[논문]PDMS-NaA zeolite 혼합기지분리막에 의한 수소-질소 분리

강태범; 홍세령

doi:10.14579/membrane_journal.2015.25.3.295

PDMS-NaA zeolite 혼합기지분리막에 의한 수소-질소 분리
Separation of Hydrogen-Nitrogen Gases by PDMS-NaA zeolite Mixed Matrix Membranes 원문보기

멤브레인 = Membrane Journal, v.25 no.3, 2015년, pp.295 - 300

초록
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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 $2{\sim}5{\mu}m$이었다. PDMS-NaA zeolite 막의 $N_2$와 $H_2$ 투과도는 막 내의 NaA zeolite 함량이 증가하면 증가하였고, $N_2$보다는 $H_2$의 투과도가 더 컸다. 그리고 PDMS-NaA zeolite 선택성($H_2/N_2$)은 NaA zeolite 함량이 증가하면 증가하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

PDMS-NaA zeolite membranes were prepared by adding 0~40 wt% NaA zeolite. Based on SEM observation, NaA zeolite was dispersed in the PDMS-NaA zeolite membranes with $2{\sim}5{\mu}m$. The permeabilities of $H_2$ and $N_2$ gases through PDMS-NaA zeolite membranes increased as NaA zeolite contents increased and $H_2$ gas had better permeabilities than $N_2$. The selectivity ($H_2/N_2$) of PDMS-NaA zeolite membranes increased as NaA zeolite contents increased.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

에 대한 선택성이 우수한 PDMS에 NaA zeolite를 함량을 달리하여 가하여 PDMS-NaA zeolite 막을 제조하고, 막의 물리화학적 특성을 SEM에 의해 조사하였다. 그리고 PDMS-NaA zeolite 막에 대한 H₂와 N₂의 기체투과특성을 조사 연구함으로서 H₂와 N₂혼합기체로부터 H₂를 분리정제하기 위한 막을 개발하는데 그 목적을 두었다.

제안 방법

PDMS 단일막은 PDMS 9 g과 경화제 1 g을 실온에서 n-Hexane 10 mL에 넣은 후 15분 동안 교반하고, 교반한 PDMS를 유리판에 부어 film casting Knife로 casting하였다. 그리고 이것을 60°C의 진공건조기에서 24시간 동안 건조하여 증류수에 담궈 유리판으로부터 떼어내고 40°C의 진공건조기에서 24시간 동안 항량이 될 때까지 건조시켜 막을 제조하였다.
PDMS-NaA zeolite 막은 PDMS에 NaA zeolite를 1, 2, 4, 6, 10, 14, 20, 30, 40 wt%가 되도록 가한 다음 각 시료에 n-hexane을 10 mL 가하였다. 그리고 실온에서 1시간 동안 교반한 다음 경화제를 넣고 1시간 동안 교반하였다.
PDMS에 NaA zeolite를 함량을 달리하여 PDMS-NaA zeolite 막을 제조하고 막의 특성을 SEM에 의해서 조사 하였다. 그리고 H₂와 N₂에 대한 투과실험을 하여 본 결과는 다음과 같다.
SEM 관찰을 위해서 막을 액체질소에 담궈 급냉시킨 후 절단시켜 단면을 얻은다음 시료를 carbon tape로 붙인 스텁위에 고정시킨 후 Magnetron sputter coater를 통해 10 mA/0.008 mbar에서 120초 동안 금 코팅하고 10~13 kV에서 배율을 3 × 103배로 하여 관찰하였다.
그리고 이것을 60°C의 진공건조기에서 24시간 동안 건조하여 증류수에 담궈 유리판으로부터 떼어내고 40°C의 진공건조기에서 24시간 동안 항량이 될 때까지 건조시켜 막을 제조하였다.
기체투과실험은 3 kgf/cm2 , 25°C에서 행하였고, PDMS-NaA zeolite 막의 두께는 40 µm이었다.
막의 두께는 micrometer와 SEM에 의해서 측정하였다. PDMS-NaA zeolite 막의 표면과 단면을 관찰하기위해 사용된 SEM은 일본 Hitachi사 Model S-4200이었다.
본 연구에서는 H₂와 N₂ 혼합기체로부터 H₂를 분리정제하기위하여 H₂에 대한 선택성이 우수한 PDMS에 NaA zeolite를 함량을 달리하여 가하여 PDMS-NaA zeolite 막을 제조하고, 막의 물리화학적 특성을 SEM에 의해 조사하였다. 그리고 PDMS-NaA zeolite 막에 대한 H₂와 N₂의 기체투과특성을 조사 연구함으로서 H₂와 N₂혼합기체로부터 H₂를 분리정제하기 위한 막을 개발하는데 그 목적을 두었다.

