KR100285908B1 - Method for producing palladium-impregnated alumina-silica composite membrane through multi-step pore structure improvement - Google Patents

Method for producing palladium-impregnated alumina-silica composite membrane through multi-step pore structure improvement Download PDF

Info

Publication number
KR100285908B1
KR100285908B1 KR1019980043321A KR19980043321A KR100285908B1 KR 100285908 B1 KR100285908 B1 KR 100285908B1 KR 1019980043321 A KR1019980043321 A KR 1019980043321A KR 19980043321 A KR19980043321 A KR 19980043321A KR 100285908 B1 KR100285908 B1 KR 100285908B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
palladium
alumina
composite membrane
silica composite
silica
Prior art date
Application number
KR1019980043321A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20000030932A (en
Inventor
양승만
박승빈
소재현
Original Assignee
윤덕용
한국과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 윤덕용, 한국과학기술원 filed Critical 윤덕용
Priority to KR1019980043321A priority Critical patent/KR100285908B1/en
Publication of KR20000030932A publication Critical patent/KR20000030932A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR100285908B1 publication Critical patent/KR100285908B1/en

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D67/00Processes specially adapted for manufacturing semi-permeable membranes for separation processes or apparatus
    • B01D67/0039Inorganic membrane manufacture
    • B01D67/0048Inorganic membrane manufacture by sol-gel transition
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D67/00Processes specially adapted for manufacturing semi-permeable membranes for separation processes or apparatus
    • B01D67/0081After-treatment of organic or inorganic membranes
    • B01D67/0083Thermal after-treatment
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D69/00Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by their form, structure or properties; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D69/10Supported membranes; Membrane supports
    • B01D69/108Inorganic support material
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D69/00Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by their form, structure or properties; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D69/12Composite membranes; Ultra-thin membranes
    • B01D69/125In situ manufacturing by polymerisation, polycondensation, cross-linking or chemical reaction
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D71/00Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D71/02Inorganic material
    • B01D71/022Metals
    • B01D71/0223Group 8, 9 or 10 metals
    • B01D71/02231Palladium
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D71/00Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D71/02Inorganic material
    • B01D71/024Oxides
    • B01D71/025Aluminium oxide
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D71/00Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D71/02Inorganic material
    • B01D71/024Oxides
    • B01D71/027Silicium oxide
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/50Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification
    • C01B3/501Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification by diffusion
    • C01B3/503Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification by diffusion characterised by the membrane
    • C01B3/505Membranes containing palladium
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2323/00Details relating to membrane preparation
    • B01D2323/08Specific temperatures applied
    • B01D2323/081Heating
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2323/00Details relating to membrane preparation
    • B01D2323/12Specific ratios of components used
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2323/00Details relating to membrane preparation
    • B01D2323/28Pore treatments
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2323/00Details relating to membrane preparation
    • B01D2323/46Impregnation
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2323/00Details relating to membrane preparation
    • B01D2323/48Influencing the pH

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)

Abstract

본 발명은 서로 다른 크기를 갖는 두 종류의 실리카 솔을 사용하여 각각 In-situ 실리카 솔젤법과 침적 코팅법으로 α-알루미나 지지체의 기공 크기를 감소시킨 다음, 개선된 침투 증착법(enhanced soaking and vapor deposition method: ESVD)을 연속적으로 실행하여 알루미나-실리카 복합막의 바깥쪽층과 안쪽층 사이에 팔라듐 중간층을 형성함으로써, 상압 이상의 높은 압력차와 높은 온도에서도 우수한 수소 분리도와 투과도를 갖는 팔라듐 함침 알루미나-실리카 복합막의 제조방법을 제공한다. 본 발명의 방법으로 제조된 팔라듐 함침 알루미나-실리카 복합막은 상압 이상의 높은 압력차와 600K 이상의 높은 온도에서 실용적인 수소 분리 특성을 나타내므로, 고온ㆍ고압의 화학공정에서 고순도의 수소를 제조하기 위한 전처리 단계 등에 사용되어 높은 수소분리 효율을 보여줄 수 있으며, 또한 PSA(pressure swing adsorption) 공정과의 혼합공정, 수소화 반응에서의 막반응기로의 응용 등 다양한 용도로 사용될 수 있다.The present invention is to reduce the pore size of the α-alumina support by using in-situ silica sol-gel method and immersion coating method respectively using two kinds of silica sol having different sizes, and then improved soaking and vapor deposition method (enhanced soaking and vapor deposition method) : Palladium-impregnated alumina-silica composite membrane having excellent hydrogen separation and permeability even at high pressure difference and high temperature above atmospheric pressure by forming ESFD) continuously between outer and inner layers of alumina-silica composite membrane Provide a method. Since the palladium-impregnated alumina-silica composite membrane prepared by the method of the present invention exhibits practically high hydrogen pressure separation characteristics at a high pressure difference of higher than normal pressure and a high temperature of 600K or higher, the pretreatment step for producing high purity hydrogen in a high temperature and high pressure chemical process, etc. It can be used to show high hydrogen separation efficiency and can be used for various purposes such as mixing with pressure swing adsorption (PSA) process and application to membrane reactor in hydrogenation reaction.

Description

다단계 기공구조 개선을 통한 팔라듐 함침 알루미나-실리카 복합막의 제조 방법Method for manufacturing palladium-impregnated alumina-silica composite membrane by improving multi-stage pore structure

본 발명은 다단계 기공구조 개선을 통한 팔라듐 함침 알루미나-실리카 복합막의 제조방법에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로, 본 발명은 서로 다른 크기를 갖는 두 종류의 실리카 솔을 사용하여 각각 In-situ 실리카 솔젤법과 침적 코팅법으로 α-알루미나 지지체의 기공 크기를 감소시킨 다음, 개선된 침투 증착법(enhanced soaking and vapor deposition method: ESVD)을 연속적으로 실행하여 알루미나-실리카 복합막의 바깥쪽층과 안쪽층 사이에 팔라듐 중간층을 형성함으로써, 상압 이상의 높은 압력차와 높은 온도에서도 우수한 수소 분리도(선택도)와 투과도를 갖는 팔라듐 함침 알루미나-실리카 복합막의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a palladium-impregnated alumina-silica composite membrane through multi-step pore structure improvement. More specifically, the present invention reduces the pore size of the α-alumina support by using In-situ silica sol-gel method and immersion coating method, respectively, using two kinds of silica sol having different sizes, and then improved permeation deposition. Successive soaking and vapor deposition method (ESVD) forms an intermediate layer of palladium between the outer and inner layers of the alumina-silica composite membrane, providing excellent hydrogen separation (selectivity) and permeability even at high pressure differentials above atmospheric pressure and at elevated temperatures It relates to a method for producing a palladium-impregnated alumina-silica composite membrane having a.

기체분리막에 관한 연구는 1980년대 중반 이후 급속도로 발전하여 그 제조방법 및 방법상의 특성 등이 상당히 연구되고 있는 상태이며, 최근에는 분리대상물의 물리ㆍ화학적인 특성을 이용하여 분리효율을 증대시키려는 연구로서, 촉매물질 등을 무기재료막의 기공에 함침시키는 연구와 기공의 크기를 분리하고자 하는 기체의 분자크기 정도로 작고 고르게 분포시켜 분자체 효과를 얻고자 하는 연구가 진행되고 있다. 이러한 시도는 종래의 무기재료막을 이용한 기체분리의 경우, 분리 메카니즘이 누센(Knudsen)확산으로서 선택도가 낮다는 단점을 극복하기 위한 방안으로서 시작되었는데, 다음과 같은 내용들이 보고되고 있다.The research on gas separation membranes has been rapidly developed since the mid-1980s, and the manufacturing method and method characteristics thereof have been studied considerably. Recently, the research has been conducted to increase the separation efficiency by using the physical and chemical properties of the separation targets. In order to impregnate the pores of the inorganic material membrane with the catalyst material, and the research to obtain the molecular sieve effect by distributing the pore size small and evenly as small as the molecular size of the gas to be separated. This attempt has been initiated as a way to overcome the disadvantage that the separation mechanism has low selectivity as Knudsen diffusion in case of gas separation using a conventional inorganic material film, the following contents have been reported.

