간행물
멤브레인 KCI 등재 Membrane Journal
- 발행기관 한국막학회
- 자료유형 학술지
- 간기 격월간
- ISSN 1226-0088 (Print)2288-7253 (Online)
- 수록기간 1991 ~ 2024
- 주제분류 공학 > 화학공학 공학 분류의 다른 간행물
- 십진분류KDC 570DDC 660
권호리스트/논문검색
Volume.34 No.6 (2024년 12월) 12건
1.
2024.12
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수전해 시스템에서 제어되지 않은 수소 크로스오버(hydrogen crossover)는 효율 저하 및 폭발 위험성 등을 야기시 키는 위험 요인이다. 수전해 공정에서 양이온교환막(cation exchange membrane, CEM)은 완전히 수화된 상태로 운전되기 때 문에 이중상(two-phase) 물질로 취급하는 것이 중요하다. 본 총설에서는 수소 크로스오버의 특성 평가 중 발생할 수 있는 주 요 기술적 문제를 요약하였다. 특히, pressure decay method (PDM)는 수소 크로스오버를 정확하게 측정하기 위한 기법으로 평가되며, 막 내부 구조 분석에도 활용할 수 있다. 또한, 수소 크로스오버를 평가하는 데 있어 permeability (즉, 고유 물질 특 성) 차원의 고유한 한계를 논의하고, 공정 안전성을 위해 flux 기반(즉, 공정 파라미터)으로의 전환 필요성을 강조한다. 추가 적으로, 막-촉매 계면에서의 과포화(supersaturation) 현상이 크로스오버에 미치는 영향에 대한 연구 필요성을 강조한다.
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2.
2024.12
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수전해는 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 방법으로, 재생에너지와 연계할 경우 이산화탄소 배출이 없는 청정 수소생산이 가능하다. 수전해 기술 중, 알칼라인 수전해와 음이온교환막 수전해는 알칼라인 환경에서 구동되어 저렴한 비귀 금속 전극 사용이 가능하여, 재생에너지를 연계한 대용량 수소생산에 적합한 기술로 평가받는다. 수전해 시스템에서 분리막 은 안정성과 효율성을 담당하는 핵심부품으로, 안정적이고 효율적인 수소생산을 위하여 높은 기체차단성과 높은 이온전달능 을 필요로 한다. 수전해에 사용되는 분리막은 구조 및 특성에 따라 다공막, 이온솔베이팅 분리막, 박막 복합 분리막, 음이온교 환막으로 분류되고, 각각의 분리막은 구조 및 특성이 상이하여 각각의 특성을 보완하는 방향으로 연구가 진행되고 있다. 본 총설에서는 알칼라인 수전해 및 음이온교환막 수전해에 사용되는 분리막들의 구조 및 특성과 연구 현황에 대해 소개하고자 한다.
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3.
2024.12
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고온 구동형 고분자 전해질 막 연료전지(high temperature polymer electrolyte membrane fuel cell, HT-PEMFC)는 구동 중 발생되는 불순물에 대한 내성이 높고 물관리가 용이하며 고순도의 가스를 연료로 사용하지 않아도 되는 장점을 갖는 다. HT-PEMFC는 인산이 도핑된 막을 통해 수소이온이 전도되기 때문에 전해질 막의 높은 인산의 유지율이 요구된다. 본 총 설에서는 인산의 침출을 방지하여 고성능의 HT-PEMFC용 고분자 전해질 막을 개발하기 위해 1) 인산이 도핑된 전해질 막의 인산 침출에 영향을 미치는 요소를 파악한 후, 이를 개선하기 위해 2) 폴리벤즈이미다졸 기반 막과 인산과의 상호작용을 강 화하여 인산 침출을 방지할 수 있도록 고분자 구조 설계를 진행한 연구와 3) 이오노머의 이온교환 작용기와 인산과의 이온 쌍 상호작용을 통해 인산의 침출을 방지할 수 있도록 이오노머 구조 설계를 진행한 연구들에 대해 살펴보고자 한다.
