KR101763609B1 - Palladium deposited separation membrane having PBI based membrane support and method for preparing the same - Google Patents
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Abstract
폴리벤지이미다졸계 고분자 분리막을 지지체로 하고, 해당 지지체에 팔라듐이 무전해 도금된 팔라듐 도금 분리막 및 그 제조 방법이 제공된다. 이에 따라, 수소 선택도, 수소/이산화탄소 또는 수소/질소 선택도가 우수한 분리막을 제공할 수 있다. 또한, 팔라듐 도금 막에 있어서 디펙트를 저감할 수 있고 팔라듐 입자가 응집체 없이 균일하게 분포하도록 할 수 있으며, 이에 따라 수소 투과 성능이 우수하도록 할 수 있다. There is provided a palladium plating separator in which palladium is electroless plated with a polybenzimidazole based polymer membrane as a support and a method for producing the same. Accordingly, it is possible to provide a separation membrane excellent in hydrogen selectivity, hydrogen / carbon dioxide, or hydrogen / nitrogen selectivity. In addition, the defects can be reduced in the palladium-plated film, and the palladium particles can be uniformly distributed without agglomerate, and thus the hydrogen permeation performance can be improved.
Description
본 명세서는 폴리벤지이미다졸계 고분자 막을 지지체로 하는 팔라듐 도금 분리막 및 그 제조 방법에 관한 것이다. TECHNICAL FIELD The present invention relates to a palladium-plated separator having a polybenzimidazole-based polymer membrane as a support and a method for producing the same.
화석 연료로 인한 환경적 문제점들을 완화, 해결하기 위한 대체 에너지 수단으로서 수소가 최근 주목되고 있다. 수소 분리를 위하여 채용되는 기술들에는 용매 흡착(solvent adsorption), 압력 순환식 흡착(pressure swing adsorption), 극저온 복구(cryogenic recovery), 막 분리(membrane separation) 등이 있다.Hydrogen has recently gained attention as an alternative energy source to mitigate and solve environmental problems caused by fossil fuels. Technologies employed for hydrogen separation include solvent adsorption, pressure swing adsorption, cryogenic recovery, membrane separation, and the like.
다른 방식들과 대비할 때, 막 분리 기술은 운전 비용을 절감하고, 유닛 운전(unit operation)을 최소화하며, 에너지 소비를 감소하므로 경제적 측면에서 잠재성이 크다. 또한, 높은 순도의 수소에 대한 요구가 증가함에 따라, 효과적인 수소 분리막 개발은 학계 및 산업계에서 상당한 관심을 끌고 있다.In contrast to other approaches, membrane separation technology has great economic potential because it reduces operating costs, minimizes unit operations, and reduces energy consumption. In addition, as demand for high purity hydrogen increases, effective hydrogen separator development has attracted considerable interest in academia and industry.
팔라듐 막(palladium membrane)은 넓은 온도 범위에 걸쳐서 벌크 상태에서 더욱 높은 수소 용해도를 가지기 때문에 금속을 통한 수소 이동 능력이 탁월하므로 수소 분리막으로 사용될 수 있는 가능성이 있다.Since the palladium membrane has a higher hydrogen solubility in a bulk state over a wide temperature range, it is likely to be used as a hydrogen separation membrane because of its excellent ability to transport hydrogen through the metal.
현재까지 내구성이나 수소 취성(hydrogen embrittlement), 탄화수소 또는 황화물에 의한 오염, 팔라듐의 고 비용(high cost of palladium) 등의 문제점들을 해결하고자 하는 여러 연구가 행해지고 있고, 이에 따라 팔라듐 막의 산업적 응용은 점차 커지고 있다. To date, various studies have been made to solve problems such as durability, hydrogen embrittlement, contamination by hydrocarbons or sulfides, and high cost of palladium, and accordingly, the industrial application of the palladium film is gradually increasing have.
그러나, 장기간 열적 및 화학적 안정성을 가지는 얇고 결점 없는 팔라듐 층을 가지면서 더 높은 투과도와 수소 선택도(hydrogen selectivity)를 가지는 팔라듐 기반 막을 제조하는 것은 여전히 도전 과제이다. However, it is still a challenge to produce palladium-based membranes with higher permeability and hydrogen selectivity with a thin, defect-free palladium layer with long-term thermal and chemical stability.
한편, 팔라듐 막을 제조하는 다양한 방법이 알려져 있다.On the other hand, various methods for producing a palladium film are known.
가장 흔한 방법은 무전해 도금[electroless plating (ELP)], 화학 기상 증착[chemical vapor deposition (CVD)], 물리 기상 증착[physical vapor deposition (PVD)], 전해 도금[electrodeposition (EPD)]이다. The most common methods are electroless plating (ELP), chemical vapor deposition (CVD), physical vapor deposition (PVD), and electrodeposition (EPD).
이들 중 무전해 도금이 팔라듐 막 제조를 위해 가장 많이 쓰인다. 무전해 도금 방법은 어떠한 형태를 가지는 물질의 경우라도 쉽게 코팅되고, 비용이 저렴하며, 매우 단순한 장치를 사용한다는 장점을 갖는다. 그러나, 무전해 도금은 소망하는 금속의 최종 도금이 수행되기 전 활성화(activation)나 감작화(sensitization)와 같은 일련의 전처리 단계가 필요하므로 복잡하고 시간 소요가 크다는 단점이 있다. Among these, electroless plating is most often used for palladium film production. The electroless plating method has the advantage that it is easily coated even in the case of materials having any form, is inexpensive, and uses a very simple device. However, electroless plating is disadvantageous in that it requires a series of pretreatment steps such as activation or sensitization before the final plating of the desired metal is performed, which is complex and time consuming.
금속 층과 기판 사이의 접착성을 증대시키고 팔라듐 복합 막의 열적 내구성을 향상하기 위하여, 바이암 그룹(Varma's group)에서는 삼투(osmosis)를 통한 무전해 도금을 이용하여 팔라듐 복합 막을 제조하였다(비특허문헌 1, 2). 또한, 도금 과정 중 다공성 지지체의 뒷면으로부터 제거(evacuation)하는 방식으로 수행되는 석션 보조 방식의 무전해 도금(suction-assisted electoless depositin)을 이용하여 팔라듐 복합 막을 제조하기도 하였다(비특허문헌 3, 4). In order to increase the adhesion between the metal layer and the substrate and to improve the thermal durability of the palladium composite membrane, a palladium composite membrane was prepared by electroless plating through osmosis in Varma's
이러한 석션이나 삼투압 구배에 의하여, 팔라듐 층과 지지체 사이에 양호한 접착이 얻어지고 또한 막의 내구성이 향상될 수 있다. By such a suction or osmotic gradient, good adhesion can be obtained between the palladium layer and the support and the durability of the film can be improved.
본 발명의 예시적인 구현 예들에서는, 일측면에서, 수소 투과도 또는 선택도를 향상할 수 있는 신규한 팔라듐 도금 막을 제공하고자 한다. 또한, 다른 일측면에서 수소/이산화탄소 또는 수소/질소 선택도가 우수한 신규한 팔라듐 도금 막을 제공하고자 한다.In an exemplary embodiment of the present invention, in one aspect, there is provided a novel palladium plating membrane capable of improving hydrogen permeability or selectivity. In addition, another aspect of the present invention is to provide a novel palladium plating film excellent in hydrogen / carbon dioxide or hydrogen / nitrogen selectivity.
또한 본 발명의 예시적인 구현 예들에서는, 다른 일측면에서, 상기 팔라듐 도금 막에 있어서 디펙트를 저감할 수 있고 팔라듐 입자가 응집체 없이 균일하게 분포하도록 할 수 있으며, 이에 따라 수소 투과 성능 등이 우수한 신규한 팔라듐 도금 막의 제조 방법을 제공하고자 한다.Further, according to the exemplary embodiments of the present invention, in another aspect, it is possible to reduce defects in the palladium plating film and to make the palladium particles uniformly distributed without agglomerate, And a method for producing a palladium-plated film.
본 발명의 예시적인 일 구현 예들에서는, 폴리벤지이미다졸계 고분자 분리막을 지지체로 하고, 해당 지지체에 팔라듐이 무전해 도금된 팔라듐 도금 분리막을 제공한다.Exemplary embodiments of the present invention provide a palladium-plated separator membrane in which a polybenzimidazole-based polymer membrane is used as a support and palladium is electroless plated on the support.
본 발명의 예시적인 일 구현 예들에서는, 폴리벤지이미다졸계 고분자 분리막을 지지체로 하고, 해당 지지체에 팔라듐을 무전해 도금하는 것을 특징으로 하는 팔라듐 도금 분리막의 제조 방법을 제공한다.In one exemplary embodiment of the present invention, there is provided a process for producing a palladium-plated separator, which comprises using a polybenzimidazole-based polymer separation membrane as a support and electroless plating palladium on the support.
본 발명의 예시적인 구현 예들에 따르면, 일측면에서, 수소 투과도 또는 선택도가 우수한 신규한 팔라듐 도금 막을 제공할 수 있다. 또한, 다른 일측면에서 수소/이산화탄소 또는 수소/질소 선택도가 우수한 신규한 팔라듐 도금 막을 제공할 수 있다. 또한, 다른 일측면에서, 상기 팔라듐 도금 막에서 디펙트를 저감할 수 있고 팔라듐 입자가 응집체 없이 균일하게 분포하도록 할 수 있으며, 이에 따라 수소 투과 성능 등이 우수하도록 할 수 있다. According to exemplary embodiments of the present invention, in one aspect, a novel palladium plating film having excellent hydrogen permeability or selectivity can be provided. Further, in another aspect, a novel palladium plating film excellent in hydrogen / carbon dioxide or hydrogen / nitrogen selectivity can be provided. In another aspect, it is possible to reduce the defects in the palladium-plated film and uniformly distribute the palladium particles without agglomerate, thereby making it possible to improve the hydrogen permeability and the like.
