KR100812959B1 - Preparation method of silica-zirconia hydrogen permselective membrane - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본 발명에서 개발한 실리카-지르코니아 가스 분리막의 기체투과계수를 보인 그래프이고,1 is a graph showing the gas permeation coefficient of the silica-zirconia gas separation membrane developed in the present invention,
도 2는 본 발명에서 개발한 실리카-지르코니아 가스 분리막의 단면사진 이고,Figure 2 is a cross-sectional photograph of the silica-zirconia gas separation membrane developed in the present invention,
도 3은 본 발명에서 개발한 실리카-지르코니아 가스 분리막의 표면사진 이다.3 is a surface photograph of the silica-zirconia gas separation membrane developed in the present invention.
본 발명은 물의 열화학적 분해에 의한 수소제조 공정에서 고온, 고부식성 환경에 적용시킬 수 있는 수소 분리를 위한 CVD에 의한 실리카-지르코니아 가스 분리막의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a silica-zirconia gas separation membrane by CVD for hydrogen separation that can be applied to a high temperature, highly corrosive environment in a hydrogen production process by thermochemical decomposition of water.
산업이 고도화됨에 따라, 석유, 석탄, 천연가스 등의 화석연료의 사용량이 현저하게 증가되고 있으며, 이와 같은 화석연료는 사용 후 NOx, SOx, CO2등과 같은 대기오염물을 배출하여 지구의 환경을 오염시키고 있을 뿐만 아니라 최근에는 화석연료 연소에 따라 배출되는 이산화탄소의 대기 중 농도증가로 지구온난화의 우려를 가중시키고 있다. As the industry is advanced, the use of fossil fuels such as petroleum, coal, and natural gas is increasing significantly. Such fossil fuels pollute the earth's environment by emitting air pollutants such as NOx, SOx, and CO 2 after use. In addition, in recent years, the increasing concentration of carbon dioxide emitted by fossil fuel combustion increases the concern of global warming.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 최근에 지구 온난화 대책으로서 개발 중에 있는 연소가스에서 탄산가스를 분리하기 위한 공정으로 분리막을 사용하는 공정에 상당한 심혈을 기울이고 있다. 이 공정에서 분리막은 고온에서 사용될 수 있는 성능이 필요하다. In order to solve such a problem, considerable attention has been paid to the process of using a separator as a process for separating carbon dioxide gas from the combustion gas under development as a global warming measure. In this process, the membrane needs the ability to be used at high temperatures.
또한, 지구의 환경보존과 에너지원의 효율적인 이용을 위하여 고효율의 환경친화적 청정에너지 기술개발이 활발하게 진행되고 있으며, 이러한 대체에너지로서 그 중요성이 크게 부각되는 기술수단이 수소를 이용한 것으로, 수소는 화학제품의 원료 및 화학공장의 공정가스로 널리 사용되고 있으며, 에너지원으로의 수소는 연료로 사용할 경우에 지구 환경오염 물질이 생성되지 않으며, 직접 연소에 의한 연료로서 또는 연료전지 등의 연료로서 사용이 간편하다. 또한, 수소는 가스나 액체로서 쉽게 수송할 수 있으며, 고압가스, 액체수소, Metal hydride 등의 다양한 형태로 저장이 용이하다. 그리고 수소는 무한정인 물을 원료로 하여 제조할 수 있으며, 사용 후에는 다시 물로 재순환이 이루어진다.In addition, the development of high-efficiency, eco-friendly clean energy technology is actively progressing for the preservation of the environment of the earth and the efficient use of energy sources. It is widely used as raw material and process gas of chemical plant, and hydrogen as energy source does not generate global environmental pollutants when used as fuel, and it is easy to use as fuel by direct combustion or as fuel cell. . In addition, hydrogen can be easily transported as a gas or a liquid, and is easily stored in various forms such as high pressure gas, liquid hydrogen, and metal hydride. Hydrogen can be produced using indefinite water as a raw material, and recycled back to water after use.