대상 데이터

막의 두께는 micrometer와 SEM에 의해서 측정하였다. PDMS-NaA zeolite 막의 표면과 단면을 관찰하기위해 사용된 SEM은 일본 Hitachi사 Model S-4200이었다. SEM 관찰을 위해서 막을 액체질소에 담궈 급냉시킨 후 절단시켜 단면을 얻은다음 시료를 carbon tape로 붙인 스텁위에 고정시킨 후 Magnetron sputter coater를 통해 10 mA/0.
기체투과실험에 사용된 H₂와 N₂는 순도 99.9999%인 국산 (주)동진가스의 것을 사용하였다. 기체투과 실험 장치는 Fig.
막제조에 사용된 PDMS[poly(dimethylsiloxane)는 Dow Corning 사제(U.S.A.) Sylgard 184를 사용하였다. 이 제품은 비닐그룹을 말단기로 가지고 있는 siloxane oligom ers와 활성수소기를 가지고 있는 siloxane crosslinkers에 Pt가 첨가된 경화제로 구성되어 있다.
) Sylgard 184를 사용하였다. 이 제품은 비닐그룹을 말단기로 가지고 있는 siloxane oligom ers와 활성수소기를 가지고 있는 siloxane crosslinkers에 Pt가 첨가된 경화제로 구성되어 있다. 그리고 NaA zeolite (Molecular Sieve 0.
5)는 미국 Sigma Aldrich Co. 제 특급품을 사용하였다.

성능/효과

PDMS-NaA zeolite 막의 선택도(H₂/N₂)는 PDMS 내에 NaA zeolite 함량이 증가하면서 증가하였고, PDMS-NaY zeolite 막의 선택도(H₂/N₂)보다 크게 나타났다.
기체투과실험에 의하면 PDMS 내에 NaA zeolite 함량이 증가하면 기공률이 증가하여 H₂와 N₂의 투과도는 증가하였고, N₂보다는 H₂투과도가 더 크게 증가하였다. 그리고 H₂와 N₂의 투과도는 PDMS-NaA zeolite 막이 PDMS-NaY zeolite 막보다 더 크게 나타났다.
3에서 보면 PDMS-NaA zeolite 막과 PDMS-NaY zeolite 막의 H₂와 N₂의 기체투과도는 서로 다른 경향을 나타내고 있다. 즉, PDMS에 가해지는 NaA zeolite 와 NaY zeolite 함량이 10 wt%까지는 비슷한 경향을 나타내다가 10 wt% 이상에서는 NaA zeolite인 경우는 H₂와 N₂의 투과도가 둘다 증가하는 현상을 나타내고, NaY zeolite인 경우는 H₂와 N₂의 투과도가 감소하는 경향을 나타내고 있다. 그리고 H₂와 N₂의 최대투과도는 PDMS-NaA zeolite 막의 경우는 NaA zeolite 40 wt%에서 각각 774 barrer와 190 barrer를 나타내었고, PDMS-NaY zeolite인 경우는 NaY zeolite 10 wt%에서 397 barrer와 170 barrer 를 나타내었다[25].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PDMS는 어떤 성질을 갖고 있는가?	기체분리에 이용되는 고분자 막들은 낮은 내화학성, 내열성, 기계적 강도의 결함 등으로 사용이 제한적이다. 최근 기체분리막 재료로 주목받고 있는 PDMS는 낮은 유리전이온도, 낮은 표면에너지, 열적 안정성, UV 및 산화 안정성, 탄성 거동, 윤활성 등의 성질을 가지고 있다[1]. PDMS는 고무상 고분자로서 증기 상태의 기체를 처리하는데 우수한 재료이고 이산화탄소/질소 뿐만 아니라 VOCs/질소와 염소가스 처리에 널리 연구되고 있다[2-3].
	유기-무기 복합막의 단점은?	유기-무기 복합막의 장점은 기체투과도가 증가하면 선택도가 감소하는 단일막의 투과 특성을 상당부분 개선시키는 효과가 있다. 반면 고분자 내에서 입자들의 응집이 일어나거나 고분자와 무기입자간의 계면에서 빈 공간이 생기는 문제가 있다[15]. zeolite나 silica를 첨가한 고분자 재료의 투과도에 대한 학문적 연구로는 PDMS[poly(dimethylsiloxane)]를 위시한 고분자 분리막의 개발이 주류를 이루고 있는데 zeolite의 종류, 함량에 따른 기체 및 액체 분리 특성에 대한 연구가 많이 진행되었다[16-24].
	혼합기체 중 수소를 분리하는 방법에는 무엇이 있는가?	이와 같이 대체에너지로서 중요한 수소가 산업현장에서 특히 암모니아 합성 공정에서 폐기체로 대기 중에 방출되어 버려지는 것들을 회수, 정제하여 재사용할 필요가 있다. 혼합기체 중 수소를 분리하는 방법은 심냉법, 흡착법, 막분리법 등이 있는데 막분리법은 경제성과 효율성 측면에서 유리하다. 기체분리에 이용되는 고분자 막들은 낮은 내화학성, 내열성, 기계적 강도의 결함 등으로 사용이 제한적이다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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