수소에너지는 단위무게당 에너지가 높고, 대량 저장이 가능한 에너지이다. 21세기 내에 수소에너지를 일상화해야 하는 이유로는 다음과 같은 3 가지 이유를 들 수 있다.화석자원(석유, 천연가스)의 고갈이 60~70년 앞으로 전망되는 시점에서 전기를 직접 공급하기 곤란한 수송 분야(자동차), 원격지 등에 사용할 2차에너지이다. 또한, 고갈되기 전에 가격이 급등할 시점은 Hubbert 이론에 따르면 2020~2030년으로 예상된다.탄화수소와 석탄, 바이오매스(biomass; 목재, 알코올 등)의 사용은 온실가스의 3/4를 차지하는 이산화탄소를 방출한다.지구온난화를 경감하기 위해서는 에너지사용에 따른 ...
수소에너지는 단위무게당 에너지가 높고, 대량 저장이 가능한 에너지이다. 21세기 내에 수소에너지를 일상화해야 하는 이유로는 다음과 같은 3 가지 이유를 들 수 있다.화석자원(석유, 천연가스)의 고갈이 60~70년 앞으로 전망되는 시점에서 전기를 직접 공급하기 곤란한 수송 분야(자동차), 원격지 등에 사용할 2차에너지이다. 또한, 고갈되기 전에 가격이 급등할 시점은 Hubbert 이론에 따르면 2020~2030년으로 예상된다.탄화수소와 석탄, 바이오매스(biomass; 목재, 알코올 등)의 사용은 온실가스의 3/4를 차지하는 이산화탄소를 방출한다.지구온난화를 경감하기 위해서는 에너지사용에 따른 열손실도 줄여야 한다. 디젤 자동차엔진의 경우 에너지효율이 35%인데 비해 수소연료전지 자동차의 경우에는 에너지효율이 47%이므로 연료사용에 따른 열방출도 디젤에 비해 0.6배로 줄게 된다.화석연료의 사용에서 문제되는 이산화탄소, SOx, NOx 등 각종공해물질이 수소연료에서는 전혀 방출되지 않으므로 공해가 전혀 없는 연료이므로 대기오염의 우려가 없다.이렇듯 전 세계적으로 증가하고 있는 수소에너지의 제조/저장/이용에 관한 연구는 수소가 21세기에 예상되는 에너지 자원 고갈과 환경문제를 해결할 수 있다는 점에서 시작되었다. 석탄, 석유 등의 1차에너지와는 달리 이차에너지이기 때문에 에너지 매개수단으로 보아 에너지매체(energy carrier)로 부르기도 한다. 에너지원으로의 수소는 다음과 같은 여러 가지 장점을 가지고 있어 미래의 에너지시스템에 가장 적합한 것으로 판단되고 있다.지금까지 기체나 액체를 분리하기 위한 여러 가지 막들이 개발되어 왔다.1)~4)막에 의한 기체 분리는 높은 에너지 효율과 낮은 조업 비용, 조업과 설치가 쉽다는 이점과 Scale-up 이 하기 쉬운 점, 모듈화가 쉽다는 점에 기인하여 상업적으로 이용되고 있다.5) 부분적으로 다공성 무기 막은 수 처리나 생체 기술, 음료나 음식의 제조를 위한 공정에서도 주목을 받아오고 있다. 고온 기체 분리나 촉매 반응기 같은 특정한 분야에서 무기 막은 유기 고분자 막이 사용될 수 없는 조건에서도 사용이 가능하다. 현재 무기막의 응용분야는 250~750oC의 고온에서 기체 혼합물 중 수소만을 분리해 내는데 초점이 맞춰지고 있는 상태이다6)~10) 이러한 형태를 분리를 하는 이유는 불포화된 탄화 수소를 생산하는데 중요한 반응식인의 반응에서 포화된 탄화 수소는 불포화된 탄화 수소보다 유용성이 떨어지기 때문이다. 이러한 형태의 반응에서의 첫 번째 문제점은 두 분자가 한 분자로부터 생성되기 때문에 반응에서의 첫 번째 단계의 열역학적으로 결정된 전환율이 너무 낮다는 것이다. 두 번째 문제는 -100oC 이하에서 냉각에 의해 심냉법으로 수소를 분리해내야 한다는 것이다. 이러한 문제점들은 기존에 개발된 공정들을 기술적으로나 경제적으로 매력이 없게 만들었다. 이러한 문제점들은 무기 분리막을 사용함으로써 해결될 수 있다. 분리는 높은 수소 선택성 막이 사용되는 온도와 같은 온도에서 행해진다. 촉매에서 형성된 수소는 반응의 일부에서 즉시 제거된다. 가능한 한 빠른 속도로 수소를 제거하기 위하여 막을 통한 수소의 투과도는 가능한 한 커져야 한다. 그렇지 않으면 전환율은 열역학적 평형에 의해 다시 제한을 받게 된다.8) 지금까지 개발된 막 중에서 팔라듐과 실리카 막이 고온에서 가장 큰 수소 선택도를 보이고 있다.11)~13) 그러나 팔라듐 막에서 수증기나 탄화수소의 존재 하에서는 수소의 투과도가 현저하게 감소한다고 보고 되었다.14)~15) 이에 따라 실리카 막이 탈수소 막 반응기에서 매우 매력적인 시스템이 되었다.