수소는 산업용의 기초 소재로부터 일반 연료, 수소자동차, 수소비행기, 연료전지 등 현재의 에너지 시스템에서 사용되는 거의 모든 분야에 이용될 수 있어, 미래의 에너지시스템에 가장 적합한 것으로 판단되고 있다.Hydrogen can be used in almost all fields used in current energy systems such as general fuels, hydrogen vehicles, hydrogen airplanes, fuel cells, etc. from industrial base materials, and is considered to be the most suitable for future energy systems.
이러한 수소제조 공정에 물의 열화학적 분해에 의한 수소제조가 있다. 이 방법에는 태양열의 고온 열을 이용하는 방법과 원자력(고온가스로)의 고온 열을 이용하여 수소를 제조하는 방법이 있다. 특히 원자력의 고온 열을 이용하여 수소를 제조하는 방법중 하나의 프로세스로 IS(iodine-sulfur, 요오드-황)공정이 있다. In this hydrogen production process, there is hydrogen production by thermochemical decomposition of water. This method includes a method of using high temperature heat of solar heat and a method of producing hydrogen using high temperature heat of nuclear power (hot gas furnace). In particular, one of the processes for producing hydrogen using the high temperature heat of nuclear power is the IS (iodine-sulfur, iodine-sulfur) process.
IS공정은 다음의 식으로 대표되는 분젠반응 공정, HI분해 반응공정, 황산 분해 반응공정의 3가지 반응 공정으로 이루어지며, 원료인 물은 계속 공급되면서 분해되어 수소와 산소를 생산하게 되고, 나머지 화학물질은 공정 내부를 순환하는 순환-사이클 특징을 갖는다 [참고문헌 1].The IS process consists of three reaction processes: the Bunsen reaction process, the HI decomposition reaction, and the sulfuric acid decomposition reaction represented by the following equation, and water, which is a raw material, is continuously supplied and decomposed to produce hydrogen and oxygen. The material has a cycle-cycle characteristic of circulating inside the process [Ref. 1].
2H2O + I2 + SO2 = 2HI + H2SO4 (분젠 반응공정)2H 2 O + I 2 + SO 2 = 2HI + H 2 SO 4 (bunsen reaction process)
2HI = H2 + I2 (HI분해 반응 공정)2HI = H 2 + I 2 (HI decomposition reaction process)
H2SO4 = H2O + SO2 + 1/2O2 (황산 분해 반응공정)H 2 SO 4 = H 2 O + SO 2 + 1 / 2O 2 (sulfuric acid decomposition reaction process)
특히, HI분해 반응공정에서는 HI가 HIx (HI, I2, H2O의 혼합 용액)용액으로부터 분리되며, 분리된 HI를 분해시켜 수소를 생산한다. 현재, HI를 분해하여 수소를 생산하는 데는 촉매를 가장 많이 사용하고 있지만 [참고문헌 2. 3], 촉매에 의 한 HI의 평형분해율이 20% 정도로 낮기 때문에 이를 개선하기 위해 분리막 반응기의 사용이 고려되고 있다 [참고문헌 4].In particular, in the HI decomposition reaction, HI is separated from a HIx (HI, I 2 , H 2 O mixed solution) solution, and the separated HI is decomposed to produce hydrogen. Currently, catalysts are the most used to decompose HI to produce hydrogen [Ref. 3.2], but the use of a membrane reactor is considered to improve the equilibrium decomposition rate of HI by catalysts as low as 20%. [Ref. 4].
HI를 분해하여 수소를 생산하는 분리막 반응기에 사용되는 가스 분리막으로는 고분자 계열보다는 세라믹 계열이 유망한 것으로 여겨지고 있으며, 이러한 가스 분리막의 제조에 대한 연구는 논문으로 발표되어 있다 [참고문헌 4, 5, 6].As a gas separation membrane used in a membrane reactor that decomposes HI and produces hydrogen, a ceramic series is considered to be more promising than a polymer series, and a study on manufacturing such a gas separation membrane has been published in the paper [Refs. 4, 5, 6] ].
