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.

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.

이 연구 논문은 기후 변화에 대한 전 세계적인 우려와 온실 가스 배출 감소를 위한 필수적인 요구에 대응하여 마 이크로기공 고분자(PIM-1)의 이용을 탐구한 것이다. 연구는 PIM-1 막을 이산화탄소(CO2) 가스 분리 막으로 사용하는 현대적 인 소재로서의 응용에 집중하고 있다. 연구는 PIM-1 막의 합성, 분자량 제어, 그리고 제각각의 특성 분석 기술을 통해 포괄적 인 통찰을 제공하며, 이러한 특성 분석 기술을 통해 PIM-1의 고유한 교차결합 및 강성 구조에서 비롯된 내재적 다공성이 특 히 이산화탄소의 선택적 투과에 활용되고 있다. 논문은 PIM-1의 가교된 구조로부터 비롯된 내재적 다공성이 특히 이산화탄 소의 선택적 투과에 활용되고 있다. 논문은 PIM-1의 튜닝 가능한 화학적 특성을 강조하며, 가스 분리 막의 맞춤 및 최적화를 가능케 하는 특성에 대한 이해를 제시하고 있다. 분자량을 통제함으로써 고분자량(H-PIM-1) 막은 낮은 분자량 대비 더 뛰어 난 CO2 투과성과 선택성을 나타내며, 이를 통해 PIM-1 막의 특성을 조절하는 데 분자량의 중요성을 강조하고 있다. 연구 결 과는 PIM-1 막 특성을 조절하는 데 분자량이 중요한 역할을 하는 것을 강조하며, 이는 기후 변화의 긴급한 글로벌 도전에 대 응하기 위한 효율적이고 선택적인 CO2 포집을 위한 차세대 막 기술의 발전에 기여하고 있다.

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.

Hydrogen isotope separation involves the separation of hydrogen, deuterium, tritium, and their isotopologues. It is an essential technology for removing radioactive tritium contamination and for obtaining valuable hydrogen isotope resources. Among various hydrogen isotope separation technologies, water electrolysis technology exhibits a high separation factor. Consequently, the electrolysis of tritiated water is of paramount importance as a tritium enrichment method for treating tritium-contaminated water and for analyzing tritium in environmental samples. More recently, hydroelectrolysis technology, which utilizes proton exchange membranes (PEM) to reduce water inventory, has gained favor over traditional alkaline hydroelectrolysis. Nevertheless, it is crucial to decrease the hydrogen permeability of the PEM in order to mitigate the explosion risk associated with tritium hydrogen electrolysis devices. Additionally, efforts are needed to enhance the hydrogen isotope selectivity of the PEM and optimize the manufacturing process of the membrane-electrode assembly (MEA), thereby improving both hydrogen isotope separation performance and water electrolysis efficiency. In this presentation, we will delve into two key aspects. Firstly, we’ll explore the reduction of hydrogen permeability and the enhancement of the hydrogen isotope separation factor in PEM through the incorporation of 2D nanomaterial additives. Secondly, we’ll examine the influence of various MEAs preparation methods on electrolysis and isotope separation performances. Lastly, we will discuss the effectiveness of the developed system in separating deuterium and tritium.

가스 분리 방법 중에서도, 멤브레인을 이용한 CO2 포집 및 분리는 지속적으로 개발되고 있는 꾸준히 성장하는 분 야이다. 이온성 액체(IL) 기반 복합 막은 CO2를 분리하는 데 있어 우수한 성능값을 보여준다. 유사하게, 다양한 공중합체/IL 복합막 또한 향상된 성능을 보여준다. 이러한 공중합체/IL 복합만에 산화그래핀과 같은 필러를 첨가하면 IL과 유기 필러 사 이에서 발생하는 강한 상호작용으로 인해 필러의 효과가 더욱 향상되며, 이는 결과적으로 CO2의 친화도, 선택도 및 흡착과 같은 요소를 향상시킨다. 금속-유기 구조체(MOF)를 사용하는 공중합체/IL 복합 막은 향상된 CO2 투과도를 보여주었다. 이 총설에서는 이온성 액체와 공중합체복합막의 다양한 조합에 따른 이산화탄소분리성능에 대한 상관관계를 논의한다.

본 연구에서는 중공사형 지지체막을 폴리술폰(polysulfone, PSf) 고분자를 이용하여 비용매 상분리법(non solvent induced phase separation, NIPS)에 의해 제조하였다. 제조된 중공사 지지체막을 PDMS와 Pebax를 코팅하여 중공사형 복합막 을 제조하고 CO2, H2, O2 그리고 N2에 대한 순수 투과도(permeance)와 선택도를 측정하였다. 제조된 복합막 모듈 중에서 선 택도(CO2/H2)가 가장 높은 모듈을 선정하여 모사가스를 사용하여 스테이지컷(stage cut, SC)의 변화에 따라 분리성능을 측정 하였다. 이때 사용된 모사가스는 PSA에서 버려지는 off gas의 농도인 CO2 70% : H2 30%인 것을 사용하였다. 1단 실험에서 는 H2 농도 약 60%, H2 회수율 12%의 값을 얻을 수 있었다. 낮은 H2 농도와 회수율을 극복하기 위해 2단 직렬 테스트를 수 행하였으며, 이를 통해 H2 농도 약 70%, H2 회수율 70%를 달성할 수 있었으며, 이를 통해 CO2/H2 분리에 대하여 분리 공정 구성을 도출할 수 있었다.