Breakthrough analysis has widely been explored for the dynamic separation of gaseous mixtures in porous materials. In general, breakthrough experiments measure the components of a flowing gas when a gaseous mixture is injected into a column filled with an adsorbent material. In this paper, we report on the design and fabrication of a breakthrough curve measurement device to study the dynamic adsorptive separation of hydrogen isotopologues in porous materials. Using the designed system, an experiment was conducted involving a 1:1 mixture of hydrogen and deuterium passed through a column filled with zeolite 13X (1 g). At room temperature, both hydrogen and deuterium were adsorbed in negligible amounts; however, at a temperature of 77 K, deuterium was preferentially adsorbed over hydrogen. The selectivity was different from that in the existing literature due to the different sample shapes, measurement methods, and column structures, but was at a similar level to that of cryogenic distillation (1.5).

본 연구에서는 비용매 유도 상분리법을 이용하여 폴리에테르이미드 계열의 중공사형 분리막을 제조하였다. 제조 된 중공사막의 모폴로지 조절을 위해 첨가제로는 THF, Ethanol, LiNO3를 사용하였다. 또한 높은 수소분리막의 개발을 위해 모폴로지와 기체투과성능을 특성평가를 통해 방사조건을 최적화하였다. 그 결과 THF의 함량이 증가할수록 수소/이산화탄소 선택도가 증가하였다. 하지만 trade-off 관계로 인하여 투과율은 감소하였다. Ethanol을 첨가하였을 때는 finger-like 구조를 나타냈고, LINO3를 첨가하였을 때 Sponge 구조를 보였다. 특히, PDMS 코팅층을 최적화한 중공사막의 경우, 투과율은 40 GPU, 수소/이산화탄소 선택도는 5.6을 나타냈다.

Deuterium is a crucial clean energy source required for nuclear fusion and is a future resource needed in various industries and scientific fields. However, it is not easy to enrich deuterium because the proportion of deuterium in the hydrogen mixture is scarce, at approximately 0.016%. Furthermore, the physical and chemical properties of the hydrogen mixture and deuterium are very similar. Therefore, the efficient separation of deuterium from hydrogen mixtures is often a significant challenge when using modern separation technologies. Recently, to effectively separate deuterium, studies utilizing the ‘Kinetic Quantum Sieving Effect (KQS)’ of porous materials are increasing. Therefore, in this review, two different strategies have been discussed for improving KQS efficiency for hydrogen isotope separation performance using nanoporous materials. One is the gating effect, which precisely controls the aperture locally by adjusting the temperature and pressure. The second is the breathing phenomenon, utilizing the volume change of the structure from closed system to open system. It has been reported that efficient hydrogen isotope separation is possible using these two methods, and each of these effects is described in detail in this review. In addition, a specific-isotope responsive system (e.g., 2nd breathing effect in MIL-53) has recently been discovered and is described here as well.

Hydrogen isotopes (i.e. deuterium and tritium) are supplied to the tokamak in the International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) fuel cycle. One important part of the ITER fuel cycle is the recycling of unused fuel back to the tokamak, as almost 99 % of fuel is unburned during fusion reaction. For this, cryogenic distillation has been used in the isotope separation system (ISS) of ITER, but this technique tends to be energy-intensive and to have low selectivity (typically below 1.5 at 24 K). Recently, efficient isotope separation by porous materials has been reported in the so-called quantum sieving process. Hence, in this study, hydrogen isotope adsorption behavior is studied using chemically stable ZIF-11. At low temperature (40 K ~ 70 K), the adsorption increases and the sorption hysteresis becomes stronger as the temperature increases to 70K. Molar ratio of deuterium to hydrogen based on the isotherms shows the highest (max. 14) ratio at 50 K, confirming the possibility of use as a potential isotope separation material.

The potential application of palladium-ruthenium composite membranes to the separation of hydrogen from chlorosilane gases in silicon-based industries was investigated. Ru/Pd/Al2O3/PSS membranes were prepared by electroless plating. Hydrogen permeation tests and temperature programmed desorption analysis revealed that the addition of a Ru over layer on Pd changed the hydrogen adsorption characteristics, resulting in improved stability of the membrane at low temperatures. The Ru/Pd/Al2 O3/PSS composite membrane had a stable hydrogen permeation flux of 1.8 m3m-2h-1 over a period of 1,200 h at 180°C without suffering hydrogen embrittlement. After exposure to impurities such as HCl and SiHCl3 , the hydrogen permeation flux of the Ru/Pd/Al2 O3/PSS composite membrane was stable over a period of 9h with feed pressure of 2.0 bar at 225°C.

