본 연구에서는 실험실 규모의 혈액투석 실험 장치를 구성하고 polysulfone (PS) 중공사막과 polyethylene terephthalate (PET) 소재의 모노 및 멀티 스페이서 얀(spacer yarn)을 적용한 5 종류의 소형 혈액투석 모듈을 제작하여 스페이서의 존재가 혈액투석 모듈에 미치는 영향을 확인하였다. 수투과도 측정 결과에서 스페이서가 없는 모듈의 flux가 가장 높은 것으 로 확인되었으나, 이는 스페이서를 적용한 모듈의 막표면적이 감소한 원인으로 분석된다. 반면, 요소(urea) 제거 실험에서는 스페이서 적용 여부와 종류에 따른 성능 차이가 뚜렷하게 나타났으며, 스페이서가 내부 유동 균일화에 기여함으로써 확산 저 항을 감소시키는 효과가 확인되었다. 특히 모노 스페이서를 10 wt% 적용한 모듈은 낮은 막표면적에도 불구하고 혈액투석 실 험 3 h 경과 시점에서 약 67.99%의 요소 제거율을 기록하여, 스페이서를 적용하지 않은 모듈(62.75%) 대비 약 5.24% 높은 요소 제거 효율을 나타냈다.

본 연구에서는 α-Al2O3 중공사 지지체 위에 γ-Al2O3, SiO2 산화막 및 Pd 금속막을 각각 증착하여 수소 분리막을 제작하고, 암모니아 열분해 반응 후 생성되는 혼합기체(H2, N2, NH3)에 대한 투과 성능을 비교⋅분석하였다. scanning electron microscope과 atomic force microscope 분석 결과, 산화막 코팅을 통해 표면 조도가 크게 개선되어 Pd 무전해도금 시 결 함 억제에 기여할 수 있음이 확인되었다. 기체투과실험은 450°C, 0.5~2.0 barg 조건에서 수행되었으며, 산화막 기반 분리막은 기공 투과 메커니즘에 의해 최대 수소 순도가 82%에 머무른 반면 금속막 기반 분리막은 용해–확산 기반의 bulk diffusion 메 커니즘을 통해 97% 이상 순도의 수소를 안정적으로 분리하였다. 특히 Pd/α 중공사막은 2 barg에서 15 mL/min 이상의 수소 flux와 1900 이상의 H2/NH3 seperation factor을 기록하며 산화물 기반 분리막보다 월등한 성능을 보였다. 결론적으로 산화물 막은 단독 분리 성능은 제한적이지만 Pd 증착을 위한 전처리 및 중간층으로서 유효함이 확인되었으며, Pd 중공사막은 고온 수소 정제 공정에 가장 적합한 선택지임을 입증하였다.

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.

본 실험에서는 Ti를 기반으로 한 평판 수소 분리막을 설계하여 제조하였다. 새로운 조성의 Ti를 베이스로 한 수소 분 리막을 찾기 위하여 여러 합금들의 물리화학적 특성과 수소투과도 사이의 상관관계에 대해 조사하였다. 이를 바탕으로 신조성의 합금막 2종(Ti14.2Zr66.4Ni12.6Cu6.8 (70 μm), Ti17.3Zr62.7Ni20 (80 μm))을 설계 및 제조하였다. 제조된 평판 수소 분리막은 300~500°C, 1~4 bar의 조건에서 혼합 가스(H2, N2), sweep 가스(Ar)를 이용하여 수소 투과 실험을 진행하였다. Ti14.2Zr66.4Ni12.6Cu6.8 합금 막은 500°C, 4bar에서 최대 16.35 mL/cm2min의 flux를 가지며, Ti17.3Zr62.7Ni20 합금막은 450°C, 4 bar에서 최대 10.28 mL/ cm2min의 flux를 가진다.

본 실험에서는 α-Al2O3 지지체에 무전해도금을 이용하여 Pd-Ag-Cu 분리막을 제조하였다. Pd, Ag, Cu는 각각 무 전해도금을 통해 지지체 표면에 코팅하였고, 합금의 형성을 위해 무전해도금 중간에 H2, 500°C의 조건에서 18 h 동안 열처리 를 진행하였다. 이를 통해 제조된 Pd-Ag-Cu 분리막은 SEM을 통해 표면을 관찰하였으며, Pd 분리막의 두께는 7.82 μm, Pd-Ag-Cu 분리막의 두께는 3.54 μm로 측정되었다. EDS와 XRD 분석을 통해 Pd-Ag-Cu 합금이 Pd-78%, Ag-8.81%, Cu-13.19%의 조성으로 형성된 것을 확인하였다. 기체투과 실험은 H2 단일가스와 H2/N2 혼합가스에서 실험을 진행하였다. H2 단일가스에서 측정한 수소 분리막의 최대 H2 flux는 Pd 분리막의 경우 450°C, 4 bar에서 74.16 ml/cm2·min이고, Pd-Ag-Cu 분리막의 경우 450°C, 4 bar에서 113.64 ml/cm2·min인 것을 확인하였고, H2/N2 혼합가스에서 측정한 separation factor의 경우 450°C, 4 bar에서 각각 2437, 11032의 separation factor가 측정되었다.