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4.
2024.12
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고체전해질은 높은 에너지 밀도와 안전성을 갖춘 차세대 리튬이온전지에 꼭 필요한 핵심 요소다. 이러한 고체전 해질의 제작을 위해서 기존 고체전해질의 낮은 이온전도도와 높은 계면저항 문제를 해결해야 한다. 본 연구에서는 강화된 이 온 전도성과 계면 안정성을 지닌 PVDF-HFP 고분자에 분산된 Li7La3Zr2O12 (LLZO) 나노와이어 복합체를 기반으로 하는 새 로운 전해질(PVDF-HFP/LLZO/SN, PHLS membrane)을 제안한다. PHLS에 용매 열압착(Sovlent heat press, SHP)을 통해 계 면 저항과 내부 공극이 감소된 PHLS-(SHP)는 30°C에서 2.06 × 10-4 S/cm의 높은 이온 전도도, 4.5 V (vs. Li/Li+)의 넓은 전 기화학적 전위 창, 리튬 금속과 전해질 사이의 안정된 계면 안정성을 나타냈다. 0.2 mA/cm2에서 수행된 Li 대칭 셀을 사용한 전기화학적 테스트에서 150 시간 이상 안정성을 유지하는 것으로 확인되었으며, 이는 당사의 복합 기반 고체 전해질을 활용 하여 전기화학적 성능이 향상되었음을 시사한다.
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5.
2024.12
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물 흡수-팽윤성 엘라스토머(water-swellable elastomer)는 연성 로봇, 센서 및 에너지 수확 장치에 사용할 수 있는 한 종류의 연성소재(soft material)이다. 대부분의 엘라스토머(elastomer)는 소수성(hydrophobicity)으로 인해 물에 대한 용해도 가 매우 낮지만, 물 흡수-팽윤성 엘라스토머는 내부 포함된 수용성 액적으로 인해 본래의 부피 이상의 물을 흡수할 수 있다. 엘라스토머 내부에 분산된 수용성 액적은 주변 수용성 매질보다 삼투압이 높은데, 액적과 주변 유체 사이의 삼투압 차이가 외부의 물이 액적으로 흡수되도록 한다. 외부 수용성 매질 환경의 조건에 따라, 삼투압이 다르기 때문에, 물 흡수 팽윤성 엘 라스토머는 다양한 팽윤 거동을 보일 수 있다. 본 논문에서는 이온 강도(ionic strength), 매질에 용해된 염의 종류, 온도 등이 물 흡수-팽윤성 엘라스토머의 팽윤 거동에 어떤 영향을 미치는지에 대한 체계적인 연구결과를 보여준다. 물 흡수-팽윤성 엘라 스토머를 만들기 위하여, 물과 글리세롤 혼합물 액적을 실리콘 엘라스토머(두께 150 μm)에 전단응력을 이용하여 분산시켰다. 이러한 실리콘 복합체는 외부 수용성 매질의 삼투압과 복합체 내부 수용성 액적의 삼투압의 차이에 따라 팽윤 거동이 결정되 는 것을 확인하였다. 따라서, 이러한 다양한 매질에서의 팽윤 거동에 대한 연구는 삼투압 센서 혹은 반투성막 등을 설계하는 데 필요한 정보를 제공할 수 있다.
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6.
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본 연구에서는 이온성 물질 제거와 재생을 동시 수행하는 바이폴라막에 대한 운전 조건에 따른 성능 영향과 고회 수율을 위한 재생 조건을 연구하였다. 유입수의 농도와 유량이 증가할수록 제거율이 빠르게 감소하였으며 제거율 80% 지점 까지 유입수 농도 300 mg/L에서 최대의 TDS 제거용량을 나타내었고, 유입수 유량은 낮을수록 더 많은 TDS 제거용량을 나 타내었다. 낮은 전압에서는 제거율이 급격하게 감소하였고 전압이 높아질수록 제거율이 증가하지만, 일정 수준 이상의 전압 에서는 추가적인 제거율 향상을 보이지 않았다. 한편 재생을 위한 전압은 75 V로 선정하였는데, 이 이상의 재생 전압에서는 온도의 급격한 상승 및 이로 인한 바이폴라막의 손상이 관찰되었다. 재생 시 재생수의 공급을 최소화하기 위한 다양한 운전 모드가 평가되었고 70%의 고회수율을 구현할 수 있는 재생모드를 제안하였다.