린(Lin) 등은 유기금속 혼합물을 다공성 지지체의 표면에 화학증착시켜 산화물 형태의 다공성막을 제조하였으며(참조: USP5,415,891), 앤더슨(Anderson) 등은 콜로이드 형태의 금속산화물과 반응성을 갖는 기체를 반응시켜 지지체 표면에 막을 제조하였다(참조: USP5,342,431).Lin et al. Prepared a porous membrane in the form of an oxide by chemically depositing an organometallic mixture on the surface of the porous support (see US Pat. No. 5,415,891), and Anderson et al. Reaction was performed to prepare a membrane on the surface of the support (US Pat. No. 5,342,431).

트로카(Trocha) 등은 수용성 콜로이드 실리카를 이용한 확산-조절법(diffusion-controlled method)을 통해서, 2000Å 정도의 큰 기공을 갖는 무기재료막을 약 100 내지 200Å 정도로 치밀화시켰다(참조: M. Trocha and W.J. Koros, J. Membr. Sci., 87:281(1994)). 이와 같은 기공구조 개선법은 사용할 수 있는 콜로이드 실리카의 크기가 제한적이어서 주로 수처리막의 재생공정에 응용될 수 있는 방법이다.Trocha et al. Densified an inorganic material film having a large pore size of about 2000 mm 3 to about 100 to 200 mm by a diffusion-controlled method using water-soluble colloidal silica (see M. Trocha and WJ Koros). , J. Membr. Sci., 87: 281 (1994). The pore structure improvement method is a method that can be mainly applied to the regeneration process of the water treatment membrane because the size of the colloidal silica that can be used is limited.

또한, 얀(Yan) 등은 알루미나 지지체의 외부 표면에 유기금속 화학증착법(metal-organic chemical vapor deposition: MOCVD)을 사용하여 팔라듐층을 형성시켜 기공이 없는 무기막을 제조하였는데(참조: S. Yan et al., Ind. Eng. Chem. Res., 33:616(1994)), 전기 MOCVD 방법은 비교적 단순하고 높은 수소 분리도를 나타내나, 투과도가 다소 떨어지고, 크기가 작은 무기막을 제조하는데에만 적당하였다. 즉, 지지체로 사용된 알루미나막의 크기(φ 2.6mm × L 10mm )가 매우 작아서 팔라듐아세테이트를 균일하게 코팅시킬 수 있었기 때문에, 치밀한 기공을 가지고 있는 알루미나 등을 MOCVD 방법으로 균일하게 코팅할 수 있었다.In addition, Yan et al. Prepared an inorganic film free of pores by forming a palladium layer using metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) on the outer surface of the alumina support (see S. Yan et. al., Ind. Eng. Chem. Res., 33: 616 (1994)), the electric MOCVD method shows a relatively simple and high hydrogen separation, but is only suitable for the production of inorganic membranes with somewhat poor permeability and small size. That is, since the size (φ 2.6 mm × L 10 mm) of the alumina film used as the support was so small that the palladium acetate could be uniformly coated, alumina having fine pores could be uniformly coated by the MOCVD method.

이에, 한외여과용으로 실제 사용되는 크기의 비대칭 알루미나막을 지지체로 사용하여 수소기체 분리에 이용하기 위하여, 이 상연 등은 얀(Yan) 등이 사용한 알루미나막에 비해 약 30배 이상 크고, 바깥쪽은 두껍고 성글며, 안쪽은 치밀한 비대칭 구조를 갖는 α-알루미나막을 지지체로 사용하여, 수소에 대한 분리도 및 투과도를 향상시킨 수소분리용 무기재료막을 제조하였다(대한민국 특허 제 158431호). 이 방법에 의하면, 팔라듐아세테이트를 아세톤에 포화상태로 용해시키고 비대칭 알루미나막에 침적코팅시켜, 모세관힘에 의해 팔라듐이 알루미나막의 안쪽으로 들어가게하여, 바깥쪽의 조악하고 두꺼운 층에 대부분의 팔라듐(II)아세테이트 전구체를 저장시키고, 온도를 올리면서 진공을 걸어주어 팔라듐(II)아세테이트 전구체를 증발시켜 알루미나막의 바깥쪽과 안쪽층 사이에 팔라듐 중간층을 형성시켰다.Thus, in order to use the asymmetric alumina membrane of the size actually used for ultrafiltration as a support for the separation of hydrogen gas, the upper edge is about 30 times larger than the alumina membrane used by Yan et al. Using an α-alumina membrane having a thick, sparse and dense asymmetrical structure as a support, an inorganic material membrane for hydrogen separation with improved separation and permeability to hydrogen was prepared (Korean Patent No. 158431). According to this method, palladium acetate is dissolved in acetone in a saturated state and deposited on an asymmetrical alumina film to allow palladium to enter the inside of the alumina film by capillary force, thereby making most of the palladium (II) in the outer coarse thick layer. The acetate precursor was stored and vacuum was applied while raising the temperature to evaporate the palladium (II) acetate precursor to form a palladium interlayer between the outer and inner layers of the alumina film.

이러한 솔젤법으로 제조된 팔라듐 함침 알루미나막에 침투ㆍ증착법(soaking and vapor deposition method: SVD)을 연속적으로 실행하여 제조한 팔라듐 함침 무기재료막은 수소 선택도를 약간 향상시켰으나, 안쪽측과 바깥쪽층 사이의 압력차가 상압 이상으로 높고 온도가 600K 이상으로 높은 경우에서의 수소 선택도는 여전히 낮아 실용화에 여러가지 문제점이 있었다. 이는 지지체로 사용되는 알루미나 튜브의 길이가 500mm로 길기 때문에 지지체의 전체에 걸쳐서 고온의 증착온도를 효과적으로 유지시키기 어렵기 때문이다. 실제적으로, 막의 바깥쪽과 안쪽 사이의 압력차가 낮은 상태에서의 조업은 반대방향으로의 확산이 일어나고 처리량도 적어지기 때문에, 반대방향으로의 확산을 억제할만한 높은 압력차에서 높은 수소 선택도를 갖는 막의 개발이 실제공정에 있어서 필수적으로 요구되었다.The palladium-impregnated inorganic material film produced by successive soaking and vapor deposition methods (SVD) in the palladium-impregnated alumina film produced by the sol-gel method slightly improved the hydrogen selectivity, but was slightly improved between the inner and outer layers. When the pressure difference is higher than the normal pressure and the temperature is higher than 600K, hydrogen selectivity is still low and there are various problems in practical use. This is because the length of the alumina tube used as the support is 500 mm long so that it is difficult to effectively maintain the high temperature deposition temperature over the entire support. In practice, operation with a low pressure difference between the outer and inner sides of the membrane results in diffusion in the opposite direction and less throughput, so that a membrane with high hydrogen selectivity at a higher pressure difference that would suppress diffusion in the opposite direction Development was essential to the actual process.

이에, 본 발명자들은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 예의 연구노력한 결과, 서로 다른 크기를 갖는 두 종류의 실리카 솔을 사용하여 각각 In-situ 실리카 솔젤법과 침적 코팅법으로 α-알루미나 지지체의 기공 크기를 감소시킨 다음, 개선된 침투 증착법을 연속적으로 실행하여 알루미나-실리카 복합막의 바깥쪽층과 안쪽층 사이에 팔라듐 중간층을 형성함으로써, 상압 이상의 높은 압력차와 600K 이상의 높은 온도에서도 이상적인 누센확산(ideal Knudsen diffusion)의 분리도(3.74)를 초과하는 수소 분리도를 가지며, 종래의 고분자막보다 높은 투과도를 갖는 팔라듐 함침의 알루미나-실리카 복합막이 제조됨을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.Therefore, the present inventors have diligently studied to solve the above problems, and as a result, by using two kinds of silica brushes having different sizes, the pore size of the α-alumina support is reduced by the In-situ silica sol-gel method and the deposition coating method, respectively. The continuous penetration deposition process was then performed to form a palladium intermediate layer between the outer and inner layers of the alumina-silica composite membrane, thereby achieving ideal Knudsen diffusion even at high pressure differences above atmospheric pressure and at temperatures above 600K. It was confirmed that the alumina-silica composite membrane of palladium-impregnated having a hydrogen separation degree exceeding the separation degree (3.74) and having a higher permeability than the conventional polymer membrane was completed, and completed the present invention.