도 1은 본 발명의 일 실시예에서 사용된 진공 무전해 도금 방법을 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명 일 실시예에서 사용된 고온 가스 투과 장치(high temperature gas permeation setup)를 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에서 제조된 팔라듐 막의 SEM 이미지를 나타내는 것이다. 도 3a는 1시간 동안 일반 무전해 도금 방법을 이용하여 무전해 도금을 수행한 것이고[conventional electroless plating (CELP) [도 3a], 도 3b는 1시간 동안 진공 무전해 도금을 이용하여 무전해 도금을 수행한 것이다[vacuum electroless plating (VELP) [도 3b].
도 4는 본 발명의 일 실시예에서 팔라듐 도금 필름의 마이크로 구조에 대한 하이드라진 양의 효과를 보여주는 SEM 이미지이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에서 H2O2 표면 처리의 유무에 따른 활성화 후의 PBI-HFA 막 의 SEM 이미지이다.
도 5a는 H2O2 표면 처리 하지 않은 PBI-HFA 막을 활성화 처리한 것이고, 도 5b는 표면 처리한 PBI-HFA 막을 활성화 처리한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에서 PBI-HFA 막의 표면 처리 효과를 나타내는 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 일반 무전해 도금(CELP) 방법으로 제조된 팔라듐 코팅 막을 통한 수소 투과의 변화 (도 7a) 및 일반 무전해 도금 (CELP), 진공 무전해 도금(VELP) 그리고 H2O2 처리된 PBI-HFA막 상에 진공 무전해 도금(H-VELP) 방법으로 제조된 팔라듐 코팅 막을 통한 수소 투과의 변화(도 7b)를 나타내는 그래프이다. 도 7a와 도 7b에서 X축은 압력 차(단위: kgf/cm2)이고, Y축은 수소 투과(단위: cc/min)이다.
도 8a는 본 발명의 일 실시예에서 일반 무전해 도금 (CELP), 진공 무전해 도금(VELP) 그리고 H2O2 처리된 PBI-HFA막 상에 진공 무전해 도금(H-VELP) 방법으로 제조된 팔라듐 코팅 막을 통한 이산화탄소 투과의 변화를 나타내는 그래프이다. 도 8b는 본 발명의 실시예에서 가스 투과 실험으로부터 얻어지는 H2/CO2선택도 계수를 압력 차의 함수로서 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에서 실시된 H-VELP 방법으로 제작한 팔라듐 멤브레인의 가스 투과 실험으로부터 얻어지는 H2/CO2선택도 계수를 수소 투과 (단위: Barrer)의 함수로서 나타내는 그래프이다. 참고로, 2008 상한 선(upper bound)은 Robeson이 제시한 polymeric 멤브레인에서의 H2/CO2 선택도 계수를 수소 투과 함수로 나타냈을 때의 상한 선을 의미한다(비특허문헌 5).1 is a schematic view showing a vacuum electroless plating method used in an embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram showing a high temperature gas permeation setup used in one embodiment of the present invention.
3 shows an SEM image of the palladium film produced in one embodiment of the present invention. 3A shows electroless plating using a conventional electroless plating method for 1 hour (CELP [Fig. 3A], and Fig. 3B shows electroless plating using vacuum electroless plating for 1 hour. Vacuum electroless plating (VELP) [Fig. 3b].
4 is an SEM image showing the effect of the hydrazine amount on the microstructure of a palladium-plated film in one embodiment of the present invention.
Figure 5 is a graphical representation of H 2 O 2 SEM image of PBI-HFA membrane after activation according to presence or absence of surface treatment.
5A is a graphical representation of the H 2 O 2 The PBI-HFA film not subjected to the surface treatment is activated, and FIG. 5B shows the PBI-HFA film subjected to the surface treatment by activation treatment.
6 shows the surface treatment effect of the PBI-HFA film in one embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a graph showing changes in hydrogen permeation (FIG. 7A) and general electroless plating (CELP), vacuum electroless plating (VELP) through a palladium coating film prepared by a general electroless plating (CELP) ) And a change in hydrogen permeation (FIG. 7B) through a palladium coating film prepared by a vacuum electroless plating (H-VELP) method on a PBI-HFA film treated with H 2 O 2 . And: (kg f / cm 2 unit), Y-axis and the X axis represents the hydrogen permeable Figure 7a the pressure difference in FIG. 7b: is (in cc / min).
FIG. 8a is a schematic view of an embodiment of the present invention in which a vacuum electroless plating (H-VELP) process is performed on a general electroless plating (CELP), a vacuum electroless plating (VELP) and a H 2 O 2 treated PBI- FIG. 2 is a graph showing the change in carbon dioxide permeation through the coated palladium coating film. FIG. FIG. 8B is a graph showing the H 2 / CO 2 selectivity coefficient obtained from the gas permeation experiment as a function of the pressure difference in the embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a graph showing the H 2 / CO 2 selectivity coefficient obtained as a function of hydrogen permeation (unit: barrer) obtained from a gas permeation experiment of a palladium membrane produced by the H-VELP method according to an embodiment of the present invention. For reference, the upper limit of 2008 lines (upper bound) means the upper limit of the line time revealed the coefficient H 2 / CO 2 in the selection of the polymeric membrane by Robeson is presented as a function of the hydrogen permeable (non-patent document 5).
이하, 본 발명의 예시적인 구현 예들을 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail.
본 명세서에서 일반 무전해 도금이란 삼투압이나 진공과 같은 외부의 압력차를 이용하지 않고 오직 2Pd2 + + N2H4 + 4OH- -> 2Pd0 + N2 + 4H2O의 반응에 의해서 Pd을 증착하는 것을 의미한다.In the present specification, the general electroless plating means that Pd is formed by the reaction of only 2Pd 2 + + N 2 H 4 + 4OH - -> 2Pd 0 + N 2 + 4H 2 O without using external pressure difference such as osmotic pressure or vacuum ≪ / RTI >
본 명세서에서 진공 무전해 도금이란 진공을 이용하여 위의 반응에서 생성되는 N2 가스를 PBI-HFA 표면으로부터 효율적으로 제거함으로써 위 반응의 진행을 촉진시킬 수 있는 것을 의미한다.In the present specification, vacuum electroless plating means that by using a vacuum, the N 2 gas generated in the above reaction can be efficiently removed from the PBI-HFA surface, thereby promoting the progress of the above reaction.
본 발명의 예시적인 일 구현 예들에서는, 폴리벤지이미다졸계 고분자 분리막을 지지체로 하고, 해당 지지체에 팔라듐을 무전해 도금하여 팔라듐 도금된 폴리벤지이미다졸계 분리막을 제공한다. 이와 같이 팔라듐 도금된 폴리벤지이미다졸계 고분자 분리막은 가스 기밀성을 가지며(gas-tight) 수소 선택도, H2/CO2 및 H2/N2 가스 선택도가 높다. 또한 기존의 기술들에서와 같이 다공성의 기판을 사용하여 팔라듐을 무전해 도금하는 경우 팔라듐 막의 두께가 수십마이크로미터인 것에 비해, 본 발명의 일 구현예들에 따라 폴리벤지이미다졸계 고분자 막을 기판으로 사용하여 팔라듐을 무전해 도금하면 팔라듐 막의 두께가 1마이크로미터 이하에서도 충분한 수소 선택도, H2/CO2 및 H2/N2 가스 선택도를 얻을 수 있다.In one exemplary embodiment of the present invention, a palladium-plated polybenzimidazole-based separation membrane is provided by using a polybenzimidazole-based polymer separation membrane as a support and electroless-plating palladium on the support. Thus, the palladium-plated polybenzimidazole-based polymer membranes have gas-tight gas selectivity, hydrogen selectivity, H 2 / CO 2 and H 2 / N 2 gas selectivity. In addition, when palladium is electrolessly plated using a porous substrate as in the conventional techniques, the thickness of the palladium film is several tens of micrometers. In contrast, according to embodiments of the present invention, the polybenzimidazole- When palladium is electroless-plated, sufficient hydrogen selectivity, H 2 / CO 2 and H 2 / N 2 gas selectivity can be obtained even if the thickness of the palladium film is 1 μm or less.
일 구현예에서, 상기 폴리벤지이미다졸계 고분자는 특히 제한되지 않지만 폴리벤지이미다졸의 반복 단위 중에 헥사플루오르이소프로필리덴이 결합된 것일 수 있다.In one embodiment, the polybenzimidazole-based polymer is not particularly limited, but hexafluoroisopropylidene may be bonded to the repeating unit of polybenzimidazole.
구체적으로, 상기 폴리벤지이미다졸계 고분자는 다음 [화학식 1]을 가지는 것일 수 있다.Specifically, the polybenzimidazole-based polymer may have the following formula (1).
[화학식 1][Chemical Formula 1]
여기서, Ar은 이고, R은 수소, 메틸기, 네오펜틸기 및 벤질기 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.Here, Ar And R may be any one selected from the group consisting of hydrogen, a methyl group, a neopentyl group and a benzyl group.
또한, 일 구현예에서, 상기 폴리벤지이미다졸계 고분자 분리막 표면은 과산화수소(H2O2)로 표면 처리된 것이 바람직하다. Also, in one embodiment, the surface of the polybenzimidazole-based polymer membrane is preferably surface-treated with hydrogen peroxide (H 2 O 2 ).
폴리벤지이미다졸계 고분자 분리막 표면은 소수성(hydrophobic) (예컨대 접촉각 85o )이므로, 이를 표면 처리함으로써 표면 처리 전보다 접촉 각(물방울 접촉각)을 감소시킬 수 있다. 이에 따라 팔라듐 도금 층의 입자 사이즈(grain size)를 감소시키고 핀홀을 감소시킬 수 있는 등의 효과가 있다(후술하는 실시예 참조). Since the surface of the polybenzimidazole-based polymer membrane is hydrophobic (for example, a contact angle of 85 ° C ), it is possible to reduce the contact angle (water contact angle) before the surface treatment by surface treatment. Thereby reducing the grain size of the palladium-plated layer and decreasing pinholes (see Examples described later).