기체의 분리를 위해 요구 되는 사항들을 살펴보면 첫 번째는 얇은 활성 층을 가져야 하고 두 번째는 결점이 없는 활성 층을 가져야 하며, 세 번째는 지지체를 통한 저항이 무시 가능할 정도로 작아야 하고 네 번째는 기계적으로나 화학적으로 안정해야한다. Figure 1.1 은 기체 분리를 위해 종종 사용되는 다층 구조의 비대칭 막을 보여주고 있다. 다공성 막을 만드는 전형적인 방법으로는 졸-겔 법과 화학 증기 증착법이 있다.미세 다공성 실리카 막은 졸-겔 법에 의해 제조된 폴리메릭 실리카 졸로 1-25nm 의 기공크기를 갖는 메조 포러스 막의 개질에 의해 생산된다. 이막을 통한 기체 투과 속도는 매우 높다. Burggraaf 등26),27) 은 폴리메릭 실리카 졸로 다공성 지지체를 개질하여 실리카 막을 제조하였다. 무정형 미세 다공성 표면층의 두께는 약 60~100nm 였고 기체들 간의 분리 선택도는 개질에 의해 개선되었다. 그들은 또한 졸-겔 법을 이용하여 수소, 이산화 탄소, 메탄에 대해 선택적인 실리카를 기본으로한 막을 제조하였다. 수소투과도는 200oC에서 10-6 mol?m-2?s-1?Pa-1 보다 높았다. 그러나 수소/질소 분리 선택도는 단지 10정도에 불과했다. 이와는 반대로 수소/메탄, 수소/이소부탄의 분리선택도는 200oC에서 약 50~200정도를 보였다. 한편 Raman과 Brinker18),19) 등은 다공성 알루미나 지지체 위에 메틸 트리 에톡시실란과 테트라에톡시 실란의 co-polymerization에 의해 제조된 유기-무기 복합 졸을 코팅하였다. 소성된 막은 희석된 TEOS 단량체의 열분해와 dip-coating에 의해 개질되었다. 이막의 이산화탄소 투과도는 10-7 mol?m-2?s-1?Pa-1 이었고 이산화탄소/메탄의 분리 선택도는 71.5였다.Gavalas20) 등은 화학증기 증착법에 의해 생성된 실리카를 대략 4nm정도의 기공을 가지는 Vycor glass tube에 plugging 시키는데 처음으로 성공하였다. 제조된 실리카 막은 투과 온도가 400~600oC에서 10-7 mol*m-2*s-1*Pa-1 정도의 투과도를 보였고, 수소/질소 분리도는 약 100-1000정도의 결과를 나타내었다.21),22) Jiang23) 등은 투과온도가 600oC에서 수소투과도와 수소/질소 분리 선택도를 각각 4*10-7 mol?m-2?s-1?Pa-1 과 1000으로 개선하였다. Wu24)등은 TEOS와 산소로 화학증기 증착 법에 의해 γ-Al2O3 지지체 위에 실리카로 개질된 막을 제조하였다. 그들이 제조한 막은 600oC에서 수소 투과도는 10-6mol?m-2?s-1?Pa-1,수소/질소 분리도는 26정도의 결과를 나타내었다. Morooka25),26) 등은 화학 증기 증착 법에 의해 개질하는 동안 다공성 벽을 통해 진공을 걸어줌으로써 증착의 범위를 현저하게 개선시킬 수 있음을 보여 주었다. 이 기술은 넓은 기공 분포를 가지는 마크로 pores를 가지는 지지체의 plugging에 효과적이다.현재 수소 분리 막 으로는 고분자막 또는 Pd 등의 dense한 막이 주로 사용되고 있으나, 고분자막은 150oC이상에서는 사용이 불가능하며 Pd 등 귀금속 막은 고가이면서도 CO 또는 Sulfur 존재 하에서는 피독 되어 기능을 상실하는 단점을 가지고 있다. Table 1에서 상용화 되고 있는 수소 분리 막에 특성을 살펴본 것이다 표에서 보여 지는 바와 같이 amorphous silica, Zeolite (silicalite-1) membrane등의 세라믹 분리 막 역시 수소를 선택적으로 투과하나 고온, 스팀 존재하에서는 막이 급격히 불안정하게 되어 선택도, 투과도 등에 변화를 초래한다.이 같은 이유는 다공성 세라믹막인 경우에는 surface 또는 Knudsen diffusion등 molecular diffusion에 의해 수소가 분리되므로 기공의 미세구조에 큰 영향을 받게 되므로 amorphous silica, Zeolite (silicalite-1) membrane, γ-Al2O3 등 세라믹 막은 고온, 스팀 존재 하에서 기공 의 크기 및 형태가 변화되어 수소에 대한 선택도, 투과도 등에 변화를 초래하는 것이다.본 연구에서 SiC 막은 고온에서 수소 분리를 목적으로 제조 되었다. 분리 선택도를 줄이는 희생을 통해 투과도와 분리 선택도 사이의 조화는 최적의 막 성능을 내기 위해 필수적이라고 할 수 있다. 지지체와 활성층 사이에서 중간층의 존재는 막의 투과도와 분리 선택도를 개선할 수 있는 것으로 기대된다. 중간층으로 사용되는 물질중 매력적인 물직은 γ-Al2O3 이다. 본 연구에서는 α-alumina 지지체에 γ-Al2O3 코팅한 후 화학 증기 증착법에 1.3-Disilabutane를 사용하여 SiC를 증착 시켰다. 막의 투과 실험은 수소와 질소를 이용하여 시행 하였다. 막의 안정성과 투과도는 200oC 와 400oC에서 수소/질소 로 측정하였다.