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7.
2024.12
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본 실험에서는 실험실 규모의 혈액투석 장치를 구성하고 국내 의료기기 제조업체에서 제작한 혈액투석기의 특성을 확인하였다. 혈액투석기 제조에 사용된 혈액투석막은 일반적으로 약 0.01 μm에서 0.2 μm의 기공을 갖는 Polyethersulfone (PES) 소재의 중공사막을 사용하였으며 중공사막의 외경은 약 270 μm, 내경은 약 200 μm이다. 혈액투석기의 하우징은 polycarbonate 소재를 사용하였으며 약 9,600개에서 12,000개의 중공사막을 탑재시켜 제작하였다. 탑재된 혈액투석막의 개수에 따라 각기 다른 막 표면적을 가지는 3종류의 혈액투석기를 사용하여 각 혈액투석기의 구조적강도와 수투과특성, 그리고 주요 요독물질 중 하나인 urea (요소)의 제거 실험을 진행하였다. 제거된 urea의 농도는 총유기탄소(total organic carbon, TOC) 분 석을 이용하여 분석하였으며 가장 높은 1.8 m2의 막 표면적을 가지는 혈액투석막의 urea 제거 성능은 약 1시간 만에 98.3% 를 달성하였다.
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8.
2024.12
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PIM-1 (polymer intrinsic microporosity-1)은 뒤틀린 구조에 기인한 높은 기체 투과 특성을 가지고 있기 때문에 기 체 분리막 소재 중 하나로 활발히 연구되어졌다. 높은 기체 투과 특성의 장점에도 불구하고 높지 않은 기체 선택성의 한계점 이 존재함에 따라 본 연구에서는 PIM-1 분리막에 PEG/PPG-CN을 첨가함으로써 CO2의 용해도 증가에 따른 기체 선택도를 높이고 열처리를 진행하여 PIM-1과 PEG/PPG-CN의 사이아노기가 트라이아진으로 전환되는 재배열을 유도하였다. 그 결과 2 wt%의 PEG/PPG-CN이 첨가되고 열처리된 PIM-1 분리막의 성능은 열처리만 된 PIM-1 분리막과 비교하였을 때 단일 및 혼 합 기체 조건에서 더 높은 이산화탄소의 투과도와 선택도를 가지는 것으로 측정되었다. 혼합 기체 조건에서는 단일 기체 조 건에서 보다 높은 이산화탄소 투과도와 선택도를 보이며 실제 기체 분리 공정의 적용 가능성이 높다는 것을 확인하였으며 트 라이아진의 가교에 의하여 기체 분리막이 가소화 저항성(anti-plasticization)을 가지는 것으로 확인되었다.
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9.
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세계적인 탄소중립 정책 추진과 수소 에너지 수요 증가에 따라 고분자 전해질 수전해 및 연료전지 기술 개발이 활발히 이루어지고 있다. 해당 기술의 핵심 소재인 과불소계 술폰산 이오노머는 우수한 전기화학적 특성과 화학적 안정성을 가지고 있지만, 높은 제조비용, 한정된 공급망, 강화되는 환경 규제와 같은 문제로 인해 효과적인 재활용 및 재제조 기술이 요구되고 있다. 본 연구에서는 초임계 분산 기술을 통해 전해질막 및 막-전극접합체의 제조과정에서 발생하는 고활성을 갖는 전해질막 스크랩을 연료전지 전극바인더로 재제조하는 방법을 제시하고자 한다.