일 구현예에서, 폴리벤지이미다졸계 고분자 분리막 표면의 물방울 접촉각은 20~85o일 수 있고, 바람직하게는 70o 이하일 수 있다. In one embodiment, the water droplet contact angle of the surface of the polybenzimidazole-based polymer membrane may be 20 to 85 ° C , and preferably 70 ° C or less.
일 구현예에서, 과산화수소 표면 처리는 과산화수소의 농도가 0.1~30 wt% 이고, 과산화수소 표면 처리 시간은 1초 내지 2시간인 것이 바람직하며, 과산화 수소 농도가 10wt%이고 1분 처리하는 것이 더욱 바람직하다.In one embodiment, the hydrogen peroxide surface treatment preferably has a hydrogen peroxide concentration of 0.1 to 30 wt% and a hydrogen peroxide surface treatment time of 1 second to 2 hours, more preferably a hydrogen peroxide concentration of 10 wt% .
또한 일 구현예에서, 상기 팔라듐 무전해 도금은 진공 무전해 도금을 수행한 것이 바람직하다. Also, in one embodiment, the palladium electroless plating is preferably performed by vacuum electroless plating.
진공 무전해 도금(VELP)을 이용하는 경우 팔라듐 응집입자들(agglomerated Pd particles)이 없이 팔라듐 입자들이 팩킹된(packed) 균일한 미세 구조(uniform microstructure)를 얻을 수 있다. 또한, 이와 같은 미세 구조를 가지는 팔라듐 층이 지지체인 폴리벤이지이미다졸계 고분자와 보다 강하게 앵커링 및 본딩될 수 있기 때문에 일반 무전해 도금에서 나타나는 delamination 등의 현상이 없다(후술하는 실시예 참조). When vacuum electroless plating (VELP) is used, a uniform microstructure can be obtained in which the palladium particles are packed without agglomerated Pd particles. In addition, since the palladium layer having such a microstructure can be more strongly anchored and bonded to the polybenzimidazole-based polymer as the support, there is no phenomenon such as delamination in general electroless plating (see Examples to be described later).
또한, 일 구현예에서, 상기 팔라듐 무전해 도금은 과산화수소로 표면 처리한 후 진공 무전해 도금을 수행(H-VELP)하는 것이 더욱 바람직하다. 이에 따라 핀홀이 없는 더욱 치밀한 미세 구조를 가지는 팔라듐 층을 얻을 수 있다(후술하는 실시예 참조).Further, in one embodiment, it is more preferable that the palladium electroless plating is surface-treated with hydrogen peroxide and then subjected to vacuum electroless plating (H-VELP). As a result, a palladium layer having a finer microstructure without pinholes can be obtained (see Examples described later).
참고로, 일 실시예에서 제조된 팔라듐 도금 막은 팔라듐 도금 층 두께가 약 250 nm이며, 유효 투과 면적이 8.3 cm2이다.For reference, the palladium plated film produced in one embodiment has a palladium plating layer thickness of about 250 nm and an effective permeable area of 8.3 cm 2 .
일 구현예에서, 고분자 분리막의 표면처리 후 무전해 도금 전에 폴리벤지이미다졸계 고분자 분리막에 감작화(sensitization) 및 활성화(activation) 중 하나 이상 중 하나 이상을 수행할 수 있다. 상기 감작화 및 활성화를 수행하는 경우, 감작화 후 활성화를 수행할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In one embodiment, at least one of sensitization and activation may be performed on the polybenzimidazole-based polymer membrane prior to electroless plating after surface treatment of the polymer membrane. When performing the above sensing and activation, activation may be performed after the sensing, but is not limited thereto.
감작화(sensitization)는 고분자 분리막을 민감하게 하는 과정으로 상기 방법을 포함하여 도금 효율이 향상되며, 선택도가 향상될 수 있다.Sensitization is a process of sensitizing the polymer separator, including the above-mentioned method, thereby improving the plating efficiency and improving the selectivity.
상기 감작화는 예를 들어 SnCl2 용액을 사용하여 수행할 수 있으며, 예를 들어 상기 고분자 분리막을 SnCl2 용액 및 산을 포함하는 용액, 예를 들어 상기 고분자 분리막을 SnCl2 및 HCl을 포함하는 용액에 침지하여 수행할 수 있다. 상기 감작화에 사용하는 용액의 pH는 4~5일 수 있으며, 침지 시간은 1~20분, 예를 들어 3~6분일 수 있다.The sensitization, for example, be carried out using SnCl 2 solution and, for example, for the solution, for example, that the polymer membrane comprises a SnCl 2 solution and an acid solution to the polymer membrane include SnCl 2 and HCl For example. The pH of the solution used for the sensitization may be 4 to 5, and the immersion time may be 1 to 20 minutes, for example, 3 to 6 minutes.
상기 감작화 처리 전에 고분자 분리막을 HCl 용액에 1~30초 침지한 후 세척하는 것을 포함할 수 있다.The polymer separator may be immersed in the HCl solution for 1 to 30 seconds and then washed.
활성화(activation)는 고분자 분리막의 표면에 팔라듐 핵(seed)을 형성하여 팔라듐 도금을 활성화시키는 것이며, 이를 포함하여 도금 효율이 향상되어 공정의 속도를 증진시킬 수 있으며, 선택도가 향상될 수 있다.Activation is to activate the palladium plating by forming palladium nuclei on the surface of the polymer membrane. The plating efficiency can be improved by this, and the process speed can be improved and the selectivity can be improved.
상기 활성화는 예를 들어 PdCl2 용액을 사용하여 수행할 수 있으며, 예를 들어 상기 고분자 분리막을 PdCl2 용액 및 산을 포함하는 용액, 예를 들어 PdCl2 및 HCl을 포함하는 용액에 침지하여 수행할 수 있다. 상기 활성화에 사용하는 용액의 pH는 4~5일 수 있으며, 침지 시간은 1~20분, 예를 들어 3~6분일 수 있다.The activation, for example, can be carried out using PdCl 2 solution, for example a solution of the polymer membrane comprises a PdCl 2 solution and an acid, for example be done by immersion in a solution containing PdCl 2 and HCl . The pH of the solution used for the activation may be 4 to 5, and the immersion time may be 1 to 20 minutes, for example, 3 to 6 minutes.
상기 감작화 및 활성화는 1회 이상, 2회 이상, 예를 들어 2회 내지 3회, 바람직하게는 2회 반복할 수 있다. 상기 감작화 및 활성화를 반복하여 처리하여 선택도가 향상될 수 있으며, 수소 선택도, 구체적으로 수소/이산화탄소 선택도, 수소/질소 선택도, 특히 중온 (100℃-200℃)에서의 수소/이산화탄소 선택도가 향상될 수 있다.Said sensitization and activation may be repeated one or more times, more than two times, for example two to three times, preferably two times. The selectivity can be improved by repeating the above patterning and activation, and hydrogen / carbon dioxide selectivity, hydrogen / nitrogen selectivity, particularly hydrogen / carbon dioxide selectivity at a middle temperature (100 ° C to 200 ° C) The selectivity can be improved.
본 발명의 예시적인 구현예들에 따른 팔라듐 도금 분리막은 기체 분리막으로서 유용하게 사용될 수 있으며, 특히 수소를 선택적으로 분리할 수 있는 수소 분리막으로서 유용하게 사용될 수 있다.The palladium-plated separator according to the exemplary embodiments of the present invention may be usefully used as a gas separation membrane, particularly as a hydrogen separation membrane capable of selectively separating hydrogen.
이하, 본 발명의 구현 예들에 따른 구체적인 실시예를 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니며 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예들이 구현될 수 있고, 단지 하기 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 함과 동시에 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 실시를 용이하게 하고자 하는 것임이 이해될 것이다.Hereinafter, specific embodiments according to embodiments of the present invention will be described in more detail. It should be understood, however, that the invention is not limited to the embodiments described below, but that various embodiments of the invention may be practiced within the scope of the appended claims, It will be understood that the invention is intended to facilitate the practice of the invention to those skilled in the art.
[실시예 : 팔라듐 도금 막 제조 및 특성 분석][Example: Preparation and characterization of palladium-plated film]
(1) 막 제조(Membrane Preparation)(1) Membrane Preparation
먼저 PBI-HFA 막은 다음과 같이 제조하였다. First, PBI-HFA membranes were prepared as follows.
4,4'-(헥사플루오로-이소프로필리덴)비스(벤조산)[4,4'-(hexafluoro-isopropylidene) bis(benzoic acid)](HFA, 21.96 g) 및 3,3'-디아미노벤지딘(3,3'-diaminobenzidine)(DAB, 12 g)을 진공 하 60℃에서 3-4일 동안 건조하였다.4,4'- (hexafluoro-isopropylidene) bis (benzoic acid) [4,4 '- (hexafluoro-isopropylidene) bis (benzoic acid)] (HFA, 21.96 g) and 3,3'-diaminobenzidine (3,3'-diaminobenzidine) (DAB, 12 g) was dried under vacuum at 60 ° C for 3-4 days.
건조된 HFA 및 DAB 혼합물은 불활성 분위기 하 100℃에서 40분간 둥근 바닥 플라스크에서 기계적 교반기를 이용하여 교반되었고, 이어서 폴리포스포릭 산(polyphosporic acid)(600 g)을 첨가하였다. The dried HFA and DAB mixture was stirred in a round bottom flask at 100 < 0 > C under inert atmosphere in a round bottom flask using a mechanical stirrer, followed by addition of polyphosporic acid (600 g).
