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.

메탄화 공정은 탄소 포집 및 활용(CCU) 기술의 하나로, 탄소중립 달성을 위한 핵심 기술이다. 본 연구는 메탄화 반응기 배출가스에서 생성가스인 메탄과 미반응 수소를 분리하기 위한 가스 분리 시스템 설계를 위한 사전 연구로, 소형 막 모듈을 이용한 2단 분리막 시스템을 설계⋅제작하고 시험 가스인 질소-수소 혼합가스에 대한 분리 성능을 실험적으로 평가하 였다. 1단 막 모듈에서는 질소-수소 혼합가스에 대한 혼합 가스 선택도를 측정하였으며, 1단 및 2단 막 모듈 모두에서 잔류 측과 투과 측의 목표 가스 회수율 및 순도를 분석하였다. 본 연구에서 수행한 국내 A사 막 모듈의 성능 분석 결과는 향후 메 탄화 반응 가스 분리 시스템 설계 및 최적화 연구의 기초자료로 활용될 수 있다.

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.

에너지 패러다임의 변화가 요구되는 현대에 수소는 매력적인 에너지원이다. 이러한 수소를 정제하는 기술 중에서 분리막을 이용한 기술은 저비용으로 고순도의 수소를 정제할 수 있는 기술로 주목받고 있다. 그러나 수소 분리 성능이 뛰어 난 팔라듐(Pd)은 가격이 매우 비싸 이를 대체한 소재가 필요하다. 본 연구에서는 수소 투과 성능은 좋으나 수소 취성에 약한 니오븀(Nb)과 수소 투과 성능은 떨어지나 내구성이 뛰어난 니켈(Ni)과 지르코늄(Zr)을 혼합한 합금으로 분리막을 제조하여 1~4 bar, 350~450 °C 조건에서 수소 투과 특성을 확인하였다. Pd를 코팅하지 않은 Ni48Nb32Zr20 분리막의 경우 최대 0.69 ml/cm2/min의 투과량을 보였으며, Pd가 코팅된 경우에는 최대 13.05 ml/cm2/min의 투과량을 보였다.

수소 동위 원소는 중성자 수에 따라 경수소, 중수소, 삼중수소로 분류될 수 있으며, 각 원소는 특정 분야에서 사용 되고 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 가지 고 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 에너 지 소비를 줄이는 유망한 해결책 중 하나라 볼 수 있다. 이 총설에서는 분리막을 활용한 수소 동위원소 분리에 관한 선행 연 구와 그들의 작동 원리를 소개하고자 한다. 특히 최근 제시되고 있는, 그래핀 기반 전기적 펌핑을 통한 수소 동위원소 분리 기술에 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.

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.

본 연구에서는 중공사형 이산화탄소 분리막 모듈을 사용하여 수소개질기 배가스로부터 이산화탄소 포집을 목적 으로 한 분리막 공정 최적화 연구를 진행하였다. 랩스케일의 소형 분리막 모듈을 사용하여 혼합기체를 대상으로 이산화탄소 순도 90% 및 회수율 90%을 달성하는 2단 공정 조건을 도출하였다. 막 면적이 정해진 모듈의 분리막 공정에서는 스테이지-컷, 주입부 및 투과부 압력에 따라서 포집 순도 및 회수율이 모두 다르게 나타나기 때문에 운전 조건에 대한 최적화가 필수적이 다. 본 연구에서는 다양한 운전 조건에서 1단 분리막에서 보이는 공정 포집 효율의 한계를 확인하고, 높은 순도와 회수율을 동시에 달성하기 위한 2단 회수 공정을 최적화하였다.