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10.
2024.12
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본 연구에서는 산화 방지 특성이 있는 가려진 페놀기를 도입한 산화 그래핀(hindered phenol-grafted graphene oxide, HP-GO)을 합성한 후 탄화수소계 고분자인 sulfonated poly(arylene ether sulfone) (SPAES)을 기지체로 사용한 복합 막을 제조하여 고분자 연료전지 시스템에 응용하고자 하였다. HP-GO는 GO 표면의 하이드록시기(hydroxy group)와 HP의 염화 카 보닐(carbonyl chloride) 간의 친핵성 아실치환 반응을 통해 합성되었으며, HP-GO의 비율을 다르게 첨가한 복합 막을 제조한 후 선형 SPAES 막과의 비교를 통해 성능 특성 변화를 확인하였다. 특정 함량의 HP-GO를 첨가한 복합 막의 경우 선형 SPAES 막에 비해 체적 안정성과 기계적 강도 및 수소 이온 전도도가 증가된 것을 확인할 수 있었으며, 펜톤 평가(Fenton’s test) 진행 후 막 분해 시간 및 잔여 막 무게 비율이 증가되는 경향을 통해 화학적 내구성 역시 증가한 것을 확인할 수 있었다.
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11.
2024.12
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본 연구에서는 열유도상분리법으로 제조한 polyvinylidene fluoride (PVDF) 중공사막의 오염성과 화학적 세척에 대한 실험을 진행하였다. 오염수는 소 혈청 단백질(bovine serum albumin, BSA)과 카올린(kaolin)을 이용해 제조하였으며, 차아 염소산나트륨(NaOCl), 구연산(citric acid), 황산(H2SO4)으로 화학적 세척을 진행한 후 뒤 표면 전하 분석기, 주사전자현미경 (scanning electron microscope, SEM) 그리고 에너지 분산 X선 분광법(energy dispersive X-ray spectroscopy, EDX)을 통해 세 척 효율을 평가하였다. PVDF 분리막은 높은 내화학성과 열적 안정성을 가지는 분리막으로 화학적 세척을 진행한 결과 가장 좋은 효율은 차아염소산나트륨으로 세척한 것으로 그 결과 투과도는 793.2 L/(m2.h.bar)로 초기 투과량인 945.3 L/(m2.h.bar) 값과 비교하였을 때 약 84% 회복률을 보여주었다. 이는 수처리 공정에서의 막 오염 방지 및 세척의 중요성을 제시한다.
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12.
2024.12
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본 연구에서는 유기계 산화 방지제인 가려진 페놀이 그래프팅된 산화 그래핀(hindered phenol-grafted graphene oxide, HP-GO)을 합성하였고, 이를 도입한 나피온(Nafion) 기반의 복합 막을 제조하여 고분자 전해질 막 연료전지에 응용하 였다. HP-GO는 3,5-디-tert-뷰틸-4-히드록시페닐프로피오닐 클로라이드에 존재하는 염화 카보닐기(carbonyl chloride)와 GO에 존재하는 히드록시간의 치환 반응을 통해 합성되었으며, 합성된 HP-GO를 고분자 기지체 대비 0.01~0.5 wt%까지 포함하는 복합 막을 제조하여 순수 Nafion과의 물성 차이를 비교하였다. 특정 함량의 HP-GO가 첨가된 복합 막은 순수 Nafion에 비해 우수한 인장강도와 수분 흡수율 및 치수안정성을 나타내었다. 특히 HP-GO의 산화 방지 특성으로 인해 HP-GO가 첨가된 복 합 막은 장시간의 펜톤 평가(Fenton’s test) 이후 순수 Nafion 대비 높은 산화 안정성을 나타내었다. 또한 HP-GO에 의한 향상 된 수분 흡수율에 의해 복합 막은 전 습도 구간에서 순수 Nafion 대비 우수한 수소 이온 전도도를 나타내었다.
4,500원