얻어진 혼합물은 최초 150℃에서 12시간 동안 교반하면서 가열되었고, 5시간 동안 연속적으로 교반하면서 온도를 220℃까지 천천히 증가시켜서, 매우 높은 점도의 노란 갈색의 중합체 혼합물을 얻었다. 반응 혼합물을 물에 부은 후에, 섬유 상의 폴리머를 얻었다. 침전된 폴리머를 60℃에서 증류수로 세척하고 필터링하였다. 해당 폴리머 정제 과정은 여러 번 반복하였다. 잔류 포스포릭산을 제거하기 위하여, 추가로 수산화 칼륨(1 M) 세척을 60℃에서 2 시간 동안 하였고, 수차례 증류수로 연속 세척하면서 필터링을 하였다. 세척된 폴리머는 100℃로 예열된 진공 오분에서 건조하여 PBI-HFA 막을 수득하였다.The resulting mixture was initially heated with stirring at 12O < 0 > C for 12 hours, and the temperature was slowly increased to 220 < 0 > C with continuous stirring for 5 hours to obtain a very high viscosity yellowish brown polymer mixture. After pouring the reaction mixture into water, a fibrous polymer was obtained. The precipitated polymer was washed with distilled water at < RTI ID = 0.0 > 60 C < / RTI > The polymer purification process was repeated several times. In order to remove residual phosphoric acid, further potassium hydroxide (1 M) washes were performed at 60 ° C for 2 hours, and filtering was performed with several successive washes with distilled water. The washed polymer was dried in
팔라듐 도금 전, PBI-HFA 막 지지체의 표면을 감작화 및 활성화 용액(SnCl2 and PdCl2)에서 연속 디핑하여 활성화를 수행하였다. Prior to palladium plating, the surface of the PBI-HFA membrane support was sensitized and activated by continuous dipping in an activating solution (SnCl 2 and PdCl 2 ).
각각의 디핑을 5분 간 지속하였고, 탈이온수에서 세척하였다. Each dipping was continued for 5 minutes and washed in deionized water.
이어서, 지지체를 80 ℃에서 2시간 동안 건조하였다. 표면 활성화(surface activation)의 목적은 표면에 팔라듐 핵(palladium nuclei)을 시드로 하여 성장시키기 위함이다. 이는 PBI-HFA 막 표면상의 준 안정 팔라듐 염 착물(metastable palladium salt complex) 환원의 촉매 작용(autocatalytic process)을 개시한다. 감작화 및 활성화 조성물은 표 1에 나타난 바와 같다.Subsequently, the support was dried at 80 DEG C for 2 hours. The purpose of surface activation is to grow the palladium nuclei seeded on the surface. This initiates the autocatalytic process of the metastable palladium salt complex reduction on the PBI-HFA membrane surface. The sensitizing and activating composition is as shown in Table 1.
한편, 표면 처리를 위하여, 활성화 과정 전, PBI-HFA 막 표면을 10 wt% H2O2용액에 1분간 담그었다. For surface treatment, the surface of the PBI-HFA membrane was immersed in a 10 wt% H 2 O 2 solution for 1 minute before the activation process.
무전해 도금은 60℃에서 활성화된 PBI-HFA 막 지지체를 팔라듐 전해 욕(palladium plating bath)에 담그어 수행하였다. 상기 팔라듐 전해 욕은 안정화제(stabilizing agent)로서, tetraamminepalladium(II) nitrate 용액, ethylenediaminetetraacetic acid disodium salt (EDTA disodium salt)을 사용하고, 환원제(reducing agent)로서 하이드라진(hydrazine)을 사용하였다.The electroless plating was carried out by immersing the PBI-HFA membrane support activated at 60 DEG C in a palladium plating bath. The palladium electrolytic bath used tetraamminepalladium (II) nitrate solution, ethylenediaminetetraacetic acid disodium salt (EDTA disodium salt) as the stabilizing agent and hydrazine as the reducing agent.
참고로, 전형적인 전해욕 조성(typical plating bath composition)도 표 2에 표시하였다.For reference, a typical plating bath composition is also shown in Table 2.
도 1은 본 발명의 일 실시예에서 사용된 진공 무전해 도금 방법을 나타내는 개략도이다.1 is a schematic view showing a vacuum electroless plating method used in an embodiment of the present invention.
도 1에 도시된 바와 같이, 팔라듐 도금을 위한 배스(Pd bath)에서 팔라듐 도금 동안 PBI-HFA 막의 양측에 진공(Vacuum)을 걸어주었다. 상기 배스에는 이중 보일러(Double boiler) 내에 위치하여 가열원(heating source)에 의하여 가열된다. 이어서, 도금된 팔라듐 복합 막(as-deposited Pd composite membran)을 60℃를 유지하는 탈 이온수에서 완전히 세척하고, 80℃에서 밤새 건조(overnight)하여 무게를 측정하였다. 제조된 막의 가스 기밀성(gas tightness)을 측정하고자 질소 투과 실험(permeation experiment)을 상온 및 4 bar 까지의 압력 차(pressure differences)에서 수행하였다. As shown in Fig. 1, a vacuum was applied to both sides of the PBI-HFA film during palladium plating in a Pd bath for palladium plating. The bass is placed in a double boiler and heated by a heating source. Subsequently, the as-deposited Pd composite membrane was completely washed in deionized water maintained at 60 ° C., and was weighed overnight at 80 ° C. to measure its weight. Nitrogen permeation experiments were performed at room temperature and pressure differences of up to 4 bar to measure the gas tightness of the prepared membrane.
도 2는 본 발명 일 실시예에서 사용된 고온 가스 투과 장치(high temperature gas permeation setup)를 나타내는 개략도이다.2 is a schematic diagram showing a high temperature gas permeation setup used in one embodiment of the present invention.
도 2를 참조하여 구체적으로 설명하면, 도 2에 도시된 바와 같은 고온 가스 투과 장치(permeation cell, temperature control chamber)를 사용하여 투과 실험을 수행하였다. 구체적으로, 니들 밸브로 조절되는 단일 가스를 폴리머 막에 주입하고, 투과되어 나오는 가스 플럭스(permeated gas flux)를 버블 플로우 미터(bubble flow meter)(또는 flow indicator, FI )를 사용하여 결정하였다. 공급 가스의 압력은 백 프레셔 조절기(back-pressure regulator)(P)에 의하여 조절되었다. 순수 가스의 투과 플럭스는 35 내지 200℃의 여러 온도에서 H2, N2, CO2, 및 CO (99.9 % 순도)의 순서로 측정되었다. 모든 투과 테스트에서 4 내지 8 바(bar)의 작동 압력이 압력 조절계(pressure regulator)(P)를 사용하여 조절되었다. Referring to FIG. 2, permeation experiments were performed using a high temperature gas permeation cell (temperature control chamber) as shown in FIG. Specifically, a single gas controlled by a needle valve was injected into the polymer membrane, and the permeated gas flux was determined using a bubble flow meter (or flow indicator, FI). The pressure of the feed gas was regulated by a back-pressure regulator (P). The flux of pure gas was measured in the order of H 2 , N 2 , CO 2 , and CO (99.9% purity) at various temperatures from 35 to 200 ° C. In all permeation tests, an operating pressure of 4 to 8 bar was adjusted using a pressure regulator (P).
이상과 같이, PBI-HFA 지지체 상에서 무전해 도금 방법을 통해 팔라듐 도금 막이 성공적으로 제조되었다. 또한, 팔라듐 도금 1시간 후 35℃ 및 4 bar 까지의 압력 차(pressure differences)에서, 팔라듐 도금 막을 통한 질소 흐름은 검출되지 않았다. 이는 제조된 팔라듐 도금 막에 디펙트가 없음(defect-free)을 의미한다. As described above, a palladium-plated film was successfully prepared through an electroless plating method on a PBI-HFA support. Further, at 1 hour after the palladium plating, at the pressure differences of up to 35 DEG C and 4 bar, no nitrogen flow through the palladium plating film was detected. This means that the produced palladium-plated film is defect-free.
팔라듐 도금 층의 두께는 질량 증가(weight gain)로부터 측정한 결과 약 250nm이었다. 제조된 막의 유효 투과 면적(effective permeating area)은 8.3 cm2이었다.The thickness of the palladium-plated layer was about 250 nm as measured from the weight gain. The effective permeating area of the prepared membrane was 8.3 cm < 2 & gt ;.
(2) 막 미세구조(Membrane microstructure) 확인 방법(2) Confirmation method of membrane microstructure
한편, 팔라듐 도금 막의 표면 몰폴로지 및 단면 구조는 SEM을 통해 조사하였다(SEM; XL30 ESEM, Philips, Netherlands). On the other hand, the surface morphology and cross-sectional structure of the palladium-plated films were examined through SEM (SEM; XL30 ESEM, Philips, Netherlands).
(3) 진공 (3) Vacuum 무전해Electroless 도금에 의해 제조된 팔라듐 도금 막에 대한 진공 효과 검토 Study on the vacuum effect of palladium plated films prepared by plating
팔라듐의 무전해 도금은 자가 촉매 반응 메커니즘(autocatalytic reaction mechanism)으로 수행된다. 이는 PBI 기판의 활성화된 표면상에 시이드된 팔라듐 핵(Pd nuclei seeded on the activated surface of PBI substrate)에 의하여 개시된다. 이 반응은 계면을 통한 전자 전달 반응과 산화-환원 반응을 수반하게 된다. 참고로, 자가 촉매 반응(autocatalytic reaction)은 다음과 같이 표현될 수 있다. The electroless plating of palladium is carried out with an autocatalytic reaction mechanism. This is initiated by the Pd nuclei seeded on the activated surface of the PBI substrate. This reaction involves an electron transfer reaction through the interface and an oxidation-reduction reaction. For reference, an autocatalytic reaction can be expressed as:
[반응식 1][Reaction Scheme 1]
2Pd2 + + N2H4 + 4OH- -> 2Pd0 + N2 + 4H2O 2Pd 2 + + N 2 H 4 + 4OH - -> 2Pd 0 + N 2 + 4H 2 O
즉, 팔라듐 금속이 핵 상에 도금되어 성장하게 되는 것이다. 도금 속도(deposition rate)는 팔라듐 사이트(Pd sites)의 수에 따라 증가하며 자가 촉매 거동(autocatalytic behavior)을 나타낸다. 도금 동안 질소 가스가 버블로 발생하였다. That is, the palladium metal is plated on the nucleus and is grown. The deposition rate increases with the number of palladium sites (Pd sites) and exhibits autocatalytic behavior. During the plating, nitrogen gas was generated as bubbles.
