• 대한환경공학회지
• /
• 제36권2호
• /
• pp.147-152
• /
• 2014

본 연구에서는 폴리설폰 중공사막을 이용하여 화석연료 연소에서 배출되는 온실가스 중 $CO_2$의 회수에 관한 연구를 실시하였다. 고농도의 $CO_2$를 회수하기 위한 막분리 공정에 대한 선행연구이다. 혼합가스 분리거동 관찰을 위하여 이산화탄소가 10% 함유된 배기가스를 사용하였다. 압력, 온도, 주입가스 조성, 다단 막 변화를 주어 스테이지 컷에 따른 분리 성능을 조사하였다. 압력과 온도가 증가 할수록 투과측에 $CO_2$ 농도와 회수율이 증가하였다. 주입 가스 조성 변화 시 $CO_2$의 함량이 높을 경우 회수율 및 분리 효율이 높아졌다. 3단 분리막 시스템을 이용시 $CO_2$ 농도 95% 이상, 회수율 90% 이상 보였으며 1단 분리막 보다 분리율이 향상되었다.

• 한국표면공학회:학술대회논문집
• /
• 한국표면공학회 2018년도 춘계학술대회 논문집
• /
• pp.114-114
• /
• 2018

탄소 재료는 뛰어난 물성에서 다양한 재료로의 응용이 기대되고 있다. 특히, 이종 원소 함유 카본 재료는 전기적 특성과 촉매성의 발현 등 새로운 기능을 카본 재료에 부여할 수 있어서 연료 전지, 에너지 저장, 태양 전지 등에의 응용이 기대되고 있다. 최근, 용액 중의 저온 플라즈마인 솔루션 플라즈마(solution plasma process)를 이용하여 벤젠 용액 등에서 탄소 재료 합성에 성공하였다. 그러나 기존의 연구에서는 솔루션 플라즈마 프로세스를 이용하여 합성한 이종원소 카본은 전도성이 낮아 이종원소의 함유량을 낮추는 고온의 열처리가 필요했다. 따라서 본 연구에서는 우수한 물리적 전기적 특성을 갖는 그래핀(graphene)과 같은 이종 원소 카본 나노시트(heteroatom carbon nanosheets)의 합성 및 메커니즘(mechanism)에 대해 검토하였다. 다양한 이종원소를 포함한 유기용매 안에 바이폴라 펄스 전원에 의한 전압을 두 텅스텐 전극 간에 인가하고, 솔루션 플라즈마를 생성하여 이종원소 카본 재료를 합성했다. 플라즈마 생성은 텅스텐 봉을 전극으로 사용하고 전압을 2.0 kV, 펄스 주파수를 200 kHz, 펄스 폭을 $1.0{\mu}s$, 전극 간 거리를 1.5 mm에서 일정하게 유지하며 200 mL 유기용매 중에서 방전시키는 것으로 재료를 합성했다. 플라즈마 방전 후, 필터을 이용하여 흡인 여과한 뒤 $200^{\circ}C$에서 1 시간 동안 건조 시켰다. 건조 후의 이종원소 카본의 물리적 특성을 원소 분석, X선 회절 법(XRD), 저항률 측정, 투과형 전자 현미경(TEM) 및 라만 분광법, 전자 현미경(SEM), X-선광전자분광기(XPS)등을 이용하여 카본의 형상 및 특성을 분석하였다. 그 결과 다양한 이종원소를 포함한 유기용매 중 2-pyrrolidone을 사용했을 때, 이종 원소 카본 나노시트를 합성하는데 성공하였다. 또한, 이 연구방법을 통해서 솔루션 플라즈마 프로세스를 통한 카본 나노시트 합성의 메커니즘을 규명하였다.

• 한국세라믹학회지
• /
• 제42권12호
• /
• pp.827-832
• /
• 2005

In this study, thin electrolyte layer was prepared by 8YSZ ($8mol\%$ Yttria-Stabilized Zirconia) slurry dip and sol coating onto the porous anode support in order to reduce ohmic resistance. 8YSZ polymeric sol was prepared from inorganic salt of nitrate and XRF results of xerogel powder exhibited similar results $(99.2\pm1wt\%)$ compared with standard sample (TZ-8YS, Tosoh Co.). The dense and thin YSZ film with $1{\mu}m$ thickness was synthesized by coating of 0.7M YSZ sol followed by heat-treatment at $600^{\circ}C$ for 1 h. Thin film electrolyte sintered at $1400^{\circ}C$ showed no gas leakage at the differential pressure condition of 3 atm.

