전기영동 증착에 의한 실리카 분리막의 제조 및 기체투과 특성 연구

Abstract

화석연료 시대를 대체할 수 있는 수소를 에너지원으로 활용하기 위해 여러 가지 방안이 마련되고 있다. 고 순도의 수소를 얻어내기 위해서는 수소 분리 정제 공정이 필요하며, 여러 가지 정제방법이 있지만, 가장 주목받는 시스템으로 막(membrane)이 적용된 정제 시스템을 단연 일순위로 꼽을 수 있다. 막 분리법은 저 에너지 소비, 낮은 투자비 및 운전의 용이성 등으로 더욱 부각되고 있다. 이에 부응하기 위해 내화학성과 내열성을 가진 세라믹 재료, 즉 porous α-alumina tube를 지지체로 선정, silica막을 코팅하여 분리막을 제조하였다. 실리카 원으로는 T.E.O.S(TetraEthyl OrthoSilicate)를 이용, sol-gel method에 따라 준비하였다. α-alumina지지체의 코팅은 EPD (Electrophoretic Deposition)method를 이용하여 실시하였고, 보다 체계적인 코팅 기술의 확립을 위해 제조된 실리카 졸의 입자표면 전하, 제타 포텐셜과 분포도를 분석하였다. 또한 전압, 첨가제, 건조 등의 여러 변수들을 제어하기 위해, 1～23V의 전압, TTAB, CPB, PVA, DMF, Boron oxide등의 첨가제, 그리고 냉장 및 가열 건조, 진공 건조 등을 실시하였다. 600℃의 소성 과정을 거친 후 XRD 분석결과 2Θ=20˚ 정도에서 silica 상을 확인 할 수 있었고, 약 92%의 tridymite 상을 갖고 있었다. α-alumina 지지체의 표면 개선을 위해 Aluminum isopropoxide를 이용하여 γ-alumina를 사전 코팅한 뒤, silica 코팅을 실시하여 균열 없는 치밀한 막을 제조하였고 수소투과도 1.00 × 10^(-5) mol/Pa·㎡·s, 이산화탄소 투과도 1.05 × 10^(-6) mol/Pa·㎡·s의 결과를 얻었다. 유사한 방법으로 silica layer만을 반복 코팅하였을 때에는 평균 수소 투과도 2.40 × 10^(-6) mol/Pa·㎡·s, 메탄 투과도 7.0 × 10^(-7) mol/Pa·㎡·s, 질소 투과도 3.0 × 10^(-7) mol/Pa·㎡·s, 이산화탄소 투과도 1.93 × 10^(-7) mol/Pa·㎡·s 으로 가장 좋은 투과도 차이를 보여주었다.; There are several ways that substitute the age of fossil fuel in order to make use of hydrogen as an energy source. To get hydrogen of high furity, hydrogen seperation refining system is needed and membranes refining system is the most important thing among lots of refining ways. Membrane comes into the spotlight as low energy consumption, low investment cost and ease of operation. etc. According to this fact, ceramic material, which has chemical-resistance and thermal-resistance, namely porous α-alumina tube, is used as substrate, and silica membrane is produced. TEOS(tetraethyl orthosilicate) is used as silica source which is prepared according to sol-gel method. Coating α-alumina substrate is performed using EPD (Electrophoretic Deposition)method, and the particle surface electric charge of silica sol, zeta-potential and distribution are analyzed to establish more systematic coating technique. And also to control several variables of voltage, additive, drying etc. 1～23voltage, TTAB, CPB, PVA, DMF, and Boron oxide are added, and refrigeration, heating drying, vacuum drying are performed. After calcination process of 600℃, the result of XRD analysis shows silica phase and tridymite crystallization of around 92%. For improving the surface of α-alumina substrate, after γ-alumina is pre-coated using aluminum isopropoxide, silica is coated. As a result, dense membrane, which has no crack and whose H₂ permeance 1.00×10^(-5) mol/Pa·㎡·s and CO₂ permeance 1.05×10^(-6) mol/Pa·㎡·s., is produced. With similar way, when silica 3-layer is coated several times, the results show the best permeance average H₂ permeance 2.40×10^(-6) mol/Pa·㎡·s, CH₄ permeance 7.0×10^(-7) mol/Pa·㎡·s, N₂ permeance 3.0×10^(-7) mol/Pa·㎡·s, and CO₂ permeance 1.93×10^(-7) mol/Pa·㎡·s.