하지만, HI를 분해하여 수소를 생산하기 위해서는 고온, 고부식성 환경에 적용시킬 수 있는 수소 분리막의 개발이 요구되고 있다. However, in order to decompose HI to produce hydrogen, it is required to develop a hydrogen separation membrane that can be applied to a high temperature and high corrosive environment.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 물의 열화학적 분해에 의한 수소제조 공정에서 고온, 고부식성 환경에 적용시킬 수 있는 수소 분리를 위한 CVD에 의한 실리카-지르코니아(SiO2-ZrO2)계 분리막의 제조 방법을 제공함에 있다.An object of the present invention for solving the above problems is silica-zirconia (SiO 2 -ZrO 2 ) by CVD for hydrogen separation that can be applied to high temperature, high corrosive environment in the hydrogen production process by thermochemical decomposition of water. The present invention provides a method for manufacturing a system separator.
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 기체 상태에 있는 혼합물질을 분리하고, 고온 또는 고 부식 조건 의 상태에서 사용될 수 있는 세라믹 계열 가스 분리막의 제조방법에 관한 것으로, 지지체인 알루미나(α- 혹은 γ-Al2O3, 세공 경 <100nm, 세공 율<40%)의 세공에 진공으로 화학증착법(CVD)에 의해 테트라에톡시실란(TEOS)과 지르코니아 부톡사이드(Zr-butoxide)를 증발 또는 열분해 시켜서, 막을 구성하는 표면 및 세공에 실리카와 지르코니아가 서로 화학반응으로 결합함으로써 실리카-지르코니아(SiO2-ZrO2)계의 세라믹으로 표면이 피복되면서 세공내부도 함께 실리카-지르코니아로 변화되어 고온 조건에서 가스 분리에 사용할 수 있는 분리막의 제조방법을 제공함에 있다. The present invention, which achieves the object as described above and performs the task for eliminating the conventional defects, is to separate the mixture in the gas state, and a method of manufacturing a ceramic-based gas separation membrane that can be used in a high temperature or high corrosion conditions The present invention relates to tetraethoxysilane (TEOS) and zirconia by vacuum evaporation (CVD) in pores of alumina (α- or γ-Al 2 O 3 , pore diameter <100 nm, porosity <40%) serving as a support. By evaporating or pyrolyzing butoxide (Zr-butoxide), silica and zirconia are bonded to the surface and pores constituting the membrane by a chemical reaction with each other, and the surface is coated with a silica-zirconia (SiO 2 -ZrO 2 ) ceramic. In addition, the present invention provides a method of manufacturing a separator that can be used for gas separation under high temperature conditions by changing to silica-zirconia.
보다 자세히 설명하면, 지지체인 세라믹(α- 또는 γ-Al2O3, 세공 경 <100nm, 세공 율<40%)에 실리카-지르코니아(SiO2-ZrO2)계의 세라믹으로 표면이 피복되면서 세공내부도 함께 실리카-지르코니아로 변화되어 고온 조건에서 가스 분리에 사용할 수 있는 분리막 제조시, 실리카-지르코니아의 제공물질인 테트라에톡시실란(TEOS), 지르코니아 부톡사이드(Zr-butoxide)등을 캐리어 가스(He, Ar, N2)로 공급하게 되는데, 이때 반응기 내부에 공급되는 가스의 선속도와 실리카-지르코니아의 비율에 의해 가스 분리막의 성능이 좌우된다. In detail, the surface of the ceramic (α- or γ-Al 2 O 3 , pore diameter <100 nm, porosity <40%) is coated with a silica-zirconia (SiO 2 -ZrO 2 ) -based ceramic, The inside also changes to silica-zirconia, which can be used for gas separation under high temperature conditions. In addition, tetraethoxysilane (TEOS) and zirconia butoxide (Zr-butoxide), which are silica-zirconia-providing materials, are used as carrier gas ( He, Ar, N 2 ), wherein the performance of the gas separation membrane depends on the linear velocity of the gas supplied into the reactor and the ratio of silica-zirconia.
상기에서 테트라에톡시실란(TEOS)과 지르코니아 부톡사이드(Zr-butoxide)의 혼합 비율은 30wt%~90wt% 테트라에톡시실란(TEOS)과 10wt%~70wt% 지르코니아 부톡사이드(Zr-butoxide)로 이루어진다.The mixing ratio of tetraethoxysilane (TEOS) and zirconia butoxide (Zr-butoxide) is composed of 30wt% ~ 90wt% tetraethoxysilane (TEOS) and 10wt% ~ 70wt% zirconia butoxide (Zr-butoxide) .