도 3은 본 발명의 일 실시예에서 제조된 팔라듐 막의 SEM 이미지를 나타내는 것이다. 3 shows an SEM image of the palladium film produced in one embodiment of the present invention.
도 3a는 1시간 동안 일반 무전해 도금 방법을 이용하여 무전해 도금을 수행한 것이고[electroless plating (ELP) [도 3a], 도 3b는 1시간 동안 진공 무전해 도금을 이용하여 무전해 도금을 수행한 것이다[vacuum electroless plating (VELP) [도 3b].FIG. 3A shows electroless plating (ELP) using electroless plating for 1 hour (FIG. 3A), and FIG. 3B shows electroless plating using vacuum electroless plating for 1 hour Vacuum electroless plating (VELP) [Fig. 3b].
도 3은 각 막의 마이크로 구조가 다름을 보여준다. 즉, 도 3a에서는 막에는 눈에 띄는 디펙트들이 보이며 거친 표면 몰폴로지를 가진다. 이 디펙트들은 PBI-HFA 멤브레인 (23×10-6 K- 1)과 팔라듐 층 (11.8×10-6 K- 1)의 열팽창계수 차이에 의한 것이다. 도금하고 건조하는 온도와 상온과의 온도차로 인해 팔라듐 층에 압축 잔류응력 (compressive residual stress)이 생기게 되며 이 압축 잔류응력은 팔라듐 층의 buckling과 delamination을 일으키게 된다. 팔라듐 층의 두께는 질량 증가로부터 측정 결과가 약 232.5nm이었고 증착 속도는 2.37 nm/min이었다.Figure 3 shows that the microstructure of each membrane is different. That is, in Figure 3a, the film has noticeable defects and has a rough surface morphology. The defects are HFA-PBI membrane (23 × 10 -6 K - 1 ) - is due to the thermal expansion coefficient difference between the palladium layer (1 11.8 × 10 -6 K) . The compressive residual stress is generated in the palladium layer due to the temperature difference between the plating and drying temperature and the room temperature. This compressive residual stress causes buckling and delamination of the palladium layer. The thickness of the palladium layer was about 232.5 nm and the deposition rate was 2.37 nm / min.
반면, 진공 무전해 도금(VELP)을 이용하여 제조된 팔라듐 막의 경우에는 더 균일한 미세 구조(uniform microstructure)를 나타내었고 도 3a에서와 같은 디라미네이션(delamination)이나 버클링(buckling)은 보이지 않았다. (도 3b 참조). On the other hand, in the case of the palladium film prepared by using the vacuum electroless plating (VELP), a uniform microstructure was shown, and no delamination or buckling as shown in FIG. 3A was seen. (See FIG. 3B).
평균 사이즈 0.2㎛의 균일한 팔라듐 입자들이 견고하게 팩킹되어(tightly packed) 치밀한 팔라듐 막을 형성하였다. 더욱이, 팔라듐 층의 두께는 261nm이고, 진공 무전해 도금(VELP) 속도(deposition rate)는 5.67nm/min으로 일반 무전해 도금(ELP)보다 2.4배 빨랐다. 그럼에도 불구하고 팔라듐 층은 몇몇 작은 핀홀들이 보이며 어떤 식으로든 개선되어야 할 필요가 있다. 이에 본 발명의 일 구현예들에서는 H2O2에 의한 표면처리로 이 핀홀들을 줄일 수 있도록 더욱 개선하였다.Uniform palladium particles having an average size of 0.2 占 퐉 were tightly packed to form a dense palladium film. Furthermore, the thickness of the palladium layer was 261 nm, and the vacuum electroless plating (VELP) deposition rate was 5.67 nm / min, 2.4 times faster than conventional electroless plating (ELP). Nevertheless, the palladium layer has some small pinholes visible and needs to be improved in some way. Accordingly, in one embodiment of the present invention, surface treatment with H 2 O 2 has been further improved to reduce the pinholes.
표 3은 150℃ 및 8 kgf/cm2에서의 H2, N2, CO2 및 CO에 대한 팔라듐 도금 PBI-HFA 막의 이상 선택도(ideal selectivity)와 단일 가스 투과 특성(single-gas permeability)을 요약하여 나타낸다.Table 3 150 ℃ and 8 kg f / cm 2 H 2 ,
(CELP)Example 1
(CELP)
(VELP)Example 2
(VELP)
(H-VELP)Example 3
(H-VELP)
표 3에 도시된 바와 같이, 동일 조건에서 진공 무전해 도금(VELP)을 이용하여 제조된 팔라듐 막의 가스 선택도들은, 일반 무전해 도금(CELP)을 이용하여 제조된 팔라듐 막과 대비할 때, 확실히 높았다. 그리고 모든 팔라듐 멤브레인은 일산화탄소가 투과하지 않았다. 또한 H2O2로 표면처리를 한 후 진공 무전해 도금 (H-VELP)을 이용하여 제조된 팔라듐 막은 일산화탄소뿐만 아니라 질소도 투과하지 않았다.As shown in Table 3, the gas selectivities of palladium membranes prepared using vacuum electroless plating (VELP) under the same conditions were significantly higher when compared to palladium membranes prepared using conventional electroless plating (CELP) . And all the palladium membranes were not permeable to carbon monoxide. In addition, palladium membranes prepared by vacuum electroless plating (H-VELP) after surface treatment with H 2 O 2 did not transmit nitrogen as well as carbon monoxide.
수소 투과 성능 차이는 제조 방법의 차이에 따른 팔라듐 도금 막의 마이크로 구조(microstructure)와 연관이 있다. The difference in hydrogen permeability is related to the microstructure of the palladium-plated membrane depending on the manufacturing method.
진공은 도금 과정 동안 생성된 질소 가스(이 질소 가스는 팔라듐 막의 디펙트를 야기한다)가 막의 표면으로부터 제거되도록 하는데 효과적이고 이에 따라 팔라듐 막의 디펙트를 줄일 수 있게 된다. 더욱이, 진공은 팔라듐의 도금 속도(deposition rate)를 증가시킬 수 있고, 팔라듐 층과 PBI 사이의 접착성을 향상할 수 있다. The vacuum is effective in causing the nitrogen gas produced during the plating process, which nitrogen gas causes a defect in the palladium film, to be removed from the surface of the film, thereby reducing the defects of the palladium film. Moreover, the vacuum can increase the deposition rate of the palladium and improve the adhesion between the palladium layer and the PBI.
관련하여, 무전해 도금 과정은 물질 전달(mass transfer)에 의하여 제한되므로, 진공을 걸어주는 경우 물질 전달을 향상하는 추가적인 추진력(driving force)을 제공할 수 있다. 또한, 팔라듐 층과 PBI-HFA 간의 접착력은 기계적 본딩(mechanical bonding) 및 앵커링 효과(anchoring effect)에 의존하게 되는데, 진공을 걸어주게 되면, 치밀한 팔라듐 층이 PBI-HFA와 보다 강하게 앵커링될 수 있다.In connection with this, since the electroless plating process is limited by mass transfer, it can provide additional driving force to improve mass transfer when vacuum is applied. In addition, the adhesion between the palladium layer and the PBI-HFA depends on mechanical bonding and anchoring effect. When the vacuum is applied, the dense palladium layer can be more strongly anchored to the PBI-HFA.
도 4은 본 발명의 실시예에서 팔라듐 도금 필름의 마이크로 구조에 대한 하이드라진 양의 효과를 보여주는 SEM 이미지이다. 참고로, 하이드라진은 팔라듐 무전해 도금 시에 환원제(reducing agent)의 역할을 한다.4 is an SEM image showing the effect of the hydrazine amount on the microstructure of a palladium-plated film in an embodiment of the present invention. For reference, hydrazine acts as a reducing agent in electroless palladium plating.
하이드라진의 양이 감소할수록, 나노와이어 형태로 성장하는 경향이 감소하였다. 또한, 팔라듐 무전해 도금 필름은 환원제(하이드라진)의 양이 감소할수록 핀홀이 없는 더 치밀한 구조를 가지는 것을 알 수 있다. 하이드라진 양이 감소할수록 도금 속도가 감소하게 되어 더욱 치밀한 마이크로 구조가 생성되는 것으로 생각된다.As the amount of hydrazine decreases, the tendency to grow in the form of nanowires decreases. In addition, it can be seen that the palladium electroless plating film has a more dense structure without pinholes as the amount of the reducing agent (hydrazine) decreases. It is believed that as the amount of hydrazine decreases, the plating rate decreases, resulting in a more dense microstructure.