• Korean Chemical Engineering Research
• /
• 제45권4호
• /
• pp.345-350
• /
• 2007

고분자전해질 연료전지를 OCV(open circuit voltage)나 저가습 조건하에서 운전하면 고분자전해질 막의 열화 (degradation)가 가속화된다. 그런데 왜 이러한 조건에서 막 열화가 심하게 되는지 명확히 규명한 연구결과들이 없다. 본 연구에서는 OCV/저가습 조건에서 운전 중 막의 수소 투과도, I-V 분극곡선 변화를 측정하고 응축수 내 불소이온 방출 속도(FER)와 셀 내 생성된 과산화수소 농도를 측정하였다. 그리고 기존의 과산화수소와 라디칼에 의한 고분자막 열화 메카니즘이 실험결과를 설명할 수 있는지 비교 검토하였다. OCV/저가습 조건에서 고분자 막 열화가 잘 되는 것은 건조한 anode의 Pt 촉매 상에서 Pt와 수소원자가 결합된 상태 즉 [PtH]로의 반응이 잘 일어나고 이 [PtH]가 OCV 조건에서는 $HO_2{\cdot}$를 형성할 수 있는 조건을 만족하기 때문으로 보인다.

• 멤브레인
• /
• 제29권5호
• /
• pp.252-262
• /
• 2019

서로 다른 술폰화 정도에 따라 sulfonated star branched poly(styrene-b-butadiene-b-styrene) triblock copolymer (SSBS)가 합성되었다. 술폰화된 butadiene block은 FT-IR spectroscopy로 확인할 수 있다. 술폰화 정도를 측정 비교하기 위해서 산-염기 적정을 통하여, ion exchange capacity (IEC)를 계산하였다. 술폰화된 SSEB 전해질막은 높은 water uptake와 proton conductivity를 보였다. 실온에서 25 mol% 술폰화된 SSBS는 0.114 S/cm라는 높은 값을 나타냈으며, 이는 Nafion과 비슷한 수치였다. 일정한 상대 습도에서 온도의 증가는 현저하게 높은 수소이온전도도를 나타냄을 알 수 있었다. 모든 술폰화된 막은 Nafion과 비교했을 때 낮은 methanol 투과도를 보여주었다. AFM을 이용하여 술폰화된 전해질막의 구조는 이른바 분리된 나노구조의 미세상과 ionic channel의 접속으로 이루어졌음을 확인할 수 있었다.

• 멤브레인
• /
• 제30권6호
• /
• pp.433-442
• /
• 2020

본 연구에서는 수전해용 ionomer의 분자동역학 전산모사 모델 제작을 위하여, 과량의 물 분자가 존재하는 수전해 시스템의 특성을 반영한 ionomer 모델을 제작한 후, 기존 연료전지용 전해질막 전산모사 조건에 맞춰 제작한 ionomer 모델과 비교하였다. 최종적으로 얻어진 모델은 과불소계 ionomer의 중요 특징 중 하나인 명확한 상분리 및 수화채널이 관찰되었으며, 과량의 물 및 높은 운전 온도 조건에서도 물에 녹지 않고 안정된 구조를 나타내었다. 제조된 ionomer 모델에서는 과량의 물분자로 인한 이온 희석 효과로 이온 전달 성능 감소가 나타났으며, 반대로 수소 기체의 투과는 더 증가할 것으로 분석되었다. 따라서 이러한 수전해 시스템의 특성을 반영한 수전해용 ionomer 분자 구조 설계 전략이 필요하고, 분자동역학 전산모사 연구 시에도 이를 감안한 수전해용 ionomer 모델 제작이 필요하다.

• 멤브레인
• /
• 제24권3호
• /
• pp.213-222
• /
• 2014

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.

• 공업화학
• /
• 제25권1호
• /
• pp.78-83
• /
• 2014

본 연구에서는 수정된 폴리올법에 의해 합성된 백금-이트륨 및 백금-니켈 합금 촉매들의 성능 및 특성 평가를 진행하였다. 그렇게 합성된 합금 촉매들은 고분자전해질연료전지의 공기극 촉매로 사용되며 그 촉매들의 산소환원반응성 및 연료전지의 전기적 성능이 측정되고 상업적으로 사용되는 백금 촉매와 해당하는 결과들이 비교되었다. 성능 및 특성 비교를 위해, 백금 합금 촉매들의 입자크기와 분포는 투과전자현미경에 의해 관측되었고 활성표면적은 반복주사 전압-전류법에 의해 측정되었으며 그들의 산소환원반응성 및 연료전지의 전기적 성능은 회전원판 및 회전-고리 원판전극을 이용한 선형주사 전압-전류법 및 완전지 테스트를 통해 평가되었다. 그 결과 백금 합금 촉매들의 구조적 특성인 입자크기 및 분포 및 활성표면적은 상용 백금 촉매와 그 특성이 비슷하였다. 촉매들의 산소환원반응성의 경우에도 백금 합금 촉매들은 상용 백금 촉매와 비슷하거나 더 나은 반파장전위, 속도론적 전류밀도, 산소분자당 전이되는 전자수, 과산화수소 생성율을 나타내었다. 촉매의 구조적 특성 및 산소환원반응성에 입각해서 완전지 성능을 평가했을 때, 백금 합금 촉매들은 상용백금 촉매보다 더 우수한 0.6 V에서 전류밀도 및 최대출력밀도 값을 나타내었다. 이를 토대로 수정된 폴리올법에 의해 합성된 백금 합금 촉매들은 상용백금 촉매보다 비슷하거나 우수한 산소환원반응성 및 완전지 성능을 가질 수 있음을 제시하였다.