The H2/CO2selectivity across ZIF-7 membrane prepared by in-situ growth method at 105°C synthesis temperature for 2 h, was the highest at 15.98, nearly 4 times higher than H2/CO2 Knudsens E.q. factor of 4.7. ZIF-7 membranes prepared from in-situ growth method also surprisingly performed better than ZIF-7 membranes prepared by other innovative techniques such as electro-spray deposition and secondary growth methods. (selectivity : 9.59 and 4.7, respectively) Despite lower selectivity performance than the numerically predicted results, the micro-porous ZIF-7 membrane prepared in this work demonstrated higher H2 permeability of 3770 barrer. Performance comparison between various inorganic membranes, including ZIF-7 & ZIF-8 membranes, was made and a new upper boundary for inorganic membranes was also constructed and reported.

본 발표에서는, 팔라듐계 수소분리막의 구성과 원리, 응용분야, 국내외 연구기관별 연구현황 및 한국에너지기술연구원에서 진행한 연구결과를 소개한다. 다공성지지체의 표면에 치밀질 팔라듐계 합금을 코팅하여, 수소를 선택적으로 분리할 수 있는 분리막의 특성, 모듈구성, 이를 이용한 CCS 공정에 적용예를 통하여 설명한다. 구체적인 내용으로, 1. 분리막 제조부분에서는, 평판형 다공성 니켈지지체 표면에 컬럼형태의 세라믹을 일차적으로 코팅하고, 이의 표면에 팔라듐을 코팅해서 치밀화는 공정을 설명한다. 2. 모듈 부분에서는, 모듈형태에 따른 수소플럭스와 회수율에 미치는 영향을 설명한다. 3. 개발한 분리막/모듈을 이용한 응용공정 소개를 통하여 이의 활용성 및 향후 연구방향을 제시한다.

PDMS에 NaA zeolite를 0~40 wt% 가하여 PDMS-NaA zeolite 막을 제조하였다. SEM 관찰에 의하면 PDMS-NaA zeolite 막 내에 분산되어있는 NaA zeolite 입자의 크기는 2~5 μm이었다. PDMS-NaA zeolite 막의 N2와 H2 투과도는 막 내의 NaA zeolite 함량이 증가하면 증가하였고, N2보다는 H2의 투과도가 더 컸다. 그리고 PDMS-NaA zeolite 선택성(H2/N2)은 NaA zeolite 함량이 증가하면 증가하였다.

TiCoxFe1-x(x=0.50~1.00)계 합금을 제조하고, 합금의 특성을 X-ray diffractometer (XRD), pressure composition temperature (PCT)곡선, scanning electron microscopy (SEM)에 의해 조사하였고, TiCoxFe1-x(x=0.50~1.00)-stainless steel (SS) 복합막에 대해 H2-N2 혼합기체분리실험을 하였다. X-선 회절분석에 의하면 TiCoxFe1-x(x=0.50~1.00)계 합금의 결정구조는 TiCo와 같은 입방정구조이었다. TiCoxFe1-x(x=0.50~1.00)계 합금은 120°C에서 hysteresis현상을 나타내었고, 합금 중 Fe의 양이 증가함에 따라 x=0.90~1.00과 0.50~0.55 범위에서는 hysteresis가 증가하였고, x=0.55~0.90 범위에서는 감소하였다. 가장 작은 hysteresis를 나타낸 합금은 TiCo0.55Fe0.45이었다. 120°C에서 TiCoxFe1-x(x=0.50~1.00)-SS 복합막의 수소투과압력의 최저값은 TiCo0.55Fe0.45에서 2.5 atm을 나타내었고, 최대값은 TiCo0.90Fe0.10에서 10 atm을 나타내었다. TiCoxFe1-x(x=0.50~.00)-SS 복합막에 의하여 120°C에서 H2-N2 혼합기체를 분리하는 경우, 가장 우수한 복합막은 고압부의 수소투과압력이 2.5 atm으로 가장 낮고, hysteresis가 가장 작은 TiCo0.55Fe0.45-SS 복합막이었다.