수소에너지는 단위무게당 에너지가 높고, 대량 저장이 가능한 에너지이다. 21세기 내에 수소에너지를 일상화해야 하는 이유로는 다음과 같은 3 가지 이유를 들 수 있다.화석자원(석유, 천연가스)의 고갈이 60~70년 앞으로 전망되는 시점에서 전기를 직접 공급하기 곤란한 수송 분야(자동차), 원격지 등에 사용할 2차에너지이다. 또한, 고갈되기 전에 가격이 급등할 시점은 Hubbert 이론에 따르면 2020~2030년으로 예상된다.탄화수소와 석탄, 바이오매스(biomass; 목재, 알코올 등)의 사용은 온실가스의 3/4를 차지하는 이산화탄소를 방출한다.지구온난화를 경감하기 위해서는 에너지사용에 따른 열손실도 줄여야 한다. 디젤 자동차엔진의 경우 에너지효율이 35%인데 비해 수소연료전지 자동차의 경우에는 에너지효율이 47%이므로 연료사용에 따른 열방출도 디젤에 비해 0.6배로 줄게 된다.화석연료의 사용에서 문제되는 이산화탄소, SOx, NOx 등 각종공해물질이 수소연료에서는 전혀 방출되지 않으므로 공해가 전혀 없는 연료이므로 대기오염의 우려가 없다.이렇듯 전 세계적으로 증가하고 있는 수소에너지의 제조/저장/이용에 관한 연구는 수소가 21세기에 예상되는 에너지 자원 고갈과 환경문제를 해결할 수 있다는 점에서 시작되었다. 석탄, 석유 등의 1차에너지와는 달리 이차에너지이기 때문에 에너지 매개수단으로 보아 에너지매체(energy carrier)로 부르기도 한다. 에너지원으로의 수소는 다음과 같은 여러 가지 장점을 가지고 있어 미래의 에너지시스템에 가장 적합한 것으로 판단되고 있다.지금까지 기체나 액체를 분리하기 위한 여러 가지 막들이 개발되어 왔다.1)~4)막에 의한 기체 분리는 높은 에너지 효율과 낮은 조업 비용, 조업과 설치가 쉽다는 이점과 Scale-up 이 하기 쉬운 점, 모듈화가 쉽다는 점에 기인하여 상업적으로 이용되고 있다.5) 부분적으로 다공성 무기 막은 수 처리나 생체 기술, 음료나 음식의 제조를 위한 공정에서도 주목을 받아오고 있다. 고온 기체 분리나 촉매 반응기 같은 특정한 분야에서 무기 막은 유기 고분자 막이 사용될 수 없는 조건에서도 사용이 가능하다. 현재 무기막의 응용분야는 250~750oC의 고온에서 기체 혼합물 중 수소만을 분리해 내는데 초점이 맞춰지고 있는 상태이다6)~10) 이러한 형태를 분리를 하는 이유는 불포화된 탄화 수소를 생산하는데 중요한 반응식인의 반응에서 포화된 탄화 수소는 불포화된 탄화 수소보다 유용성이 떨어지기 때문이다. 이러한 형태의 반응에서의 첫 번째 문제점은 두 분자가 한 분자로부터 생성되기 때문에 반응에서의 첫 번째 단계의 열역학적으로 결정된 전환율이 너무 낮다는 것이다. 두 번째 문제는 -100oC 이하에서 냉각에 의해 심냉법으로 수소를 분리해내야 한다는 것이다. 이러한 문제점들은 기존에 개발된 공정들을 기술적으로나 경제적으로 매력이 없게 만들었다. 이러한 문제점들은 무기 분리막을 사용함으로써 해결될 수 있다. 분리는 높은 수소 선택성 막이 사용되는 온도와 같은 온도에서 행해진다. 촉매에서 형성된 수소는 반응의 일부에서 즉시 제거된다. 가능한 한 빠른 속도로 수소를 제거하기 위하여 막을 통한 수소의 투과도는 가능한 한 커져야 한다. 그렇지 않으면 전환율은 열역학적 평형에 의해 다시 제한을 받게 된다.8) 지금까지 개발된 막 중에서 팔라듐과 실리카 막이 고온에서 가장 큰 수소 선택도를 보이고 있다.11)~13) 그러나 팔라듐 막에서 수증기나 탄화수소의 존재 하에서는 수소의 투과도가 현저하게 감소한다고 보고 되었다.14)~15) 이에 따라 실리카 막이 탈수소 막 반응기에서 매우 매력적인 시스템이 되었다.기체의 분리를 위해 요구 되는 사항들을 살펴보면 첫 번째는 얇은 활성 층을 가져야 하고 두 번째는 결점이 없는 활성 층을 가져야 하며, 세 번째는 지지체를 통한 저항이 무시 가능할 정도로 작아야 하고 네 번째는 기계적으로나 화학적으로 안정해야한다. Figure 1.1 은 기체 분리를 위해 종종 사용되는 다층 구조의 비대칭 막을 보여주고 있다. 다공성 막을 만드는 전형적인 방법으로는 졸-겔 법과 화학 증기 증착법이 있다.