 제안되었다. 본 총설에서는 바이오수소 생산 및 정제 연계화를 위한 비다공성 고분자 분리막의 가능성에 대해 소개하고자 한다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2011년도 제40회 동계학술대회 초록집
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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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• 한국신재생에너지학회 2007년도 추계학술대회 논문집
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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.

• 멤브레인
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• 제6권2호
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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.

• 청정기술
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• 제18권4호
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• pp.360-365
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• 2012

오늘날 경제 성장에 따른 도시고형폐기물(Municipal Solid Waste, MSW)의 발생량 증가로 MSW의 환경적인 처리 및 에너지 회수측면에서 폐기물 가스화에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 폐기물 가스화 공정을 통하여 생산된 합성가스의 활용연구를 위하여 폴리아마이드 복합막을 이용한 일산화탄소 및 수소 혼합가스의 분리특성 연구를 수행하였다. 폐기물 합성가스의 분리특성 실험을 위하여 순수 일산화탄소와 수소를 혼합한 모사가스를 활용하였으며, 주입 기체의 유량과 스테이지 컷(stage cut)의 변화에 따른 분리특성에 있어서 온도의 영향을 고찰하였다. 각 실험조건에서 일산화탄소와 수소의 투과도를 평가하였으며, 이때 퍼미에이트(permeate)에서의 수소에 대한 선택도를 평가하였다. 또한 본 연구에서 일산화탄소와 수소의 기체 분리막에 대한 투과 활성화 에너지를 얻기 위하여 Arrhenius 도시를 이용한 분석연구를 함께 수행하였다.

• 한국막학회:학술대회논문집
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• 한국막학회 1995년도 추계 총회 및 학술발표회
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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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• 한국신재생에너지학회 2010년도 추계학술대회 초록집
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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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• 제48권5호
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• pp.598-602
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• 2010

본 논문에서는 다량의 수소를 포함한 다성분계 원료가스로부터 수소를 분리해 내는 분리막 시스템에 대하여 CFD 모델링과 모사를 수행하였다. 분리막 시스템은 환형 실린더 타입으로 원료가스의 유입을 위한 외부 lumen side와 sweeping gas가 유입되는 내부 permeation side로 구성된다. Lumen side의 운전온도와 압력은 $374^{\circ}C$, 7 기압 permeation side의 sweeping gas의 도입 온도와 압력은 $374^{\circ}C$, 3기압이며, 이러한 조건에서 운전이 가능한 Pd 분리막을 사용하였다. Sweeping gas의 흐름 방향에 따른 향류 및 병류 흐름에 대하여 각각 CFD 모사를 수행하였으며 수소 몰분율, 수소분압, 수소 플럭스 등에 대하여 결과를 비교하였다. 또한 lumen side의 원료가스 도입유속을 변화시켜 모사를 수행하고, 이에 따른 막분리 시스템의 효율을 비교하고 이에 대하여 고찰하였다.