PTMSP와 PDMS로부터 합성된 PTMSP/PDMS 그라프트 공중합체에 다공성 borosilicate를 0~5 wt% 첨가하여 PTMSP/PDMS-borosilicate 복합막을 제조하였다. 합성된 PTMSP/PDMS 그라프트 공중합체의 수평균분자량(Mn)은 460,000이었 고, 중량평균분자량(Mw)은 570,000이었으며, 유리전이온도(Tg)는 33.53°C에서 나타났다. TGA 측정에 의하면 PTMSP/PDMS에 borosilicate가 첨가되면 복합막의 감량이 작아지고 감량이 완결되는 온도도 낮아졌다. SEM측정에 의하면 PTMSP/PDMS-borosilicate 복합막 내에 들어있는 borosilicate는 1~5 μm 크기로 분산되어 있었다. 기체투과 실험에 의하면 PTMSP/PDMS-borosilicate가 첨가되면서 자유부피, 공동, 기공률이 증가하여 기체투과가 용해확산에 의한 것보다 분자체거름, 표면확산, Knudsen 확산에 의해 일어나는 경우가 점차 증가하여 H2와 N2의 투과도는 증가하고 선택도(H2/N2)는 감소하였다

졸겔법에 의해서 trimethylborate (TMB)/tetraethylorthosilicate (TEOS) 몰비 0.01, 온도 800°C에서 SiO2⋅B2O3가 제조되었다. 그리고 제조된 SiO2⋅B2O3와 PDMS[poly(dimethylsiloxane)]로부터 PDMS-SiO2⋅B2O3 복합막을 제조하고 막의물리화학적 특성을 TG-DTA, FT-IR, BET, X-ray, SEM에 의해 조사하고 그리고 H2와 N2의 투과도와 선택도를 조사하였다.TG-DTA, BET, X-ray, FT-IR 측정에 의하면 SiO2⋅B2O3는 무정형의 다공성 SiO2⋅B2O3였으며, 기공의 평균직경은 37.7821Å, 표면적은 247.6868 m2/g이었다. TGA 측정에 의하면 PDMS 내에 SiO2⋅B2O3가 첨가되었을 때 PDMS-SiO2⋅B2O3 복합막의 열적 안정성은 향상되었다. SEM 관찰에 의하면 SiO2⋅B2O3는 약 1 μm 크기로 PDMS 내에 덩어리 상태로 뭉쳐서 분산되어 있었다. 기체투과실험에 의하면 PDMS 내에 SiO2⋅B2O3 함량이 증가하면 H2와 N2의 투과도는 증가하였고,

무정형의 괴상의 다공성 borosilicate는 trimethylborate (TMB)/ tetraethylorthosilicate (TEOS) 몰비 0.01∼0.10 겔 체를 700∼800°C 온도범위에서 열처리 하였을 때 얻어졌다. BET와 SEM 관찰에 의하면 700∼800°C에서 얻어진 borosilicate의 표면적은 251.12∼355.62 m2/g이고, 기공직경은 3.5∼4.9 nm이며, 입자크기는 30∼60 nm이었다. TGA측정에 의 하면 borosilicate가 poly[1-(trimethylsilyl)propyne](PTMSP)에 첨가되었을 때 PTMSP-borosilicate 복합막의 열적 안정성은 향 상 되었다. SEM관찰에 의하면 borosilicate는 1 μm 크기로 복합막 내에 분산되어 있었다. 기체투과실험에 의하면 PTMSP에 borosilicate 함량이 증가하면 자유부피, 공동, 기공률이 증가하여 기체투과가 용해확산에 의한 것보다 분자체거름, 표면확산, Knudsen 확산에 의해 일어나는 경우가 점차 증가함으로 해서 H2와 N2의 투과도는 증가하고 선택도(H2/N2)는 감소하였다.

팔라듐이 코팅된 V99.8B0.2 합금 분리막을 통해 sweep 가스를 사용하지 않고 수소 투과 시 혼합가스의 영향에 대해 알아보았다. 분리막은 400℃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 V99.8B0.2 합금 분리막(두께 : 0.5 mm)의 수소 투과량은 40.7mL/min/㎠였다. 또한 수소/이산화탄소를 공급한 투과실험에서 V99.8B0.2 합금 분리막의 수소 투과량은 21.4mL/min/㎠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 V99.8B0.2 합금 분리막은 여러 혼합가스에 대해 안정성과 내구성이 우수하다는 것을 알 수 있었다.