결국, 본 발명의 목적은 한외여과용으로 실제적인 수처리 공정에 사용되는 비대칭의 관형 알루미나 지지체의 기공구조를 다단계에 걸쳐 개선시킨 팔라듐 함침 알루미나-실리카 복합막의 제조방법을 제공하는 것이다.After all, it is an object of the present invention to provide a method for producing a palladium-impregnated alumina-silica composite membrane in which the pore structure of the asymmetric tubular alumina support used in the actual water treatment process for ultrafiltration is improved in multiple stages.

도 1의 윗 도면은 알루미나 지지체의 기공 내부에서 실리카 솔을 형성시키는 장치를 개략적으로 나타낸 그림이다.1 is a schematic view of an apparatus for forming a silica sol inside the pores of an alumina support.

도 1의 아래 도면은 In-situ 실리카 솔젤법에 의한 기공구조 개선과정을 도시한 개략도이다.1 is a schematic diagram showing the process of improving the pore structure by the In-situ silica sol-gel method.

도 2는 In-situ 실리카 솔젤법으로 제조된 알루미나-실리카 복합막의 단면과 Si의 분포를 나타내는 주사전자현미경 사진이다.FIG. 2 is a scanning electron micrograph showing a cross section and Si distribution of an alumina-silica composite film prepared by In-situ silica sol-gel method.

도 3은 In-situ 실리카 솔젤법에 의한 실리카 솔 형성공정 및 실리카 솔을 이용한 침적코팅 공정을 거친 알루미나-실리카 복합막의 단면과 표면에 대한 주사전자현미경 사진이다.3 is a scanning electron micrograph of the cross-section and the surface of the alumina-silica composite film subjected to the silica sol forming process by the In-situ silica sol-gel method and the deposition coating process using the silica sol.

도 4는 In-situ 실리카 솔젤법에 의한 실리카 솔 형성공정, 실리카 솔을 이용한 침적코팅 공정 및 개선된 침투 증착법에 의한 팔라듐 증착 공정을 거친 팔라듐 함침 알루미나-실리카 복합막의 단면과 팔라듐 금속의 분포를 나타내는 주사전자현미경 사진이다.Figure 4 shows the cross-section of the palladium-impregnated alumina-silica composite film and the distribution of palladium metal through the silica sol formation process by In-situ silica sol-gel method, the deposition coating process by silica sol and the palladium deposition process by improved permeation deposition method. Scanning electron micrograph.

도 5는 기체투과장치를 개략적으로 나타낸 그림이다.5 is a view schematically showing a gas permeation apparatus.

도 6은 다단계 기공구조 개선을 통해 제조된 본 발명의 팔라듐 함침 알루미나-실리카 복합막의 기체 투과도 변화를 나타내는 그래프이다.Figure 6 is a graph showing the gas permeability change of the palladium-impregnated alumina-silica composite membrane of the present invention prepared through the multi-stage pore structure improvement.

도 7은 기공구조 개선단계에 따른 수소 선택도와 투과계수의 변화를 나타내는 그래프이다.7 is a graph showing changes in hydrogen selectivity and permeation coefficient according to the pore structure improvement step.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

1: 산성의 물-에탄올 혼합물 2: 알루미나 지지체1: acidic water-ethanol mixture 2: alumina support

3: TEOS(tetraethylorthosilicate) 4: 지지체 고무마개3: TEOS (tetraethylorthosilicate) 4: support rubber stopper

5: 항온조 6: 실리카솔 입자5: thermostat 6: silica sol particles

7: 질소가스 8: 수소가스7: nitrogen gas 8: hydrogen gas

9: 3차로(3-way) 밸브 10: 유량조절기9: 3-way valve 10: flow regulator

11: 압력계 12: 막분리모듈11: pressure gauge 12: membrane separation module

13: 전기로 14:유량계13: Furnace 14: Flow meter

15: 니들밸브15: Needle Valve

이하, 본 발명에 따른 수소분리용 팔라듐 함침 알루미나-실리카 복합막의 제조방법을 공정별로 보다 구체적으로 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing the palladium-impregnated alumina-silica composite membrane for hydrogen separation according to the present invention will be described in more detail.

공정 1: In-situ 실리카 솔젤법에 의한 실리카 솔 형성공정Process 1: Silica Sol Forming Process by In-situ Silica Sol Gel Method

알루미나 지지체의 첫 번째 기공구조 개선 공정으로서 In-situ 실리카 솔젤법을 사용한다. 즉, 다공성 알루미나 지지체의 안쪽과 바깥쪽에서 각각 산성의 증류수-에틸알콜의 혼합물과 실리케이트 전구체를 모세관 힘으로 확산시켜서 기공 내부에서 실리카 솔이 생성되도록 유도하여 젤화시킨다. 이어, 열처리하여 지지체의 기공 크기가 감소된 알루미나-실리카 복합막을 제조한다.In-situ silica sol-gel method is used as the first pore structure improvement process of alumina support. In other words, the mixture of acidic distilled water-ethyl alcohol and silicate precursors are diffused by capillary force on the inside and outside of the porous alumina support to induce gelation to generate silica sol inside the pores. Subsequently, heat treatment produces an alumina-silica composite membrane having reduced pore size of the support.

상기에서, 알루미나 지지체로는 다양한 형태 및 크기를 지닌 다공성 지지체가 사용될 수 있으나, 관형 지지체를 사용하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 미세한 기공을 지닌 조밀한 내부와 기계적인 강도를 유지하기 위하여 비교적 큰 기공을 지닌 두터운 외부층으로 구성된 비대칭성 관형 알루미나 지지체를 사용한다.In the above, porous supports having various shapes and sizes may be used as the alumina support, but it is preferable to use a tubular support, and more preferably, to maintain a dense internal and mechanical strength with fine pores. An asymmetric tubular alumina support composed of a thick outer layer with pores is used.

아울러, 실리케이트 전구체는 TMOS(tetramethylorthosilicate), TEOS(tetraethylorthosilicate), 테트라-n-프로폭시실란(tetra-n-propoxysilane), 테트라-n-부톡시실란(tetra-n-butoxysilane), 테트라키스(2-메톡시에톡시)실란(tetrakis(2-methoxyethoxy)silane) 등, 가장 바람직하게는 TEOS를 사용할 수 있고, 증류수-에틸알콜의 혼합물(산성)은 증류수:에틸알콜 = 2∼10 : 1∼2, 가장 바람직하게는 4:1의 몰비로 혼합시키고, pH가 2.5 내지 1.7, 가장 바람직하게는 pH 2.0이 되도록 산을 첨가한 혼합물을 사용한다. 또한, 열처리는 450℃ 내지 550℃에서 120분 내지 170분 동안 질소 분위기 하에서 수행한다.In addition, the silicate precursor is tetramethylorthosilicate (TMOS), tetraethylorthosilicate (TEOS), tetra-n-propoxysilane, tetra-n-butoxysilane, tetrakis (2- Most preferably, TEOS can be used, such as tetrakis (2-methoxyethoxy) silane, and the mixture (acid) of distilled water-ethyl alcohol is distilled water: ethyl alcohol = 1-2: 10, 1-2, Most preferably, the mixture is mixed in a molar ratio of 4: 1 and an acid is added so that the pH is 2.5 to 1.7, most preferably pH 2.0. In addition, the heat treatment is performed under a nitrogen atmosphere for 120 minutes to 170 minutes at 450 ℃ to 550 ℃.

본 공정은 상기 증류수-에틸알콜의 혼합물을 구성하는 각 성분의 조성비를 달리함으로써 다양한 크기의 실리카 솔을 형성시킬 수 있으므로, 알루미나 기공의 크기를 효과적으로 감소시킬 수 있다는 장점이 있으며, 원래의 지지체보다 안쪽 기공의 크기가 작아지기 때문에 후속하여 시행될 여러 가지 기공구조 개선방법에 효과적으로 이용될 수 있다.This process can form silica sol of various sizes by varying the composition ratio of each component constituting the mixture of distilled water-ethyl alcohol, there is an advantage that can effectively reduce the size of the alumina pores, the inner side than the original support As the pore size becomes smaller, it can be effectively used for various pore structure improvement methods to be implemented subsequently.