미세 다공성 실리카 막은 졸-겔 법에 의해 제조된 폴리메릭 실리카 졸로 1-25nm 의 기공크기를 갖는 메조 포러스 막의 개질에 의해 생산된다. 이막을 통한 기체 투과 속도는 매우 높다. Burggraaf 등26),27) 은 폴리메릭 실리카 졸로 다공성 지지체를 개질하여 실리카 막을 제조하였다. 무정형 미세 다공성 표면층의 두께는 약 60~100nm 였고 기체들 간의 분리 선택도는 개질에 의해 개선되었다. 그들은 또한 졸-겔 법을 이용하여 수소, 이산화 탄소, 메탄에 대해 선택적인 실리카를 기본으로한 막을 제조하였다. 수소투과도는 200oC에서 10-6 mol?m-2?s-1?Pa-1 보다 높았다. 그러나 수소/질소 분리 선택도는 단지 10정도에 불과했다. 이와는 반대로 수소/메탄, 수소/이소부탄의 분리선택도는 200oC에서 약 50~200정도를 보였다. 한편 Raman과 Brinker18),19) 등은 다공성 알루미나 지지체 위에 메틸 트리 에톡시실란과 테트라에톡시 실란의 co-polymerization에 의해 제조된 유기-무기 복합 졸을 코팅하였다. 소성된 막은 희석된 TEOS 단량체의 열분해와 dip-coating에 의해 개질되었다. 이막의 이산화탄소 투과도는 10-7 mol?m-2?s-1?Pa-1 이었고 이산화탄소/메탄의 분리 선택도는 71.5였다.Gavalas20) 등은 화학증기 증착법에 의해 생성된 실리카를 대략 4nm정도의 기공을 가지는 Vycor glass tube에 plugging 시키는데 처음으로 성공하였다. 제조된 실리카 막은 투과 온도가 400~600oC에서 10-7 mol*m-2*s-1*Pa-1 정도의 투과도를 보였고, 수소/질소 분리도는 약 100-1000정도의 결과를 나타내었다.21),22) Jiang23) 등은 투과온도가 600oC에서 수소투과도와 수소/질소 분리 선택도를 각각 4*10-7 mol?m-2?s-1?Pa-1 과 1000으로 개선하였다. Wu24)등은 TEOS와 산소로 화학증기 증착 법에 의해 γ-Al2O3 지지체 위에 실리카로 개질된 막을 제조하였다. 그들이 제조한 막은 600oC에서 수소 투과도는 10-6mol?m-2?s-1?Pa-1,수소/질소 분리도는 26정도의 결과를 나타내었다. Morooka25),26) 등은 화학 증기 증착 법에 의해 개질하는 동안 다공성 벽을 통해 진공을 걸어줌으로써 증착의 범위를 현저하게 개선시킬 수 있음을 보여 주었다. 이 기술은 넓은 기공 분포를 가지는 마크로 pores를 가지는 지지체의 plugging에 효과적이다.현재 수소 분리 막 으로는 고분자막 또는 Pd 등의 dense한 막이 주로 사용되고 있으나, 고분자막은 150oC이상에서는 사용이 불가능하며 Pd 등 귀금속 막은 고가이면서도 CO 또는 Sulfur 존재 하에서는 피독 되어 기능을 상실하는 단점을 가지고 있다. Table 1에서 상용화 되고 있는 수소 분리 막에 특성을 살펴본 것이다 표에서 보여 지는 바와 같이 amorphous silica, Zeolite (silicalite-1) membrane등의 세라믹 분리 막 역시 수소를 선택적으로 투과하나 고온, 스팀 존재하에서는 막이 급격히 불안정하게 되어 선택도, 투과도 등에 변화를 초래한다.이 같은 이유는 다공성 세라믹막인 경우에는 surface 또는 Knudsen diffusion등 molecular diffusion에 의해 수소가 분리되므로 기공의 미세구조에 큰 영향을 받게 되므로 amorphous silica, Zeolite (silicalite-1) membrane, γ-Al2O3 등 세라믹 막은 고온, 스팀 존재 하에서 기공 의 크기 및 형태가 변화되어 수소에 대한 선택도, 투과도 등에 변화를 초래하는 것이다.본 연구에서 SiC 막은 고온에서 수소 분리를 목적으로 제조 되었다. 분리 선택도를 줄이는 희생을 통해 투과도와 분리 선택도 사이의 조화는 최적의 막 성능을 내기 위해 필수적이라고 할 수 있다. 지지체와 활성층 사이에서 중간층의 존재는 막의 투과도와 분리 선택도를 개선할 수 있는 것으로 기대된다. 중간층으로 사용되는 물질중 매력적인 물직은 γ-Al2O3 이다. 본 연구에서는 α-alumina 지지체에 γ-Al2O3 코팅한 후 화학 증기 증착법에 1.3-Disilabutane를 사용하여 SiC를 증착 시켰다. 막의 투과 실험은 수소와 질소를 이용하여 시행 하였다. 막의 안정성과 투과도는 200oC 와 400oC에서 수소/질소 로 측정하였다.