(4) (4) PBIPBI -- HFAHFA 막의 표면 처리 효과 검토 Examination of effect of surface treatment of membrane
아무 처리도 하지 않은 PBI-HFA 표면의 접촉각은 85o이다. 10 wt% H2O2으로 표면처리를 한 경우에, PBI-HFA 표면 접촉각이 70o로 감소하였고, 친수성(hydrophilicity)도 증가할 수 있었다. H2O2 용액에서 PBI-HFA 표면은 하이드록실 라디칼(hydroxyl radical)에 의하여 공격받게 되어 불안정하게 되고, 활성화되며, 분극된다(polarized). 따라서, 물 분자 및 H2O2 처리된 표면의 상호 간의 힘(mutual interaction strength)은 처리 전 보다 훨씬 강해지게 되는 것이다. The contact angle of the PBI-HFA surface without any treatment is 85 ° C. When the surface was treated with 10 wt% H 2 O 2 , the PBI-HFA surface contact angle was reduced to 70 ° and the hydrophilicity could be increased. In the H 2 O 2 solution, the PBI-HFA surface is attacked by hydroxyl radicals, becoming unstable, activated, and polarized. Therefore, the mutual interaction strength between the water molecule and the H 2 O 2 treated surface becomes much stronger than before treatment.
한편, 도 5는 본 발명의 실시예들에서 H2O2 표면 처리의 유무에 따른 활성화 후의 PBI-HFA 막의 SEM 이미지이다. 도 5a는 H2O2 표면 처리하지 않은 PBI-HFA 막을 활성화 처리한 것이고, 도 5b는 표면 처리한 PBI-HFA 막을 활성화 처리한 것이다.Figure 5, on the other hand, shows that in embodiments of the present invention, H 2 O 2 SEM image of PBI-HFA membrane after activation according to presence or absence of surface treatment. 5A is a graphical representation of the H 2 O 2 The PBI-HFA film not subjected to the surface treatment is activated, and FIG. 5B shows the PBI-HFA film subjected to the surface treatment by activation treatment.
무전해 도금을 하기 전에, 시드된 PBI-HFA 표면은 작은 팔라듐 핵(palladium nuclei)으로 구성되었다. 이 핵들은 H2O2 표면 처리가 수행된 경우 PBI의 표면에 더 균일하게 분포하였다.Before electroless plating, the seeded PBI-HFA surface consisted of a small palladium nuclei. These nuclei are H 2 O 2 When the surface treatment was carried out, it was more uniformly distributed on the surface of PBI.
도 6은 본 발명 일 실시예에서 PBI-HFA 막의 표면 처리 효과를 나타내는 SEM 이미지이다.6 is an SEM image showing the surface treatment effect of the PBI-HFA film in one embodiment of the present invention.
도 6a는 PBI-HFA 막 상에서의 진공 무전해 도금(VELP)으로 제조된 팔라듐 도금 필름의 마이크로 구조를 나타낸다. 도 3b와 같은 조건의 팔라듐 막이며, 앞서 언급했듯이 팔라듐 층은 몇몇 작은 핀홀들이 존재한다. 6A shows the microstructure of a palladium-plated film made by vacuum electroless plating (VELP) on a PBI-HFA film. 3b. As mentioned above, the palladium layer has some small pinholes.
본 발명의 비제한적인 실시예들에서는 연속적인 도금 과정을 수행하고 팔라듐 도금 막의 제조 비용을 저감하기 위하여, O2 플라즈마 대신 H2O2 표면 처리를 수행한다. In a non-limiting embodiment of the present invention, an H 2 O 2 surface treatment is performed instead of an O 2 plasma in order to perform a continuous plating process and reduce the manufacturing cost of a palladium plated film.
도 6b는 팔라듐 도금 필름 미세 구조가 10 wt% H2O2에서 1분간 처리한 PBI-HFA 막 상에서 진공 무전해 도금(VELP)에 의하여 제조된 것을 보여준다. 팔라듐 도금 필름의 평균 입자 사이즈는 약 0.19 ㎛이었고, 해당 팔라듐 도금 필름은 H2O2 표면처리를 하지 않은 경우와 대비하여 더 치밀한 미세구조를 보여주었다. 또한, 해당 팔라듐 도금 PBI-HFA 막 (도 6b)는 더 높은 광택(luster)과 우수한 접착성을 보여주었다. 또한, N2 누설 테스트를 수행한 결과 역시 해당 팔라듐 도금 필름이 치밀하고 핀홀이 없음(dense and free of pin-holes)을 보여주었다.FIG. 6b shows that the palladium-plated film microstructure was prepared by vacuum electroless plating (VELP) on a PBI-HFA film treated with 10 wt% H 2 O 2 for 1 minute. The average particle size of the palladium-plated film was about 0.19 탆, and the palladium-plated film showed a finer microstructure as compared with the case where the surface treatment of H 2 O 2 was not performed. In addition, the corresponding palladium-plated PBI-HFA film (FIG. 6B) showed higher luster and excellent adhesion. In addition, the N 2 leakage test also showed that the palladium-plated film was dense and free of pin-holes.
(5) 팔라듐 도금 막을 통한 수소 투과 성능 검토(5) Examination of hydrogen permeation performance through palladium plating membrane
본 실시예의 치밀한 팔라듐 도금 막을 통한 수소 투과는 종래 확산 메커니즘과는 다른 메커니즘을 따른다. 이러한 투과 메커니즘은 용액-확산 메커니즘(solution-diffusion mechanism)으로 알려져 있으며, 다음의 단계들을 거치게 된다. The permeation of hydrogen through the dense palladium plating membrane of this embodiment follows a mechanism different from the conventional diffusion mechanism. This permeation mechanism is known as a solution-diffusion mechanism and involves the following steps.
(i) 가스 상태의 수소 분자의 고 수소압 측 막 표면에의 흡착(adsorption of gaseous hydrogen molecules on the membrane surface in the high hydrogen pressure side); (i) adsorption of gaseous hydrogen molecules on the high hydrogen pressure side of the high-hydrogen side membrane surface;
(ii) 수소 원자로 분해(dissociation to atomic hydrogen);(ii) dissociation to atomic hydrogen;
(iii) 벌크 금속에서 수소 원자의 용해(dissolution of atomic hydrogen in the bulk metal);(iii) dissolution of atomic hydrogen in the bulk metal;
(iv) 벌크 금속에서 수소 원자의 확산(diffusion of atomic hydrogen through the bulk metal);(iv) diffusion of atomic hydrogen through the bulk metal;
(v) 저 수소 압 측 막 표면으로부터의 수소 분자 개질 및 방출(reformation and release of hydrogen molecule from the low hydrogen pressure membrane surface).(v) reforming and releasing hydrogen molecules from the low hydrogen pressure membrane surface.
상기 단계들은 각각 막을 통한 수소 이동 동안 속도 제한(rate-limiting) 요소가 될 수 있지만, 상대적으로 두꺼운 팔라듐 막(> 25 mm)에 대하여는 벌크 원자 확산이 속도 제한(rate-limiting) 요소가 된다. 반면, 그 보다 더 얇은 막 및 저온의 경우에는 표면 처리 단계(surface steps)가 현저한 영향을 미치게 된다. 표면 반응(surface reaction) 또는 물질 전달(mass transport)이 속도 결정 단계(rate-controlling step)일 때는, 팔라듐 도금 막을 통한 수소 투과 플럭스(hydrogen permeation flux)는 다음의 헨리의 법칙(Henry's law)으로 표현될 수 있다. These steps can be rate-limiting elements during hydrogen transfer through the membrane, respectively, but bulk atom diffusion is a rate-limiting factor for relatively thick palladium membranes (> 25 mm). On the other hand, in the case of thinner films and lower temperatures, the surface steps have a significant effect. When the surface reaction or mass transport is a rate-controlling step, the hydrogen permeation flux through the palladium-plated membrane is expressed by the following Henry's law .
=(Ph-Pl) = (P h -P l )
(여기서, 및 는 각각 수소 투과 플럭스(hydrogen permeation flux) 및 수소 투과성(hydrogen permeance)을 나타낸다. 및 은 각각 고 수소압 및 저 수소압을 나타낸다. 표면으로의 또는 표면으로부터의 물질 전달 또는 해리 흡착(dissociative adsorption) 또는 결합 탈착(associative desorption)이 속도 결정 요소가 되는 경우에, 해당 과정들은 수소 분자의 농도에 비례하기 때문에 압력 지수(pressure exponent)의 예상 값은 1이다. (here, And Respectively denote hydrogen permeation flux and hydrogen permeance. And Denote the high hydrogen pressure and the low hydrogen pressure, respectively. In the case of mass transfer or dissociative adsorption or associative desorption to the surface or from the surface being the rate determining element, the processes are proportional to the concentration of hydrogen molecules, so that the pressure exponent The expected value is 1.
한편, 수소 투과 플럭스는 수소 단일 가스를 이용하여 상온에서 200℃까지 압력 차이의 함수로서 측정된다. 수소 투과 플럭스는 버블 플로우 미터로부터 얻어졌다. On the other hand, the hydrogen permeation flux is measured as a function of the pressure difference from room temperature to 200 DEG C using a single hydrogen gas. The hydrogen permeation flux was obtained from a bubble flow meter.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 일반 무전해 도금(CELP) 방법으로 제조된 팔라듐 코팅 막을 통한 수소 투과의 변화 (도 7a) 및 일반 무전해 도금 (CELP), 진공 무전해 도금(VELP) 그리고 H2O2 처리된 PBI-HFA막 상에 진공 무전해 도금(H-VELP) 방법으로 제조된 팔라듐 코팅 막을 통한 수소 투과의 변화(도 7b)를 나타내는 그래프이다. 도 7a와 도 7b에서 X축은 압력 차(단위: kgf/cm2)이고, Y축은 수소 투과(단위: cc/min)이다.FIG. 7 is a graph showing changes in hydrogen permeation (FIG. 7A) and general electroless plating (CELP), vacuum electroless plating (VELP) through a palladium coating film prepared by a general electroless plating (CELP) ) And a change in hydrogen permeation (FIG. 7B) through a palladium coating film prepared by a vacuum electroless plating (H-VELP) method on a PBI-HFA film treated with H 2 O 2 . And: (kg f / cm 2 unit), Y-axis and the X axis represents the hydrogen permeable Figure 7a the pressure difference in FIG. 7b: is (in cc / min).