공정 2: 실리카의 침적코팅 공정Process 2: deposition process of silica

막 전체에 걸쳐 분포하는 온도의 비균일 때문에 후술하는 팔라듐의 화학증착이 충분히 일어나지 못하는 막의 양 끝부분에 대해서 기공의 크기를 충분히 감소시키기 위해서 실리카 솔의 침적 코팅을 수행한다. 즉, 전기한 공정 1에서 제조한 알루미나-실리카 복합막의 양 끝부분을 진공 하에서 침적코팅용 실리카 솔에 담구어 실리카로 침적코팅한다.Dip coating of the silica sol is performed to sufficiently reduce the pore size at both ends of the membrane where the chemical vapor deposition of palladium, which will be described later, due to the nonuniformity of the temperature distribution throughout the membrane, is sufficiently performed. That is, both ends of the alumina-silica composite membrane prepared in the above-mentioned step 1 are immersed in a silica sol for immersion coating under vacuum and immersed in silica.

침적코팅시에는 공정 1에서보다 더욱 작은 크기의 실리카 솔을 사용하여 기공의 크기를 감소시켰는데, 침적코팅용 실리카 솔은 실리케이트 전구체를 1 ∼ 2, 가장 바람직하게는 1의 몰비로 사용하고, 증류수:에틸알콜 = 2∼5 : 3∼5, 가장 바람직하게는 4.7:3.8의 몰비로 혼합시키고 pH가 2.8 내지 1.9, 가장 바람직하게는 pH 2.3이 되도록 산을 첨가한 증류수-에틸알콜의 혼합물(산성)을 사용함으로써 제조한다.In immersion coating, the pore size was reduced by using a smaller size silica sol than in step 1. The silica sol for immersion coating used a silicate precursor in a molar ratio of 1 to 2, most preferably 1, and distilled water. Ethyl alcohol = 2-5: 3-5, most preferably a mixture of distilled water-ethyl alcohol (acidic acid) mixed in a molar ratio of 4.7: 3.8 and added with an acid so that the pH is 2.8-1.9, most preferably pH 2.3. By using).

코팅장치는 실리카 솔이 담긴 용기에 공정 1에서 제조된 알루미나-실리카 복합막을 수직으로 담구었다가 뺄 수 있도록 제작되었으며, 침적시간은 코팅두께에 따라 다양하게 할 수 있으나, 바람직하게는 상기의 조성으로 제조된 실리카 솔을 이용하여 1분씩 6회 내지 10회 침적 코팅한다.The coating apparatus was manufactured to vertically immerse and remove the alumina-silica composite membrane prepared in step 1 in a container containing silica sol, and the deposition time can be varied depending on the coating thickness, but preferably prepared in the above composition. The coated silica sol was applied 6 to 10 times by 1 minute dip coating.

공정 3: 팔라듐의 침투증착 공정Process 3: penetration deposition process of palladium

전기한 공정으로부터 수득한 알루미나-실리카 복합막의 바깥쪽에 팔라듐 전구체의 침투혼합액을 균일하게 흘려 넣어 주고, 알루미나 지지체의 내부를 진공으로 유지시켜 알루미나 막의 기공에 팔라듐 전구체를 침투시키고 건조시킨 다음, 팔라듐 전구체가 승화되도록 막의 안쪽에 진공을 걸어주면서 170℃ 내지 190℃까지 서서히 승온시켜, 알루미나-실리카 복합막의 기공표면에 팔라듐을 증착시킨다. 결국, 알루미나-실리카 복합막의 바깥쪽과 안쪽층 사이에 팔라듐 중간층이 형성된다.이어, 복합막의 내부를 진공으로 유지하면서 서서히 승온시켜 290℃ 내지 310℃의 온도에서 열처리하여, 본 발명의 팔라듐 함침 알루미나-실리카 복합막을 제조한다.The infiltration mixture of the palladium precursor was uniformly flown to the outside of the alumina-silica composite membrane obtained from the above process, the inside of the alumina support was kept in a vacuum to infiltrate the palladium precursor into the pores of the alumina membrane and dried, and then the palladium precursor was The temperature is gradually raised to 170 ° C to 190 ° C while applying a vacuum to the inside of the film to sublimate, thereby depositing palladium on the pore surface of the alumina-silica composite membrane. As a result, an intermediate layer of palladium is formed between the outer and inner layers of the alumina-silica composite film. Then, the inside of the composite film is gradually heated while maintaining the vacuum, and heat-treated at a temperature of 290 ° C. to 310 ° C., thereby producing the palladium-impregnated alumina. Prepare a silica composite membrane.

상기에서, 팔라듐 전구체의 침투혼합액은 팔라듐(II)아세테이트를 아세톤 및 소량의 염산에 용해시킨 혼합액을 사용하는 것이 바람직하다.In the above, the infiltration mixture of the palladium precursor is preferably used a mixture of palladium (II) acetate dissolved in acetone and a small amount of hydrochloric acid.

본 공정에 따라 복합막에 침투혼합액을 흘려주면, 미세기공의 모세관력에 의하여 혼합액이 막 내부로 침투하게 되며, 이때 알루미나 지지체의 내부를 진공으로 유지시킴으로써 혼합막 내부로 팔라듐 전구체의 침투 및 저장량이 향상된다. 다음으로, 팔라듐의 증착시 복합막의 기공에 팔라듐의 증착을 촉진하기 위해서는 일정한 시간간격으로 막의 외부에서 내부로 질소를 흘려주면서 승온시키는 것이 바람직하다.When the permeate mixture is flowed into the composite membrane according to the present process, the mixed liquid penetrates into the membrane by the capillary force of the micropores. At this time, the inside of the alumina support is kept in a vacuum to infiltrate and store the palladium precursor into the mixed membrane. Is improved. Next, in order to promote deposition of palladium in the pores of the composite film during the deposition of palladium, it is preferable to increase the temperature while flowing nitrogen from the outside to the inside of the film at a predetermined time interval.

상술한 바와 같은 다단계 기공구조 개선을 통해서 제조된 팔라듐 함침의 알루미나-실리카 복합막은 상압 이상의 높은 압력차(안쪽측과 바깥쪽층 사이의 압력차)와 600K 이상의 높은 온도에서도 높은 수소 투과도를 나타내고, 누센한계(Knudsen limit, 수소 분리도 3.74) 이상의 수소 분리도를 나타낸다.The palladium-impregnated alumina-silica composite membrane prepared through the improvement of multi-stage pore structure as described above shows high pressure difference (pressure difference between inner and outer layers) above atmospheric pressure and high hydrogen permeability even at high temperature above 600K, (Knudsen limit, hydrogen separation degree 3.74) or more, hydrogen separation degree is shown.

이하, 본 발명을 실시예에 의하여 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 국한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. These examples are only for illustrating the present invention, and it will be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not limited to these examples according to the gist of the present invention.

실시예 1: In-situ 실리카 솔젤법에 의한 실리카 솔 형성Example 1 Formation of Silica Sol by In-situ Silica Sol Gel Method

알루미나 지지체의 첫 번째 기공구조 개선 공정으로서 In-situ 실리카 솔젤법을 사용하였다. 즉, 비대칭의 관형 α-알루미나 지지체(Noridake Co., Japan; 평균 기공크기 80nm, 외경 10mm, 내경 7mm 및 길이 500mm)를 도 1의 윗 도면에서와 같은 장치에 넣고 온도를 80℃로 유지시킨 상태에서 바깥쪽에 TEOS를, 안쪽에 염산을 소량 첨가한 에탄올-물 혼합물(pH 2.0)을 넣어 지지체의 기공 안으로 확산시켜, 기공 내부에서 실리카 솔을 형성시켰다. 이렇게 한 시간을 반응시킨 후에 상온에서 20시간 건조시킨 다음, 열처리 시에 발생되는 균열을 방지하기 위해서 0.7℃/min의 속도로 온도를 상승시켜 500℃에서 150분 동안 질소 분위기 하에서 처리하였다. 이 과정을 8회 반복 시행하였다. 실리카 솔의 제조에 사용된 반응물과 이들의 조성은 하기 표 1에 나타내었다.In-situ silica sol-gel method was used as the first pore structure improvement process of the alumina support. That is, asymmetric tubular α-alumina support (Noridake Co., Japan; average pore size of 80 nm, outer diameter of 10 mm, inner diameter of 7 mm and length of 500 mm) was put in the apparatus as shown in the upper drawing of FIG. 1 and the temperature was maintained at 80 ° C. The ethanol-water mixture (pH 2.0) added with TEOS on the outside and a small amount of hydrochloric acid on the inside was added to diffuse into the pores of the support to form a silica sol inside the pores. After reacting for one hour, the mixture was dried at room temperature for 20 hours, and then heated at a rate of 0.7 ° C./min at a rate of 0.7 ° C./min in order to prevent cracking during heat treatment, and then treated at 500 ° C. for 150 minutes under nitrogen atmosphere. This process was repeated eight times. The reactants used in the preparation of the silica sol and their compositions are shown in Table 1 below.