Ceramic membranes having nano sized pores have great potential for gas separation at high temperature since they have a good stability at high temperature.Moreover, nanoporous silicon carbide membrane can be expected ti use under hydrothermal condition at high temperature as membranes reactor for co...
Ceramic membranes having nano sized pores have great potential for gas separation at high temperature since they have a good stability at high temperature.Moreover, nanoporous silicon carbide membrane can be expected ti use under hydrothermal condition at high temperature as membranes reactor for conversion enhancement in steam reforming reaction of natural gas. The use of membrane allowed separating simultaneously hydrogen gas during the steam reforming reaction.In this research, nanoporous SiC membrane has been developed on the porous alumina plate for the hydrogen separation using preceramic polymers such as hydrodopolycarbosilane, polycarbosilane. The prepared SiC membrane was characterized with SEM, TEM, XRF and BET and so on.The nanoporous hydrogen selective SiC membranes show promise for application in membrane reactor for steam reforming reaction of nature gas and water gas shift reaction
Ceramic membranes having nano sized pores have great potential for gas separation at high temperature since they have a good stability at high temperature.Moreover, nanoporous silicon carbide membrane can be expected ti use under hydrothermal condition at high temperature as membranes reactor for conversion enhancement in steam reforming reaction of natural gas. The use of membrane allowed separating simultaneously hydrogen gas during the steam reforming reaction.In this research, nanoporous SiC membrane has been developed on the porous alumina plate for the hydrogen separation using preceramic polymers such as hydrodopolycarbosilane, polycarbosilane. The prepared SiC membrane was characterized with SEM, TEM, XRF and BET and so on.The nanoporous hydrogen selective SiC membranes show promise for application in membrane reactor for steam reforming reaction of nature gas and water gas shift reaction
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.