도 7a는 본 발명의 일 실시예의 일반 무전해 도금(CELP) 방법으로 제조된 팔라듐 코팅 막을 통한 수소 투과 변화를 압력차의 함수로 나타내는 그래프이다. FIG. 7A is a graph showing the hydrogen permeation change as a function of the pressure difference through a palladium coating film produced by a general electroless plating (CELP) method of an embodiment of the present invention. FIG.
도 7a를 참조하면, 예상한 바와 같이, 높은 수소 투과 플럭스가 더 높은 압력에서 얻어졌다. 수소 투과 플럭스는 수소 압력 차이와 선형 관계(linear relationship)를 나타내었다. 이는 해당 팔라듐 도금 막에서 수소 투과의 속도 결정 단계가 표면 상에 수소 원자의 결합 과정 또는 표면으로부터 또는 표면으로의 수소 분자 확산 과정임을 나타내는 것이다.Referring to Figure 7a, as expected, a high hydrogen permeation flux was obtained at higher pressures. The hydrogen permeation flux showed a linear relationship with the hydrogen pressure difference. This indicates that the step of determining the rate of hydrogen permeation in the palladium plated film is the process of bonding hydrogen atoms on the surface or the process of hydrogen molecule diffusion from the surface to the surface.
도 7b는 전술한 바와 같이, 일반 무전해 도금 (CELP), 진공 무전해 도금(VELP) 그리고 H2O2 처리된 PBI-HFA막 상에 진공 무전해 도금(H-VELP)로 제작된 팔라듐 멤브레인의 수소투과 변화를 압력차의 함수로 나타내는 그래프이다. H-VELP로 제작한 팔라듐 멤브레인의 경우 다른 두 경우에 비해 더 높은 값의 수소투과를 보였다. 수소 투과 성능의 차이는 각각 다른 방법으로 제작된 팔라듐 멤브레인의 미세구조와 관련이 있는데 격자 결함 (lattice defect), 입계(grain boundary) 그리고 미세기공(microvoids) 들은 수소 트랩(trap)으로 작용하게 되어 수소 투과를 느리게 하며 확산에 대한 활성화 에너지를 증가시키게 된다. 도 6a에서 나타난 몇몇 작은 핀홀들은 수소 트랩(trap)으로 작용할 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 일 구현예들에서는 수소 트랩(trap)들을 저감함으로써 팔라듐 도금 분리막의 수소 투과를 향상하게 된다. Figure 7b illustrates a palladium membrane fabricated with vacuum electroless plating (H-VELP) on a conventional electroless plating (CELP), vacuum electroless plating (VELP) and a PBI- HFA membrane treated with H 2 O 2 Is a graph showing the hydrogen permeation change as a function of the pressure difference. The H-VELP palladium membrane showed higher hydrogen permeability than the other two cases. The difference in hydrogen permeability is related to the microstructure of the palladium membranes fabricated by different methods. The lattice defects, grain boundaries and microvoids act as hydrogen traps, Slowing permeation and increasing activation energy for diffusion. Some small pinholes shown in Figure 6a may act as hydrogen traps. Thus, in some embodiments of the present invention, hydrogen permeation of the palladium-plated separator improves by reducing hydrogen traps.
(6) 선택도 계수(Selectivity Coefficient) 검토(6) Selectivity Coefficient Review
막의 분리 성능을 나타내기 위하여 흔히 사용되는 지표는 선택도 계수[selectivity coefficient, α]이다. 상기 선택도 계수는 막을 통한 순수 가스의 투과 플럭스 비율(ratio of the permeation fluxes of pure gases through the membrane)로 정의된다. 따라서, 이산화탄소(CO2)에 대한 수소(H2)의 선택도는 다음과 같다. The selectivity coefficient, α, is a commonly used index to indicate membrane separation performance. The selectivity factor is defined as the ratio of the permeation fluxes of the pure gas through the membrane. Therefore, the selectivity of hydrogen (H 2 ) to carbon dioxide (CO 2 ) is as follows.
α(H2/CO2)=JH2/JCO2 α (H 2 / CO 2) = J H2 / J CO2
선택도 계수는 단일 가스 투과로부터 유도된 이상적인 분리 성능을 나타내며, Barrer 단위로 환산된 가스의 permeability의 비율이다.The selectivity factor represents the ideal separation performance derived from a single gas permeation and is the ratio of the permeability of the gas converted to Barrer units.
도 8a는 본 발명의 일 실시예에서 일반 무전해 도금 (CELP), 진공 무전해 도금(VELP) 그리고 H2O2 처리된 PBI-HFA막 상에 진공 무전해 도금(H-VELP) 방법으로 제조된 팔라듐 코팅 막을 통한 이산화탄소 투과의 변화를 압력차의 함수로 나타내는 그래프이다. 도 8b는 본 발명의 일 실시예에서 가스 투과 실험으로부터 얻어지는 선택도 계수를 압력 차의 함수로서 나타내는 그래프이다. FIG. 8a is a schematic view of an embodiment of the present invention in which a vacuum electroless plating (H-VELP) process is performed on a general electroless plating (CELP), a vacuum electroless plating (VELP) and a H 2 O 2 treated PBI- FIG. 2 is a graph showing the change in carbon dioxide permeation through a palladium coating film as a function of pressure difference. FIG. 8B is a graph showing the selectivity coefficient obtained from the gas permeability test as a function of the pressure difference in an embodiment of the present invention.
H-VELP로 제작한 팔라듐 멤브레인의 경우 다른 두 멤브레인에 비해 이산화탄소의 투과량이 확실히 낮았다. 결과적으로 가장 뛰어난 H2/CO2 가스분리 성능을 보여주었다 (도8b). The permeability of the H-VELP palladium membrane was clearly lower than that of the other two membranes. As a result, the best H 2 / CO 2 gas separation performance was shown (FIG. 8B).
도 9는 본 발명의 실시예에서 실시된 H-VELP 방법으로 제작한 팔라듐 멤브레인의 가스 투과 실험으로부터 얻어지는 H2/CO2선택도 계수를 수소 투과 (단위: Barrer)의 함수로서 나타내는 그래프이다(도 9의 붉은 색으로 표시된 것이 실시예의 팔라듐 도금 막이고, 검은 색은 팔라듐 도금 전의 막임). 9 is a graph showing the H 2 / CO 2 selectivity coefficient obtained as a function of hydrogen permeability (unit: barrer) obtained from a gas permeation experiment of a palladium membrane produced by the H-VELP method conducted in the embodiment of the present invention 9 is a palladium-plated film of Examples, and black is a pre-palladium-plated film).
관련하여, 팔라듐 도금 막에 대한 H2/CO2 가스분리 성능에 대한 기존의 발표는 없었다. 본 실시예의 경우 팔라듐 도금 막은 대부분의 온도에서 Robeson의 상한선을 넘는 가스분리 성능을 보여주었다. 또한 상기 H-VELP 방법으로 제작한 팔라듐 도금 막은 질소가 투과하지 않았으므로 H2/N2 가스분리 특성은 말할 필요도 없이 Robeson의 상한선을 넘게 된다.There is no previous report on the H 2 / CO 2 gas separation performance for palladium plated membranes. In this example, the palladium plated membrane showed gas separation performance over the upper limit of Robeson at most temperatures. In addition, since the palladium-plated film produced by the H-VELP method does not permeate nitrogen, the H 2 / N 2 gas separation characteristics needless to say exceed the upper limit of Robeson.
(7) 활성화(activartion) 반복 처리(7) activartion iteration
4,4'-(헥사플루오로-이소프로필리덴)비스(벤조산)[4,4'-(hexafluoro-isopropylidene) bis(benzoic acid)](HFA, 21.96 g) 및 3,3'-디아미노벤지딘(3,3'-diaminobenzidine)(DAB, 12 g)을 진공 하 60℃에서 3-4일 동안 건조하였다.4,4'- (hexafluoro-isopropylidene) bis (benzoic acid) [4,4 '- (hexafluoro-isopropylidene) bis (benzoic acid)] (HFA, 21.96 g) and 3,3'-diaminobenzidine (3,3'-diaminobenzidine) (DAB, 12 g) was dried under vacuum at 60 ° C for 3-4 days.
건조된 HFA 및 DAB 혼합물을 불활성 분위기 하 100℃에서 40분간 둥근 바닥 플라스크에서 기계적 교반기를 이용하여 교반하고, 이어서 폴리포스포릭 산(polyphosporic acid)(600 g)을 첨가하였다. The dried HFA and DAB mixture was stirred in a round bottom flask under an inert atmosphere at 100 < 0 > C for 40 minutes using a mechanical stirrer, followed by addition of polyphosporic acid (600 g).
얻어진 혼합물은 최초 150℃에서 12시간 동안 교반하면서 가열하고, 5시간 동안 연속적으로 교반하면서 온도를 220℃까지 천천히 증가시켜서, 매우 높은 점도의 노란 갈색의 중합체 혼합물을 얻었다. 반응 혼합물을 물에 부은 후에, 섬유 상의 폴리머를 얻었다. 침전된 폴리머를 60℃에서 증류수로 세척하고 필터링하였다. 해당 폴리머 정제 과정은 여러 번 반복하였다. 잔류 포스포릭산을 제거하기 위하여, 추가로 수산화 칼륨(1 M) 세척을 60℃에서 2 시간 동안 하였고, 수차례 증류수로 연속 세척하면서 필터링을 하였다. 세척된 폴리머는 100℃로 예열된 진공 오븐에서 건조하여 폴리벤지이미다졸계 고분자 막(PBI-HFA 막)을 수득하였다. The resulting mixture was initially heated with stirring for 12 hours at 150 占 폚, and the temperature was slowly increased to 220 占 폚 while continuously stirring for 5 hours to obtain a very high viscosity yellowish brown polymer mixture. After pouring the reaction mixture into water, a fibrous polymer was obtained. The precipitated polymer was washed with distilled water at < RTI ID = 0.0 > 60 C < / RTI > The polymer purification process was repeated several times. In order to remove residual phosphoric acid, further potassium hydroxide (1 M) washes were performed at 60 ° C for 2 hours, and filtering was performed with several successive washes with distilled water. The washed polymer was dried in a vacuum oven preheated to 100 DEG C to obtain a polybenzimidazole-based polymer membrane (PBI-HFA membrane).