이렇게 제조된 알루미나-실리카 복합막의 단면과 실리콘 원소의 분포를 주사전자현미경을 통해 관찰한 결과는 도 2에 나타내었다. 도 2에서, 흰색선은 Si를 나타낸다.The cross section of the alumina-silica composite membrane thus prepared and the distribution of silicon elements were observed through a scanning electron microscope. In FIG. 2, white lines represent Si.

상기에서 제조된 알루미나-실리카 복합막은 높은 투과도를 나타내나(참조:도 6 및 도 7), 수소 선택도는 3 내지 4로서 이상적인 누센확산에 의한 선택도(S.F.=3.74) 정도의 분리도를 나타내었는 바, 후술하는 실시예에서와 같이 추가적인 기공 구조개선 방법이 요구되었다.The alumina-silica composite membrane prepared above exhibited high permeability (see FIGS. 6 and 7), but the hydrogen selectivity was 3 to 4, which showed a degree of separation (SF = 3.74) by ideal nucenus diffusion. Bar additional pore structure improvement methods were required as in the following examples.

실리카 솔의 제조를 위한 반응물의 조성(몰비)Composition of reactants for the production of silica sol (molar ratio) 반응물 종류Reactant Type TEOSTEOS 에틸알콜Ethyl alcohol 증류수Distilled water 반응촉매Reaction catalyst In-situ 실리카 솔젤법In-situ silica sol gel method N.D.* ND * 1One 44 염산Hydrochloric acid 실리카솔의 침적 코팅법Dipping Coating Method of Silica Sol 1One 3.83.8 4.74.7 질산nitric acid

*: N.D.= not determined*: N.D. = not determined

실시예 2: 실리카의 침적 코팅Example 2: Dipping Coating of Silica

효과적인 표면확산을 통한 기체분리를 위해서 후술하는 실시예 3에서와 같이 팔라듐을 막 기공에 함침시키는 화학증착법이 추가적인 기공 구조 개선을 위해 필요하였다. 그러나, 이러한 화학증착법을 통해서는 막 전체에 걸쳐서 균일한 온도를 유지하여, 알루미나-실리카 복합막층의 기공표면에 팔라듐을 증착시키기가 매우 어려웠다.For gas separation through effective surface diffusion, a chemical vapor deposition method of impregnating palladium into membrane pores was required for further pore structure improvement, as in Example 3 described later. However, it was very difficult to deposit palladium on the pore surface of the alumina-silica composite membrane layer by maintaining a uniform temperature throughout the film through this chemical vapor deposition method.

이에, 온도분포에 의해 화학증착이 충분히 일어나지 못하는 막의 양 끝부분에 대해서 기공의 크기를 충분히 감소시키기 위해서 실리카 솔의 침적 코팅을 시행하였다. 실리카 솔의 침적코팅은 알루미나-실리카 복합막의 전체 500mm 부분에서, 양끝부분 150mm 부분에 대해서 수행하였다. 실리카 솔의 침적코팅시에는 더욱 작은 크기의 실리카 솔을 사용하여 기공의 크기를 감소시켰는데, 침적코팅용 실리카 솔의 제조에 사용된 반응물과 이들의 조성은 하기 표1에 나타내었으며, 이때의 에탄올-물 혼합물의 pH는 2.3이었다. 코팅장치는 실리카 솔이 담긴 용기에 실시예 1에서 제조된 알루미나-실리카 복합막을 수직으로 담구었다가 뺄 수 있도록 제작되었으며, 조작과정에서 진동을 최소화하기 위해서 공기 압축기와 공기 실린더를 사용하였다. 또한, 코팅시 실리카 솔이 지지체 내부로 충분히 빨려 들어갈 수 있도록 진공펌프를 연결하여, 침적과 건조과정시 지지체 내부에 진공을 걸어주었다. 침적시간은 코팅두께에 큰 영향을 주는 인자인데, 본 실시예에서는 하기 표 1에 나타낸 조성으로 제조된 실리카 솔을 이용하여 1분씩 8회 침적 코팅하였다.Thus, deposition coating of silica sol was performed to sufficiently reduce the pore size at both ends of the membrane where the chemical vapor deposition could not occur sufficiently due to the temperature distribution. Deposition coating of silica sol was performed on the entire 500 mm portion of the alumina-silica composite membrane and on the 150 mm portion at both ends. In the deposition coating of silica sol, a smaller sized silica sol was used to reduce the pore size. The reactants and their composition used in the preparation of the silica sol for deposition coating are shown in Table 1 below. The pH of the water mixture was 2.3. The coating apparatus was manufactured to vertically immerse and remove the alumina-silica composite membrane prepared in Example 1 in a container containing silica sol, and an air compressor and an air cylinder were used to minimize vibration during the operation. In addition, a vacuum pump was connected so that the silica sol was sufficiently sucked into the support during coating, and a vacuum was applied to the inside of the support during deposition and drying. Deposition time is a factor that has a large influence on the coating thickness, in this Example was coated 8 times by 1 minute using a silica sol prepared in the composition shown in Table 1.

이와 같이 2단계를 통해 기공구조가 개선된 알루미나-실리카 복합막의 단면과 표면을 주사전자현미경으로 관찰한 결과는 도 3에 나타내었다.As described above, the cross-section and the surface of the alumina-silica composite membrane having improved pore structure through two steps are shown in FIG. 3.

본 실시예에서 제조된 복합막의 투과도는 수소와 질소의 경우 모두 감소하였고, 수소 선택도는 전체적으로 상승하였으며 특히, 저압에서의 수소 선택도는 5 내지 7로서 현저히 증가하였다.The permeability of the composite membrane prepared in this example was decreased in the case of both hydrogen and nitrogen, the hydrogen selectivity increased as a whole, in particular, the hydrogen selectivity at low pressure was significantly increased as 5-7.

실시예 3: 팔라듐의 침투증착Example 3 Infiltration of Palladium

실리카 솔을 사용하여 2단계로 기공구조가 개선된 알루미나-실리카 복합막의 마지막 기공구조 개선 단계로서, 이 상연 등이 사용한 침투 증착법(참조: 대한민국 특허 제 158431호)을 개선하여 사용하였다.As a final pore structure improvement step of the alumina-silica composite membrane in which the pore structure was improved in two steps using a silica sol, the permeation deposition method used by Sang Sang Lee et al. (See Republic of Korea Patent No. 158431) was used.

알루미나-실리카 복합막의 기공에 팔라듐 금속을 함침시키기 위해, 우선 팔라듐(II)아세테이트 5g을 아세톤 200mL에 용해시키고, 5mL의 염산을 첨가하여 격렬히 교반시켜 팔라듐 전구체의 침투혼합액을 제조하였다.In order to impregnate the palladium metal in the pores of the alumina-silica composite membrane, first, 5 g of palladium (II) acetate was dissolved in 200 mL of acetone, and 5 mL of hydrochloric acid was added thereto, followed by vigorous stirring to prepare an infiltration mixture of the palladium precursor.