즉, 2가지 물질로 이루어진 전체 혼합물에서 차지하는 지르코니아 부톡사이드(Zr-butoxide)를 10wt%~70wt%로 변화시킴으로서 제조가 가능하다. That is, it is possible to manufacture by changing the zirconia butoxide (Zr-butoxide) in the total mixture consisting of two materials to 10wt% ~ 70wt%.
이와 같이 한정한 이유는 만약 지르코니아 부톡사이드(Zr-butoxide)의 혼합비율이 70wt%를 넘게 되면 Zr전구체는 시간 경과에 따른 점성증가로 제막의 효율이 저하되고, 반응관 내에 Zr전구체가 도입되기 어려운 상태가 된다. The reason for this limitation is that if the mixing ratio of zirconia butoxide is greater than 70wt%, the Zr precursor becomes viscous with time and the efficiency of the film formation decreases, and it is difficult to introduce Zr precursor into the reaction tube. It becomes a state.
또한 지르코니아 부톡사이드(Zr-butoxide)의 혼합비율이 10wt% 보다 적게되면 Zr전구체가 분해되어 분리막에 코팅되기 어렵게 되고 대부분을 실리카만이 차지하게 된다.In addition, when the mixing ratio of zirconia butoxide (Zr-butoxide) is less than 10wt%, the Zr precursor is decomposed and difficult to be coated on the separator, and most of the silica occupies only silica.
바람직한 테트라에톡시실란(TEOS)과 지르코니아 부톡사이드(Zr-butoxide)의 혼합 비율은 50wt% 테트라에톡시실란(TEOS)과 50wt%지르코니아 부톡사이드(Zr-butoxide)로 혼합시 즉, 1:1로 혼합시 가장 좋은 분리막 제조 결과를 보였다.The preferred mixing ratio of tetraethoxysilane (TEOS) and zirconia butoxide (Zr-butoxide) is 1: 1 when mixed with 50 wt% tetraethoxysilane (TEOS) and 50 wt% zirconia butoxide (Zr-butoxide). At the time of mixing, the best membrane manufacturing result was obtained.
상기와 같이 테트라에톡시실란(TEOS)과 지르코니아 부톡사이드(Zr-butoxide)의 혼합 비율이 30wt%~90wt% 테트라에톡시실란(TEOS)과 10wt%~70wt% 지르코니아 부톡사이드(Zr-butoxide)로 이루어지도록 하는 방법은 미리 테트라에톡시실란(TEOS)과 지르코니아 부톡사이드(Zr-butoxide)를 상기 비율에 맞추어 섞은 용액을 용기에 담아 캐리어 가스에 의해 공급하는 방법과, 테트라에톡시실란(TEOS)과 지르코니아 부톡사이드(Zr-butoxide)를 각자 다른 용기에 담은 다음 캐리어 가스의 유속에 의해 그 비율을 조절하여 공급하는 방법이 있는데 어느 것이라도 상관 없다.As described above, the mixing ratio of tetraethoxysilane (TEOS) and zirconia butoxide (Zr-butoxide) is 30wt% to 90wt% tetraethoxysilane (TEOS) and 10wt% to 70wt% zirconia butoxide (Zr-butoxide). The method to be achieved is a method in which a solution containing a mixture of tetraethoxysilane (TEOS) and zirconia butoxide (Zr-butoxide) in advance in a container and supplied by a carrier gas, and tetraethoxysilane (TEOS) and Zirconia butoxide (Zr-butoxide) is put in a different container, and then controlled by the ratio of the carrier gas flow rate to supply any of the methods.