보론이 도프된 바나듐 합금 분리막은 아직까지 연구된 적이 없다. 본 연구에서는 팔라듐이 코팅된 새로운 V99.8B0.2 조성의 합금 분리막을 합성하여 수소 투과 특성 및 화학적 안정성에 대하여 연구를 수행하였다. 순수 수소, 수소와 이산화탄소의 혼합가스를 400℃, 절대압력 1.0~3.0 bar에서 공급하여 수소 투과 특성을 알아보았다. 순수 수소를 공급하여 측정한 결과 0.5 mm 두께의 분리막은 최대 48.5mL/min/㎠의 투과량을 보였다. 본 연구 결과는 수성가스 전이반응(WGS)에서 생성된 수소를 분리할 수 있는 비 팔라듐계 수소 분리막의 합성에 새로운 방향을 제시하고 있다.

팔라듐이 코팅된 V53Ti26Ni21 합금 분리막을 통해 수소 투과시 혼합가스의 영향에 대해 알아보았다. 순수 수소, 수소, 이산화탄소 및 일산화탄소의 혼합가스를 공급가스로 주입할 때, 450℃, 1-3 bar의 압력에서 팔라듐이 코팅된 V53Ti26Ni21 합금 분리막의 수소 투과 실험을 수행하였다. 수소만을 공급한 투과 실험에서 팔라듐 코팅된 V53Ti26Ni21 합금 분리막(두께: 0.5 mm)의 수소 투과량은 3 bar, 450℃ 조건에서 5.36mL/min/㎠였다. 또한 수소/이산화탄소, 수소/일산화탄소 및 수소/이산화탄소/일산화탄소를 공급한 투과실험에서 V53Ti26Ni21 합금 분리막의 수소 투과량은 각각 4.46, 5.20, 3.91mL/min/㎠였다. 따라서, 수소/이산화탄소, 수소/일산화탄소 및 수소/이산화탄소/일산화탄소 혼합가스를 각각 공급할 때 투과량은 온도와 압력에 상관없이 수소 분압 감소만큼 감소하였고 모든 경우 Sievert 법칙을 잘 만족시켰다. 투과 후 분리막의 XRD 결과로부터 V53Ti26Ni21 합금 분리막은 여러 혼합가스에 대해 안정성과 내구성이 우수하다는 것을 알 수 있었다.

금속-세라믹 복합 분리막은 특히 석탄가스화 공정이나 메탄 개질에서 발생되는 혼합가스로부터 수소를 분리하기 위해 개발되어졌다. 수소투과 금속인 팔라듐과 세라믹 지지체로 Y2O3-stabilized ZrO2 (YSZ)를 이용하여 cermet 수소분리막을 제조하였다. 이렇게 제조된 분리막은 팔라듐의 연속상이 잘 발달된 치밀 구조를 보였다. Pd/YSZ 분리막의 수소 투과량은 100% 수소를 흘려 0.5~2 atm에서 측정되었다. 수소 투과량은 450℃, 2 atm에서 0.333 mL/min·㎠를 보였다. 수소 투과 후 분리막의 표면과 단면에서 균열이 형성되었다.

수소투과금속인 tantalum과 세라믹 지지체로 Y2O3-stabilized ZrO2 (YSZ)를 이용하여 cermet 수소분리막을 제조하였다. Ta/YSZ cermet 분리막은 헬륨분위기에서의 예비소결과 고진공 하에서의 본소결을 통해 제조하였으며, 소결 및 밀봉 과정에서 발생하는 불순물은 연마를 통해 제거 가능하였다. 이렇게 제조된 분리막은 tantalum의 연속상이 잘 발달된 치밀구조를 보였다. 수소 해리를 위해 팔라듐 코팅을 한 Ta/YSZ 분리막을 이용하여 200∼350°C의 범위에서 수소투과실험을 수행하였다. 300°C에서 분리막에 균열이 형성되었고 Pd 코팅층은 몇 곳이 박리되었다. XRD 결과는 tantalum이 수소와 반응하여 Ta2H가 생성되는 것을 보여주며, Ta2H에 인한 격자 팽창이 분리막의 결함을 초래하였다.