상기 실시예 2에서 기공구조가 개선된 알루미나-실리카 복합막의 한쪽 부분을 막고, 직경 15mm, 길이 52cm의 유리관에 넣은 다음, 전기에서 제조한 팔라듐 전구체의 침투혼합액을 복합막 바깥쪽에 흘려 넣어 주었다. 그러면, 팔라듐 전구체의 침투혼합액은 모세관 힘에 의하여 알루미나 막의 안쪽층까지 침투하여, 막 전체에 균일하게 팔라듐(II)아세테이트를 저장한다. 이렇게 1시간 동안 팔라듐 전구체의 침투혼합액을 균일하게 공급하여 주어 균일한 무기막을 얻을 수 있었다. 1시간이 지난 후, 알루미나막을 통과하여 안쪽에 모인 팔라듐 전구체의 침투혼합액과 바깥쪽에 있는 팔라듐 전구체의 침투혼합액을 회수하였다.In Example 2, one part of the alumina-silica composite membrane having improved pore structure was blocked, placed in a glass tube having a diameter of 15 mm and a length of 52 cm, and then the permeation mixture solution of the palladium precursor prepared before was poured into the outside of the composite membrane. Then, the penetrating mixture of the palladium precursor penetrates into the inner layer of the alumina membrane by capillary force, and stores palladium (II) acetate uniformly throughout the membrane. Thus, the penetration mixture of the palladium precursor was uniformly supplied for 1 hour to obtain a uniform inorganic membrane. After 1 hour, the infiltration mixture of the palladium precursor gathered inward through the alumina membrane and the infiltration mixture of the outward palladium precursor were recovered.

그런 다음, 알루미나 지지체에 팔라듐 전구체의 침투혼합액이 존재하는 상태에서 안쪽에서 진공을 100 Torr 내지 300 Torr로 15분을 걸어주어, 팔라듐 전구체의 침투혼합액이 막의 안쪽으로 들어가도록 하였다. 이 경우의 진공은 모세관힘을 도와 전구체 용액의 저장량을 향상시킨다. 이어, 상온에서 3시간 동안 건조시키고, 오븐에서 100℃에서 3시간 동안 건조시켜, 기공 안의 아세톤 용매를 증발시켰다. 이러한 방법으로 기공 안에 팔라듐(II)아세테이트 전구체를 생성시키고, 이 팔라듐(II)아세테이트 전구체가 있는 막의 안쪽에서 진공을 걸어주며 온도를 6.2℃/min의 속도로 180℃까지 올리면, 팔라듐 금속이 활성화되어 알루미나-실리카 복합막의 기공 내부에서 쉽게 증착된다. 원활한 팔라듐 금속의 증착을 위해서, 질소를 유량 제어기(UFC-1500A, UNIT instruments, Inc., USA)를 통해 40 내지 60 mL/분(STP)로 10분마다 1분씩 흘려 보내었다. 또한, 진공펌프로 무기막의 안쪽에서 10-3Torr로 흡입하면서 반응기 전체를 1 Torr 이하로 유지시켰다.Then, in the presence of the infiltration mixture of the palladium precursor on the alumina support, a vacuum was applied at 100 Torr to 300 Torr for 15 minutes from the inside to allow the infiltration mixture of the palladium precursor to enter the inside of the membrane. Vacuum in this case helps capillary forces to improve the storage of precursor solution. Subsequently, the mixture was dried at room temperature for 3 hours and dried in an oven at 100 ° C. for 3 hours to evaporate the acetone solvent in the pores. In this way, a palladium (II) acetate precursor is produced in the pores, vacuum is applied inside the membrane containing the palladium (II) acetate precursor, and the temperature is raised to 180 ° C. at a rate of 6.2 ° C./min. It is easily deposited inside the pores of the alumina-silica composite membrane. For smooth deposition of the palladium metal, nitrogen was flowed 1 minute every 10 minutes through a flow controller (UFC-1500A, UNIT instruments, Inc., USA) at 40-60 mL / min (STP). Further, the entire reactor was maintained at 1 Torr or less while being sucked at 10 −3 Torr from the inside of the inorganic membrane with a vacuum pump.

상기와 같이 180℃에서 1시간 증착시킨 후, 증착된 팔라듐 입자가 기공벽에 완전히 응착될 수 있도록 6.0℃/min의 속도로 300℃로 온도를 올려서 열처리하였다. 이러한 팔라듐 증착과정 및 열처리 과정을 5 내지 6회 반복하게 되는데, 과정이 반복될수록 모세관힘에 의한 팔라듐(II)아세테이트 전구체 용액의 저장량이 감소하게 된다.After the deposition at 180 ° C. for 1 hour as described above, the temperature was heated to 300 ° C. at a rate of 6.0 ° C./min so that the deposited palladium particles completely adhered to the pore walls. The palladium deposition process and the heat treatment process are repeated 5 to 6 times, and as the process is repeated, the storage amount of the palladium (II) acetate precursor solution by capillary force decreases.

이와 같은 개선된 침투 증착법으로 제조된 팔라듐 함침 알루미나-실리카 복합막의 단면과 팔라듐 금속의 분포를 주사전자현미경으로 관찰한 결과는 도 4에 나타내었다. 도 4에서, 흰색선은 Pd를 나타낸다.A cross-sectional view of the palladium-impregnated alumina-silica composite film and the distribution of palladium metal prepared by the improved penetration deposition method is shown in FIG. 4. In FIG. 4, the white line represents Pd.

무기재료막의 수소 분리도 및 투과도의 평가Evaluation of Hydrogen Separation and Permeability of Inorganic Material Membranes

본 발명의 팔라듐 함침 알루미나-실리카 복합막의 기체 투과성을 알아보기위하여, 도 5와 같은 기체투과장치를 사용하여 순수기체(N2, H2)의 투과 실험을 수행하였다. 즉, 유량조절기를 사용하여 공급되는 기체의 양을 일정하게 유지시키고, 이때 막의 안쪽 압력을 대기압으로 유지하며, 바깥쪽의 압력을 니들밸브로 변화시켜 가면서 투과도를 측정하였다.In order to examine the gas permeability of the palladium-impregnated alumina-silica composite membrane of the present invention, a permeation experiment of pure gas (N 2 , H 2 ) was performed using the gas permeation apparatus as shown in FIG. 5. That is, the amount of gas supplied using the flow regulator was kept constant, and at this time, the inner pressure of the membrane was maintained at atmospheric pressure, and the permeability was measured while changing the outer pressure with the needle valve.

막의 분리도(선택도)는 투과된 각 기체의 투과도의 비로 정의하여 사용하였으며, 기체의 투과도는 다음과 같이 정의한다:Membrane separation (selectivity) was defined as the ratio of the permeability of each gas permeated, and the permeability of the gas was defined as follows:

상기 식에서,Where

Qi는 STP에서의 기체의 부피 유량이고;Q i is the volumetric flow rate of gas in the STP;

P는 막의 양단에 걸리는 압력차이며; 및,P is the pressure difference across the membrane; And,

2r과 L은 각각 막 기공의 지름과 막의 길이를 나타낸다.2r and L represent the diameter of the membrane pores and the length of the membrane, respectively.

본 발명의 팔라듐 함침 알루미나-실리카 복합막의 수소와 질소기체 투과도는 도 6에 나타내었는데, 이때 질소 기체는 비교기체로서 사용되었다. 도 6에서, ( ○ )는 실시예 1에서 제조된 알루미나-실리카 복합막의 질소기체 투과도를 나타내며, ( ● )는 실시예 1에서 제조된 알루미나-실리카 복합막의 수소기체 투과도를 나타내고, ( □ )는 본 발명의 팔라듐 함침 알루미나-실리카 복합막의 질소기체 투과도를 나타내며, ( ■ )는 본 발명의 팔라듐 함침 알루미나-실리카 복합막의 수소기체 투과도를 각각 나타낸다.The hydrogen and nitrogen gas permeability of the palladium-impregnated alumina-silica composite membrane of the present invention are shown in FIG. 6, wherein nitrogen gas was used as the comparator gas. In Figure 6, (○) represents the nitrogen gas permeability of the alumina-silica composite membrane prepared in Example 1, (●) represents the hydrogen gas permeability of the alumina-silica composite membrane prepared in Example 1, (□) The nitrogen gas permeability of the palladium-impregnated alumina-silica composite membrane of the present invention is shown, and (■) represents the hydrogen gas permeability of the palladium-impregnated alumina-silica composite membrane of the present invention, respectively.

도 6에서 보듯이, 본 발명의 팔라듐 함침 알루미나-실리카 복합막은 상압 이상의 높은 압력차와 600K 이상의 높은 온도에서도 높은 수소 투과도를 나타내고, 누센한계(Knudsen limit, 수소 분리도 3.74) 이상의 수소 분리도를 가짐을 알 수 있었다.As shown in FIG. 6, the palladium-impregnated alumina-silica composite membrane of the present invention exhibits a high pressure difference above atmospheric pressure and high hydrogen permeability even at a high temperature of 600K or higher, and has a hydrogen separation degree above the Knudsen limit (hydrogen separation degree 3.74). Could know.