• 멤브레인
• /
• 제17권3호
• /
• pp.197-209
• /
• 2007

본 연구는 LNG를 연료로 사용하는 화력발전소 보일러에서 배출되는 1,000 $Nm^3/day$의 연소 배가스에 포함된 $8{\sim}10%$의 $CO_2$를 대상으로 순도 99%, 회수율 90%로 회수할 수 있는 실증규모의 다단계 막분리 공정에 관한 운전 결과이다. 이를 위해 본 연구팀에서는 가소화 안정성이 우수한 폴리이서설폰 중공사막을 개발하고 $CO_2/N_2$의 분리특성을 연구한바 있으며[1], 소형 모듈을 이용하여 압력 및 $CO_2$의 조성 변화에 따른 투과 특성을 실험과 향류 방식의 전산 모사를 통하여 확인하여 막분리에 의한 $CO_2$의 회수 가능성을 확인한 바 있다[2-4]. 이러한 선행 연구결과를 바탕으로 pilot 규모의 다단계 막분리 plant를 설계하여 제작, 설치, 운전하였으며 그 운전 결과를 다단계 공정의 수치 모사 결과와 비교하였다. 전체 공정은 크게 배출되는 배가스 내의 수분을 전단에서 제거하기 위한 제습 공정과 후단에 재순환이 가능한 4단계 막분리 공정으로 구성되어 있다. 4단 분리막 공정에서 배출되는 최종 $CO_2$의 농도는 운전 조건에 따라 $95{\sim}99%$의 $CO_2$가 $0.15{\sim}0.2$ ton/day의 회수율 $70{\sim}95%$회수규모로 얻어졌다. 얻어진 실험 결과는 수치 모사 결과와 비교하였을 때 매우 잘 일치 하는 것을 알 수 있었으며 운전 중 전체 공정은 안정적으로 작동하는 것을 확인할 수 있었다. 본 연구를 통해 다단계 막분리 공정을 통한 배가스에서 $CO_2$를 성공적으로 분리할 수 있었다.

• Korean Chemical Engineering Research
• /
• 제54권6호
• /
• pp.854-862
• /
• 2016

최근 화석연료를 대체할 친환경 신재생에너지에 대한 요구가 증가하면서 수소에너지가 미래 대체에너지원으로서 주목받고 있다. 수소를 생산하는 방법 중 수전해 기술은 에너지효율과 안정성이 뛰어난 장점이 있지만, 산소발생반응시 발생하는 높은 과전압은 여전히 단점으로 지적되고 있다. 본 연구에서는 분무열분해 공정을 통하여 Co 전구체로부터 $Co_3O_4$를 제조하였다. 또한, urea, sucrose, citric acid의 유기물첨가제를 사용하여 다양한 입자 크기와 표면형상을 가지는 $Co_3O_4$를 제조하였고, 필요에 따라 추가로 열처리를 실시하였다. 합성한 $Co_3O_4$의 물리적 특성을 분석하기 위해 X-선 회절 분석(XRD)으로 결정성을 조사하였고, 주사전자현미경(SEM)과 투과전자현미경(TEM)으로 입자형상 및 표면을 분석하였다. 질소 흡 탈착 시험을 통해 촉매의 비표면적 및 기공부피를 측정하였고, 질소도핑을 확인하기 위해 X-선 광전자 분광법(XPS)을 사용하였다. 촉매의 산소발생반응 활성을 알아보기 위해 3전극 셀에서 선형주사전위법(LSV)으로 전기화학적 거동을 분석하였다. 첨가제를 사용하지 않은 $Co_3O_4$가 가장 우수한 활성을 보였고, 이는 분무열분해법을 통하여 상대적으로 작은 입자형성과 높은 비표면적의 영향인 것으로 판단된다.