상기 반응시 본 발명 캐리어가스의 선속도는 0.06-0.11 m/s일 때 가스분리막의 성능이 제일 좋았다. 가스의 선속도가 0.06보다 적으면 실리카-지르코니아의 코팅양이 적어져서 처리시간이 길게 되고 0.11보다 크면 반응관 내의 캐리어 유속이 빨라 전구체인 테트라에톡시실란(TEOS)과 지르코니아 부톡사이드(Zr-butoxide)가 분해가 되기 이전에 반응기 밖으로 배출되는 문제점이 있어 상기 수치 구간에서 가장 좋은 결과를 나타내었다.In the reaction, when the linear velocity of the carrier gas of the present invention is 0.06-0.11 m / s, the performance of the gas separation membrane was the best. If the linear velocity of gas is less than 0.06, the coating time of silica-zirconia is small, and the processing time is long. If the gas is higher than 0.11, the carrier flow velocity in the reaction tube is fast, so that the precursors of tetraethoxysilane (TEOS) and zirconia butoxide (Zr-butoxide) ) Is discharged out of the reactor before decomposing, showing the best results in the numerical range.
캐리어 가스로는 불활성 기체인 He, Ar, N2 중에서 선택된 어느 하나를 사용한다. Carrier gases include He, Ar, and N 2 , which are inert gases. Use any one selected from.
상기 테트라에톡시실란(TEOS)과 지르코니아 부톡사이드(Zr-butoxide)의 온도는 20~40℃로 유지한다. 이와 같이 온도를 유지하는 이유는 캐리어 가스와 함께 이송되는 양을 조절하기 위한 것이다.The temperature of the tetraethoxysilane (TEOS) and zirconia butoxide (Zr-butoxide) is maintained at 20 ~ 40 ℃. The reason for maintaining the temperature in this way is to control the amount transferred with the carrier gas.
즉, TEOS와 Zr-butoxide는 온도에 따라 증발되는 양이 다르다. 온도를 가장 바람직한 온도 30℃로 하면 일정량의 TEOS와 Zr-butoxide의 혼합가스가 증발되게 되고, 이것을 캐리어 가스로 수송하게 되면 증발된 혼합가스는 캐리어가스의 유속에 의해 이송되게 된다. 만약 온도를 더 올리게 되면 TEOS와 Zr-butoxide의 증발량 이 많아지고, 온도가 낮아지면 증발량이 감소한다. 따라서 증발량이 많을 경우는 캐리어가스의 유속을 줄이고, 증발량이 적으면 캐리어가스의 유속을 늘린다. 하지만 그 온도가 20℃보다 적거나 40℃보다 크게 되면 본 발명의 증발량이 너무 적거나 많아지게 되어 유속을 조절하기 어려워 이와 같은 수치 구간으로 한정한다. That is, TEOS and Zr-butoxide have different amounts of evaporation depending on the temperature. When the temperature is the most preferable temperature of 30 ℃, a certain amount of mixed gas of TEOS and Zr-butoxide is evaporated, and when this is transported to the carrier gas, the evaporated mixed gas is transferred by the flow rate of the carrier gas. If the temperature is raised further, the evaporation of TEOS and Zr-butoxide increases, and the decrease of the temperature decreases. Therefore, when the amount of evaporation is large, the flow rate of the carrier gas is reduced, and when the amount of evaporation is small, the flow rate of the carrier gas is increased. However, when the temperature is less than 20 ° C or greater than 40 ° C the evaporation amount of the present invention is too small or too large to control the flow rate is limited to such a numerical range.
상기 본 발명의 반응기 온도는 600℃~750℃로 유지한다. 이와 같이 한정한 이유는 600℃미만이 되면 코팅되는 Zr-Si양이 적어 매우 많은 시간을 필요로 하게 되고, 750℃이상이 되면 빠른 시간에 코팅은 되지만, 코팅된 Zr-Si의 세라믹으로의 결합력이 약해져 코팅된 것이 박리되어 버리기 때문이다.The reactor temperature of the present invention is Maintain at 600 ° C to 750 ° C. The reason for this limitation is that the amount of Zr-Si to be coated is less when the temperature is less than 600 ° C, which requires a very long time. This is because the weakened coating is peeled off.