또한, 종래의 고분자막의 수소 분리 성능과 비교하기 위해서, 본 발명 무기재료막의 기공구조개선 단계에 따른 수소 투과계수와 선택도의 변화를 종래의 수소분리용 고분자막의 분리한계와 함께 도 7에 도시하였다. 도 7은 도 6에 개시한 온도 673K 및 압력 150kPa에서의 수소기체 투과도를 다시 플롯팅한 그래프이다. 도 7에서, 실선은 종래 고분자막의 수소 분리성능 한계를 나타내고, ( ● )는 실시예 1에서 제조된 알루미나-실리카 복합막의 수소 투과계수와 선택도를 나타내며, ( ■ )는 본 발명의 팔라듐 함침 알루미나-실리카 복합막의 수소 투과계수와 선택도를 각각 나타낸다. 또한, 도 7에서의 막 두께는 도 2 내지 도 4에서 나타낸 주사전자현미경 사진으로부터 추산하였다.In addition, in order to compare with the hydrogen separation performance of the conventional polymer membrane, the change in hydrogen permeability coefficient and selectivity according to the pore structure improvement step of the inorganic material membrane of the present invention is shown in FIG. 7 together with the separation limit of the conventional polymer membrane for hydrogen separation. . FIG. 7 is a graph plotting hydrogen gas permeability again at a temperature of 673 K and a pressure of 150 kPa disclosed in FIG. 6. In Figure 7, the solid line represents the hydrogen separation performance limit of the conventional polymer membrane, (●) represents the hydrogen permeation coefficient and selectivity of the alumina-silica composite membrane prepared in Example 1, (■) is the palladium impregnated alumina of the present invention The hydrogen permeability coefficient and selectivity of the silica composite membrane are shown, respectively. In addition, the film thickness in FIG. 7 was estimated from the scanning electron micrograph shown in FIGS.

상기 도 7에서 보듯이, 본 발명의 다단계 공정으로 제조된 팔라듐 함침 알루미나-실리카 복합막은 종래 고분자막의 수소 분리성능 한계를 나타내는 실선보다 큰 기울기(●와 ■를 연결시킨 기울기)를 나타내므로 우수한 수소 선택도를 가짐을 알 수 있었고, 또한 종래의 고분자막보다 높은 투과도를 나타냄을 알 수 있었다.As shown in FIG. 7, the palladium-impregnated alumina-silica composite membrane prepared by the multi-step process of the present invention exhibits an excellent slope (an inclination of q and n) greater than the solid line representing the hydrogen separation performance limit of the conventional polymer membrane. It can be seen that it has a degree, and also showed a higher transmittance than the conventional polymer membrane.

이상에서 상세히 설명하고 입증하였듯이, 본 발명은 In-situ 실리카 솔젤법으로 미세한 다공성 알루미나 지지체의 기공 내부에서 실리카 솔을 형성시키고, 더욱 작은 크기의 실리카 솔을 진공 하에서 침적코딩하여 지지체의 기공 크기를 감소시킨 다음, 개선된 침투 증착법(ESVD)을 연속적으로 실행하여 알루미나-실리카 복합막의 기공 내부에 팔라듐 금속을 흡착시킴으로써, 팔라듐 함침의 알루미나-실리카 복합막을 제조한다. 이렇게 다단계로 제조된 다공성 수소분리막은 누센확산 이외에, 감소된 기공의 크기와 팔라듐의 선택적인 수소 흡착 특성에 기인한 표면확산에 의해서, 높은 수소 선택도와 투과도를 나타낸다.As described and demonstrated in detail above, the present invention forms a silica sol in the pores of the fine porous alumina support by the in-situ silica sol-gel method, and reduces the pore size of the support by depositing a smaller sized silica sol under vacuum. Then, an improved permeation deposition method (ESVD) was carried out continuously to adsorb palladium metal into the pores of the alumina-silica composite membrane, thereby preparing an alumina-silica composite membrane of palladium impregnation. The multi-stage porous hydrogen separation membrane exhibits high hydrogen selectivity and permeability due to surface diffusion due to reduced pore size and selective hydrogen adsorption characteristics of palladium, in addition to nusen diffusion.

상기와 같이, 본 발명의 방법으로 제조된 팔라듐 함침 알루미나-실리카 복합막은 상압 이상의 높은 압력차와 600K 이상의 높은 온도에서 실용적인 수소 분리 특성을 나타내므로, 고온ㆍ고압의 화학공정에서 고순도의 수소를 제조하기 위한 전처리 단계 등에 사용되어 높은 효율을 보여줄 수 있으며, 또한 PSA(pressure swing adsorption) 공정과의 혼합공정, 수소화 반응에서의 막반응기로의 응용 등 다양한 용도로 사용될 수 있다.As described above, the palladium-impregnated alumina-silica composite membrane prepared by the method of the present invention exhibits practical hydrogen separation characteristics at a high pressure difference of higher than normal pressure and a high temperature of 600K or higher, and thus to produce high purity hydrogen in high temperature and high pressure chemical processes. It can be used for a pretreatment step and the like to show high efficiency, and can also be used for various purposes such as mixing with a pressure swing adsorption (PSA) process and application to a membrane reactor in a hydrogenation reaction.

Claims (10)