이하 본 발명의 실시 예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the configuration and the operation of the embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에서 개발한 실리카-지르코니아 가스 분리막의 기체투과계수를 보인 그래프인데, 도시된 바와 같이 제작된 실리카-지르코니아 막의 기체투과계수(N2, H2)의 온도에 따른 투과속도를 측정하였다. 수소의 투과속도는 10-7 (mol/Pa·m2·s)이상의 높은 값을 보였주었고, 질소에 대한 수소의 선택성 또한 10 이상을 보였다. 따라서 제작된 실리카-지르코니아 막은 수소 가스를 분리하는데 매우 유용하다고 판단된다.Figure 1 is a graph showing the gas permeability coefficient of the silica-zirconia gas separation membrane developed in the present invention, measuring the permeation rate according to the gas permeation coefficient (N 2 , H 2 ) of the silica-zirconia membrane produced as shown It was. The permeation rate of hydrogen was higher than 10 −7 (mol / Pa · m 2 · s), and the selectivity of hydrogen to nitrogen was also higher than 10. Therefore, the prepared silica-zirconia membrane is considered to be very useful for separating hydrogen gas.
도 2는 본 발명에서 개발한 실리카-지르코니아 가스 분리막의 단면사진이고, 도시된 바와 같이 도 2의 하단부 (1.10μm 표시된 부분 이하)는 본 실험에서 사용한 세라믹 기막이고, 1.10μm 표시된 부분은 코팅된 Si-Zr이다. 그리고 본 실험에서 사용하는 진공 흡입에 의해 세라믹 기막 부분에도 Zr-Si가 코팅되어 있는 것을 알 수 있다.Figure 2 is a cross-sectional picture of the silica-zirconia gas separation membrane developed in the present invention, as shown in the lower part of the Figure 2 (1.10μm or less indicated portion) is the ceramic substrate used in this experiment, 1.10μm indicated portion is coated Si -Zr. In addition, it can be seen that Zr-Si is also coated on the ceramic substrate by vacuum suction used in this experiment.
도 3은 본 발명에서 개발한 실리카-지르코니아 가스 분리막의 표면사진을 도시하고 있는데, 도시된 바와 같이 코팅된 Si-Zr로서 이러한 무수한 구형의 Si-Zr가 결합해 있는 것을 보여주고 있다.Figure 3 shows a surface photograph of the silica-zirconia gas separation membrane developed in the present invention, it shows that these countless spherical Si-Zr is bonded as the coating Si-Zr as shown.
이하 본 발명의 바람직한 실시예이다.Hereinafter is a preferred embodiment of the present invention.
[실시 예 1]Example 1
진공으로 화학증착법(CVD)에 의해 출발물질인 지지체인 세라믹(α- 또는 γ-Al2O3, 세공 경 <100nm, 세공 율<40%)에 테트라에톡시실란(TEOS)과 지르코니아 부톡사이드(Zr-butoxide)를 열분해 시켜서 막을 구성하는 표면 및 세공에 실리카-지르코니아가 서로 화학반응으로 결합함으로써 실리카-지르코니아(SiO2-ZrO2)계의 세라믹으로 표면이 피복되면서 세공내부도 함께 실리카-지르코니아로 변화되어 고온 조건에서 수소분리에 사용할 수 있는 실리카-지르코니아계 수소분리막을 제작하였다.Tetraethoxysilane (TEOS) and zirconia butoxide (ceramic) were used in ceramics (α- or γ-Al 2 O 3 , pore diameter <100 nm, porosity <40%) as starting materials by chemical vapor deposition (CVD) in vacuum. By thermal decomposition of Zr-butoxide, silica-zirconia is bonded to the surface and pores that make up the film by chemical reaction.Since the surface is coated with silica-zirconia (SiO 2 -ZrO 2 ) ceramic, Silica-zirconia-based hydrogen separation membrane was prepared that can be used for hydrogen separation under high temperature conditions.
구체적으로, 실리카(SiO2)의 프로커서로는 테트라에톡시실란(이하 'TEOS'라 칭함)을 이용하고, 지르코니아의 프로커서로는 지르코니아 부톡사이드(이하 'Zr-butoxide'라 칭함)를 이용하였다. Specifically, tetraethoxysilane (hereinafter referred to as 'TEOS') is used as a precursor of silica (SiO 2 ), and zirconia butoxide (hereinafter referred to as 'Zr-butoxide') is used as a precursor of zirconia. It was.
TEOS와 Zr-butoxide의 온도는 30℃를 유지하였다.TEOS and Zr-butoxide were maintained at 30 ° C.
그리고 캐리어 가스로는 질소를 이용하면서 TEOS와 Zr-butoxide이 1:1비율로 혼합되어 반응기로 유입되도록 하였고, 반응기 온도 700℃에서 TEOS와 Zr-butoxide의 열분해에 의해 막을 구성하는 표면 및 세공에 규소가 서로 화학반응으로 결합함으로써 실리카-지르코니아(SiO2-ZrO2)계의 세라믹으로 표면이 피복되면서 세공내부도 함께 실리카-지르코니아로 변화되어 고온 조건에서 수소분리에 사용할 수 있는 실리카-지르코니아계 수소분리막을 제작하였다. In addition, TEOS and Zr-butoxide were mixed in a 1: 1 ratio while using nitrogen as a carrier gas, and introduced into the reactor, and silicon was formed on the surface and pores constituting the film by pyrolysis of TEOS and Zr-butoxide at a reactor temperature of 700 ° C. By chemically bonding to each other, the surface is coated with silica-zirconia (SiO 2 -ZrO 2 ) -based ceramics, and the inside of the pore is also changed to silica-zirconia to form a silica-zirconia-based hydrogen separation membrane which can be used for hydrogen separation at high temperature conditions. Produced.
이때 중요한 인자는 반응기 내에서의 캐리어가스의 선속도로 여기서는 0.11 m/s가 되도록 하였다. An important factor here is the linear velocity of the carrier gas in the reactor, which is 0.11 m / s here.
제작된 실리카-지르코니아 막의 기체투과계수(N2, H2)의 온도 의존성을 검토하였다. 제작한 막의 기체투과계수의 온도 의존성은 거의 같은 경향을 나타냈고, 각 측정온도에서의 질소에 대한 수소의 선택계수도 거의 같은 값을 가졌다 (도 1 참조). The temperature dependence of the gas permeability coefficients (N 2 , H 2 ) of the prepared silica-zirconia membrane was examined. The temperature dependence of the gas permeation coefficient of the produced membrane showed almost the same tendency, and the selectivity of hydrogen to nitrogen at each measurement temperature had almost the same value (see FIG. 1).
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그 와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다. The present invention is not limited to the above-described specific preferred embodiments, and various modifications can be made by any person having ordinary skill in the art without departing from the gist of the present invention claimed in the claims. Of course, such changes will fall within the scope of the claims.
상기와 같이 제작된 실리카-지르코니아 막은 일반적인 고분자막과 비교하여 고온, 부식성이 강한 열악한 환경조건에서도 내열성과 내식성 및 내산화성이 우수한 가스 분리막이 될 수 있으며, CVD처리 방법에 따라서 세공경의 제어가 가능하고, 실리카와 지르코니아가 상호보완 작용을 함으로서 내열성과 내식성 및 내산화성이 증가하고, 막의 분리 투과 성능을 향상시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있는 유용한 발명으로 산업상 그 이용이 크게 기대되는 발명이다. The silica-zirconia membrane prepared as described above can be a gas separation membrane having excellent heat resistance, corrosion resistance, and oxidation resistance even in harsh environmental conditions with high temperature and corrosion resistance, compared to general polymer membranes, and pore size control is possible according to the CVD treatment method. In addition, silica and zirconia are mutually complementary to increase heat resistance, corrosion resistance, and oxidation resistance, and are useful inventions that can obtain the effect of improving the separation permeation performance of the membrane.
[참고문헌][references]
1) 황갑진, 최호상, 강안수, 김종원, 小貫薰, "열화학적 수소제조 IS(요오드-황)프로세스", 한국공업화학회 논문집, 13(6), p.600 (2002).1) Kap-Jin Hwang, Ho-Sang Choi, An-Soo Kang, Jong-Won Kim, Ko-Sung Kim, "Thermochemical Hydrogen Production IS (Iodine-Sulphur) Process," Journal of the Korean Institute of Industrial Chemists, 13 (6), p.600 (2002).