(ⅰ) 실리케이트 전구체와 산성의 증류수-에틸알콜 혼합물을 각각 다공성 알루미나 지지체의 안쪽과 바깥쪽에서 확산시켜 기공 내부에서 실리카 솔을 생성시키고, 그를 젤화 및 열처리하여 지지체의 기공 크기가 감 소된 알루미나-실리카 복합막을 제조하는 공정;(Iii) A silicate precursor and an acidic distilled water-ethyl alcohol mixture are diffused inside and outside the porous alumina support, respectively, to form a silica sol inside the pores, and then gelled and heat treated to reduce the pore size of the support. Manufacturing a membrane; (ⅱ) 전기한 공정에서 제조한 알루미나-실리카 복합막의 양 끝부분을 진공 하에서 침적코팅용 실리카 솔에 담구어 실리카로 침적코팅하는 공정; 및,(Ii) immersing both ends of the alumina-silica composite membrane prepared in the above-mentioned process in a immersion coating silica sol under vacuum to immersion coating with silica; And, (ⅲ) 전기한 공정에서 침적코팅한 알루미나-실리카 복합막의 바깥쪽에 팔라 듐 전구체의 침투혼합액을 균일하게 흘려 넣어 주고, 전기 복합막의 내부를 진공으로 유지시켜 막의 기공에 팔라듐 전구체를 침투시키고 건조시킨 다음, 막의 안쪽에 진공을 걸어주면서 170℃ 내지 190℃까지 승온시켜 알루미나-실리카 복합막의 기공표면에 팔라듐을 증착시키고, 복합막의 내부를 진공으로 유지하면서 290℃ 내지 310℃까지 승온시켜 열처리하는 공정을 포함하는(Iii) The infiltration mixture of the palladium precursor is evenly flown to the outside of the alumina-silica composite membrane deposited by the above-mentioned process, and the inside of the electrical composite membrane is kept in vacuum to infiltrate the pores of the membrane and dry it. And heating the film to 170 ° C. to 190 ° C. while applying a vacuum to the inside of the membrane to deposit palladium on the pore surface of the alumina-silica composite membrane. doing 팔라듐이 함침된 알루미나-실리카 복합막의 제조방법.Method for producing alumina-silica composite membrane impregnated with palladium. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 알루미나 지지체는 비대칭성 관형 알루미나 지지체를 사용하는 것을 특 징으로 하는The alumina support is characterized by the use of an asymmetric tubular alumina support. 팔라듐이 함침된 알루미나-실리카 복합막의 제조방법.Method for producing alumina-silica composite membrane impregnated with palladium. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 실리케이트 전구체는 TMOS(tetramethylorthosilicate), TEOS(tetraethylorthosilicate), 테트라-n-프로폭시실란 (tetra-n-propoxysilane), 테트라-n-부톡시실란(tetra-n-butoxysilane) 및 테트라키스(2-메톡시에톡시)실란(tetrakis(2-methoxyethoxy)silane) 으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는The silicate precursors are tetramethylorthosilicate (TMOS), tetraethylorthosilicate (TEOS), tetra-n-propoxysilane, tetra-n-butoxysilane and tetrakis (2-methoxy Ethoxy) silane (tetrakis (2-methoxyethoxy) silane) is characterized in that it is selected from the group consisting of 팔라듐이 함침된 알루미나-실리카 복합막의 제조방법.Method for producing alumina-silica composite membrane impregnated with palladium. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 산성의 증류수-에틸알콜 혼합물은 증류수:에틸알콜 = 2∼10 : 1∼2의 몰비로 혼합시키고, pH가 2.5 내지 1.7이 되도록 산을 첨가한 혼합물인 것을 특징으로 하는The acidic distilled water-ethyl alcohol mixture is a mixture of distilled water: ethyl alcohol = 2 to 10: 1 to 2 molar ratio, and an acid added so as to have a pH of 2.5 to 1.7. 팔라듐이 함침된 알루미나-실리카 복합막의 제조방법.Method for producing alumina-silica composite membrane impregnated with palladium. 제 4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 산성의 증류수-에틸알콜 혼합물은 증류수:에틸알콜 = 4:1의 몰비로 혼 합시키고 pH가 2.0이 되도록 산을 첨가한 혼합물인 것을 특징으로 하 는The acidic distilled water-ethyl alcohol mixture is a mixture of distilled water: ethyl alcohol = 4: 1 molar ratio and an acid added to a pH of 2.0. 팔라듐이 함침된 알루미나-실리카 복합막의 제조방법.Method for producing alumina-silica composite membrane impregnated with palladium. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 열처리는 450℃ 내지 550℃에서 120분 내지 170분 동안 질소 분위기 하 에서 수행하는 것을 특징으로 하는Heat treatment is carried out at 450 ℃ to 550 ℃ under a nitrogen atmosphere for 120 to 170 minutes 팔라듐이 함침된 알루미나-실리카 복합막의 제조방법.Method for producing alumina-silica composite membrane impregnated with palladium. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 침적코팅용 실리카 솔은 실리케이트 전구체를 1 ∼ 2의 몰비로 사용하 고, 증류수:에틸알콜 = 2∼5 : 3∼5의 몰비로 혼합시키고 pH가 2.8 내 지 1.9 되도록 산을 첨가한 증류수-에틸알콜의 혼합물을 사용하여 제조 되는 것을 특징으로 하는The silica sol for immersion coating uses a silicate precursor in a molar ratio of 1 to 2, distilled water: ethyl alcohol = 2 to 5: 3 to 5 in a molar ratio, and distilled water-ethyl added with an acid so as to have a pH of 2.8 to 1.9. Characterized in that it is prepared using a mixture of alcohols 팔라듐이 함침된 알루미나-실리카 복합막의 제조방법.Method for producing alumina-silica composite membrane impregnated with palladium. 제 7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 침적코팅용 실리카 솔은 실리케이트 전구체를 1의 몰비로 사용하고, 증 류수:에틸알콜 = 4.7:3.8의 몰비로 혼합시키고 pH가 2.3이 되도록 산을 첨가한 증류수-에틸알콜의 혼합물을 사용하여 제조되는 것을 특징으로 하는Silica sol for immersion coating is prepared by using a silicate precursor in a molar ratio of 1, mixing in a molar ratio of distilled water: ethyl alcohol = 4.7: 3.8 and adding distilled water-ethyl alcohol to pH 2.3. Characterized by 팔라듐이 함침된 알루미나-실리카 복합막의 제조방법.Method for producing alumina-silica composite membrane impregnated with palladium. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 팔라듐 전구체의 침투혼합액은 팔라듐(II)아세테이트를 아세톤 및 염산 에 용해시킨 혼합액을 사용하는 것을 특징으로 하는The infiltration mixture of the palladium precursor is characterized by using a mixture solution of palladium (II) acetate dissolved in acetone and hydrochloric acid. 팔라듐이 함침된 알루미나-실리카 복합막의 제조방법.Method for producing alumina-silica composite membrane impregnated with palladium. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 팔라듐 전구체를 침투시켜 팔라듐 증착을 위한 승온시 복합막의 외부에 서 내부로 질소를 흘려주면서 승온시키는 것을 특징으로 하는Infiltrating the palladium precursor to increase the temperature while flowing nitrogen from the outside of the composite film to the inside during the temperature increase for palladium deposition 팔라듐이 함침된 알루미나-실리카 복합막의 제조방법.Method for producing alumina-silica composite membrane impregnated with palladium.
KR1019980043321A 1998-10-16 1998-10-16 Method for producing palladium-impregnated alumina-silica composite membrane through multi-step pore structure improvement KR100285908B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1019980043321A KR100285908B1 (en) 1998-10-16 1998-10-16 Method for producing palladium-impregnated alumina-silica composite membrane through multi-step pore structure improvement

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1019980043321A KR100285908B1 (en) 1998-10-16 1998-10-16 Method for producing palladium-impregnated alumina-silica composite membrane through multi-step pore structure improvement

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20000030932A KR20000030932A (en) 2000-06-05
KR100285908B1 true KR100285908B1 (en) 2001-04-16

Family

ID=19554247

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1019980043321A KR100285908B1 (en) 1998-10-16 1998-10-16 Method for producing palladium-impregnated alumina-silica composite membrane through multi-step pore structure improvement

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100285908B1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101290046B1 (en) * 2010-08-31 2013-07-30 한국기계연구원 Method of Manufacturing Complex System with Porous Ceramics Matrix and Nano Aerogel filling the Same

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100460450B1 (en) * 2002-10-04 2004-12-08 한국화학연구원 Preparation of the silica composite membranes with thermal stability by Soaking-Rolling method
KR101133099B1 (en) * 2011-01-24 2012-04-04 한국에너지기술연구원 Preparation method for hydrogen separation membrane

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101290046B1 (en) * 2010-08-31 2013-07-30 한국기계연구원 Method of Manufacturing Complex System with Porous Ceramics Matrix and Nano Aerogel filling the Same

Also Published As

Publication number Publication date
KR20000030932A (en) 2000-06-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR0158431B1 (en) Method for preparing inorganic material membrane for hydrogen separation membrane
KR101408749B1 (en) Gas separation membranes containing a microporous silica layer based on silica doped with a trivalent element
US20050087491A1 (en) Hybrid membrane, method for producing the same and use of said membrane
RU2108860C1 (en) Precursor of catalyst or ceramic membrane and method of preparation thereof
EP2258465B1 (en) Ceramic filter
US20050211626A1 (en) Methods for making microporous ceramic materials
KR100460450B1 (en) Preparation of the silica composite membranes with thermal stability by Soaking-Rolling method
EP2870994A1 (en) Helium gas separator material, and method for producing same
JP2015110218A (en) Separation filter manufacturing method
WO2001093993A1 (en) Improved silica membranes and process of production thereof
KR102168152B1 (en) Composite membrane, preparation method thereof and carbon dioxide separation membrane comprising the same
KR100285908B1 (en) Method for producing palladium-impregnated alumina-silica composite membrane through multi-step pore structure improvement
JPH038816B2 (en)
KR100358078B1 (en) Silica stabilized palladium composite membranes and their preparation methods
JP4605920B2 (en) Gas separation filter
Beltsios et al. A Vycor® membrane with reduced size surface pores I. Preparation and characterization
JP3850668B2 (en) Porous inorganic material having porous ceramic membrane and method for producing the same
JP2007152230A (en) Compact silica-based hydrogen separation membrane and hydrogen manufacturing method
JP4668043B2 (en) Method for manufacturing helium separator
JP2005095851A (en) Fluid separation filter and its production method
KR100648520B1 (en) Preparation of ceramic membrane by ultrasonic spray pyrolysis
JP2642860B2 (en) Inorganic xerogel membrane, method for producing the same, and gas separation membrane comprising inorganic xerogel membrane
JP4737945B2 (en) Manufacturing method of separation membrane
So et al. Preparations of metal impregnated porous inorganic membranes for hydrogen separation by multi-step pore modifications
So et al. Preparation of Silica-Based Membrane for H 2 Separation by Multi-Step Pore Modification

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20061227

Year of fee payment: 7

LAPS Lapse due to unpaid annual fee