2) N. Ito, Y.Shindo, T.Hakuta, H.Yoshitome, "Enhanced catalytic decomposition of HI by using a microporous membrane" , Int. J. Hydrogen Energy, 9(10), p.825 (1984).2) N. Ito, Y. Hindu, T. Hakuta, H. Yoshitome, "Enhanced catalytic decomposition of HI by using a microporous membrane", Int. J. Hydrogen Energy, 9 (10), p.825 (1984).
3) Y.Oosawa, T.Kumagai, S.Mizuta, W.Kondo, Y.Takemori, K.Fujii, "Kinetics of the catalytic decomposition of hydrogen iodide in the Mg-I thermochemical cycle", Bull. Chem. Soc. Jpn., 54, p.742 (1981).3) Y.Oosawa, T.Kumagai, S.Mizuta, W.Kondo, Y.Takemori, K.Fujii, "Kinetics of the catalytic decomposition of hydrogen iodide in the Mg-I thermochemical cycle", Bull. Chem. Soc. Jpn., 54, p. 742 (1981).
4) Gab-Jin Hwang, K.Onuki, S.Shimizu, "Separation of hydrogen from a H2-H2O-HI gaseous mixture using a silica membrane", AIChE J. 46, p.92 (2000).4) Gab-Jin Hwang, K. Onuki, S. Shimizu, "Separation of hydrogen from a H 2 -H 2 O-HI gaseous mixture using a silica membrane", AIChE J. 46, p.92 (2000).
5) Gab-Jin Hwang, K.Onuki, "Simulation study on the catalytic decomposition of hydrogen iodide in a membrane reactor with a silica membrane for the thermochemical water-splitting IS process", J. Membrane Sci., 194, p.207 (2001).5) Gab-Jin Hwang, K. Onuki, "Simulation study on the catalytic decomposition of hydrogen iodide in a membrane reactor with a silica membrane for the thermochemical water-splitting IS process", J. Membrane Sci., 194, p.207 (2001).
6) Gab-Jin Hwang, Jon-Won Kim, Ho-Sang Choi, K.Onuki, "Stability of a silica membrane prepared by CVD using γ- and α-alumina tube as the support tube in the H2O-HI gaseous mixture", J. Membrane Sci., 215, p.293 (2003).6) Gab-Jin Hwang, Jon-Won Kim, Ho-Sang Choi, K. Onuki, "Stability of a silica membrane prepared by CVD using γ- and α-alumina tube as the support tube in the H 2 O-HI gaseous mixture ", J. Membrane Sci., 215, p. 293 (2003).
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Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20030222015A1 (en) | 2002-06-04 | 2003-12-04 | Conoco Inc. | Hydrogen-selective silica-based membrane |
JP2005254161A (en) | 2004-03-12 | 2005-09-22 | Shinichi Nakao | Hydrogen separation membrane and its preparation method |
KR100551467B1 (en) | 2004-01-17 | 2006-02-14 | 한국에너지기술연구원 | Preparation of Silica-Carbon Membrane having corrosion resistance and heat resistance |
US7179325B2 (en) | 2004-02-10 | 2007-02-20 | Virginia Tech Intellectual Properties, Inc. | Hydrogen-selective silica-based membrane |
-
2006
- 2006-09-27 KR KR1020060093948A patent/KR100812959B1/en active IP Right Grant
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20030222015A1 (en) | 2002-06-04 | 2003-12-04 | Conoco Inc. | Hydrogen-selective silica-based membrane |
KR100551467B1 (en) | 2004-01-17 | 2006-02-14 | 한국에너지기술연구원 | Preparation of Silica-Carbon Membrane having corrosion resistance and heat resistance |
US7179325B2 (en) | 2004-02-10 | 2007-02-20 | Virginia Tech Intellectual Properties, Inc. | Hydrogen-selective silica-based membrane |
JP2005254161A (en) | 2004-03-12 | 2005-09-22 | Shinichi Nakao | Hydrogen separation membrane and its preparation method |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20160055401A (en) * | 2014-11-10 | 2016-05-18 | 한국화학연구원 | Preparation of composite membrane for dicyclopentadiene purification |
KR101672238B1 (en) | 2014-11-10 | 2016-11-04 | 한국화학연구원 | Preparation of composite membrane for dicyclopentadiene purification |
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