수득된 PBI-HFA 막을 PBI-HFA 막 표면을 10 wt% H2O2용액에 1분간 침지하여 표면처리 하였다.The obtained PBI-HFA membrane was surface-treated by immersing the surface of the PBI-HFA membrane in a 10 wt% H 2 O 2 solution for 1 minute.
표면처리된 막을 SnCl2 1g/l 및 10M HCl 1ml/l 용액에 5분간 침지하여 감작화하였다. 증류수에 5분간 세척한 후 PdCl2 0.1g/l 및 10M HCl 1ml/l 용액에 5분간 침지하여 활성화 하였다. 상기 감작화 및 활성화는 2회(실시예 4) 또는 3회(실시예 5) 반복하여 수행하였다. The surface treatment film on SnCl 2 1g / l and 10M HCl 1ml / l solution is drawn closed by dipping for 5 minutes. Washed for 5 minutes in distilled water, and then immersed in 0.1 g / l PdCl 2 and 1 ml / l solution of 10 M HCl for 5 minutes to activate. The sensitization and activation were repeated two times (Example 4) or three times (Example 5).
상기 표 1 조성의 팔라듐 도금을 위한 팔라듐 전해욕을 60℃로 가열하여 유지한 후 활성화된 PBI-HFA 막을 침지하고 즉시, 하이드라진 12.5ml/l 를 첨가한 후, 팔라듐 도금 동안 PBI-HFA 막의 양측에 진공(Vacuum)을 걸어 진공도 -0.45에서 plating 하였다. 팔라듐 도금 동안 PBI-HFA 막의 양측에 진공(Vacuum)을 걸어주었다. 상기 배스에는 이중 보일러(Double boiler) 내에 위치하여 가열원(heating source)에 의하여 가열된다. 이어서, 도금된 팔라듐 복합 막(as-deposited Pd composite membrane)을 60℃를 유지하는 탈 이온수에서 완전히 세척하고, 80℃에서 밤새 건조(overnight)하여 실시예 4 및 5의 팔라듐 도금 분리막을 제조하였다.The palladium electrolytic bath for the palladium plating of the above Table 1 was heated and maintained at 60 DEG C, and then the activated PBI-HFA membrane was immersed. Immediately after adding hydrazine 12.5 ml / l, palladium plating was carried out on both sides of the PBI- Vacuum was applied and the plate was plated at a vacuum degree of -0.45. Vacuum was applied to both sides of the PBI-HFA film during the palladium plating. The bass is placed in a double boiler and heated by a heating source. Subsequently, the as-deposited Pd composite membrane was thoroughly washed with deionized water maintained at 60 ° C and dried overnight at 80 ° C to prepare palladium-plated separators of Examples 4 and 5.
(8) 가스 투과도 및 선택도 검토(8) Examination of gas permeability and selectivity
상기 (7)에서 제조한 팔라듐 도금 분리막에 대하여 상기 (1) 및 (3)과 동일하게 가스 투과 성능을 실험하고, 단일 가스 투과 성능 및 선택도를 측정하여 결과를 하기 표 4에 나타내었다.The palladium-plated separator prepared in (7) above was tested for gas permeability in the same manner as in the above (1) and (3), and the single gas permeability and selectivity were measured and the results are shown in Table 4 below.
- 기체 투과 실험: 도 2에 도시된 바와 같은 고온 가스 투과 장치(permeation cell, temperature control chamber)를 사용하여 투과 실험을 수행하였다. 구체적으로, 팔라듐 도금 1시간 후 35℃ 내지 200℃ 및 4 내지 8 bar 까지의 압력 차(pressure differences)에서, 기체 투과도를 측정하였다. 니들 밸브로 조절되는 단일 가스를 분리막에 주입하고, 투과되어 나오는 가스 플럭스(permeated gas flux)를 버블 플로우 미터(bubble flow meter)(또는 flow indicator, FI )를 사용하여 측정하였다. 공급 가스의 압력은 백 프레셔 조절기(back-pressure gauge)(P)에 의하여 조절되었다. 순수 가스의 투과 플럭스는 35 내지 200℃의 여러 온도에서 H2, N2, CO2, 및 CO (99.9 % 순도)의 순서로 측정되었다. 모든 투과 테스트에서 4 내지 8bar의 작동 압력이 압력 조절계(pressure regulator)(P)를 사용하여 조절되었다. 팔라듐 도금 층의 두께는 질량 증가(weight gain)로부터 측정한 결과 약 250nm이었다. 제조된 막의 유효 투과 면적(effective permeating area)은 8.3 ㎠이었다.- Gas permeation experiment: The permeation experiment was carried out using a high temperature gas permeation cell (temperature control chamber) as shown in FIG. Specifically, the gas permeability was measured after 1 hour of palladium plating at 35 ° C to 200 ° C and pressure differences of 4 to 8 bar. A single gas controlled by a needle valve was injected into the separator and the permeated gas flux was measured using a bubble flow meter (or flow indicator, FI). The pressure of the feed gas was regulated by a back-pressure gauge (P). The flux of pure gas was measured in the order of H 2 , N 2 , CO 2 , and CO (99.9% purity) at various temperatures from 35 to 200 ° C. In all permeation tests, an operating pressure of 4 to 8 bar was adjusted using a pressure regulator (P). The thickness of the palladium-plated layer was about 250 nm as measured from the weight gain. The effective permeating area of the prepared membrane was 8.3
- 가스 투과도: 기체 투과 실험의 결과로부터 가스 투과도(gas permeability)를 하기 식에 의하여 산출하였으며, 150℃, 8kgf/㎠에서 측정한 팔라듐 도금 분리막에 대한 수소, 질소 및 이산화탄소의 단일 가스 투과도를 표 4에 나타내었다.Gas permeability: The gas permeability was calculated from the gas permeation test results and the single gas permeability of hydrogen, nitrogen and carbon dioxide for the palladium-plated separator measured at 150 ° C and 8 kgf / Respectively.
상기 식에서, 가스 투과도의 단위는 Barrer (1 Barrer=1×10-10 cm3(STP) cm cm-2s-1 cmHg- 1)이고, Q는 가스의 체적 유량(volumetric flow rate, cm3(STP)/s), L은 막 두께(cm), A는 막의 유효 면적(㎠), T는 작동 온도(K), ΔP는 막 양단의 압력차(cmHg)이다.Wherein a unit of gas permeability of Barrer (1 Barrer = 1 × 10 -10 cm 3 (STP) cm cm -2 s -1 cmHg - 1) , and, Q is the volumetric flow rate of gas (volumetric flow rate, cm 3 ( A is the effective area of the film (㎠), T is the operating temperature (K), and ΔP is the pressure difference across the membrane (cmHg).
- 선택도: 상기 가스 투과도로부터 수소/질소, 수소/이산화탄소, 수소/일산화탄소, 이산화탄소/질소 선택도를 하기 식에 의하여 산출하여 하기 표 4에 나타내었다.- Selectivity: Hydrogen / nitrogen, hydrogen / carbon dioxide, hydrogen / carbon monoxide, carbon dioxide / nitrogen selectivity were calculated from the above gas permeability by the following formulas and shown in Table 4 below.
α(A/B) = (A의 가스 투과도)/(B의 가스 투과도)? (A / B) = (gas permeability of A) / (gas permeability of B)
(활성화 2회)Example 4
(2 activations)
(활성화 3회)Example 5
(3 activations)
상기 표 4의 결과에서, 활성화를 2회 이상 반복하는 경우 1회 활성화 한 경우에 비하여 수소 선택도가 현저하게 상승되는 것을 확인할 수 있다. 특히 활성화 2회를 수행한 경우 수소/이산화탄소 선택도가 매우 현저하게 우수하다.From the results in Table 4, it can be seen that when the activation is repeated two or more times, the hydrogen selectivity is remarkably increased as compared with the case where the activation is performed once. In particular, the hydrogen / carbon dioxide selectivity is very remarkable when the activation is carried out twice.
Claims (19)
상기 폴리벤지이미다졸계 고분자 막 표면을 과산화수소(H2O2)로 표면 처리 하고,
상기 표면 처리된 지지체에 팔라듐을 무전해 도금하는 것을 포함하고,
상기 폴리벤지이미다졸계 고분자는 다음 [화학식 1]의 구조를 가지는 것인 팔라듐 도금 분리막의 제조 방법:
[화학식 1]
여기서, Ar은 이고, R은 수소, 메틸기, 네오펜틸기 및 벤질기 중에서 선택된 어느 하나이다.
Using a polybenzimidazole-based polymer membrane as a support,
The surface of the polybenzimidazole-based polymer membrane was surface-treated with hydrogen peroxide (H 2 O 2 )
And electroless-plating palladium on the surface-treated support,
Wherein the polybenzimidazole-based polymer has a structure represented by the following formula (1): < EMI ID =
[Chemical Formula 1]
Here, Ar , And R is any one selected from the group consisting of hydrogen, a methyl group, a neopentyl group and a benzyl group.
상기 과산화수소의 농도는 0.1~30 wt% 이고, 과산화수소 표면 처리 시간은 1초 내지 2시간인 것을 특징으로 하는 팔라듐 도금 분리막의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the hydrogen peroxide concentration is 0.1 to 30 wt%, and the hydrogen peroxide surface treatment time is 1 second to 2 hours.
상기 팔라듐 무전해 도금은 진공 무전해 도금인 것을 특징으로 하는 팔라듐 도금 분리막의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the palladium electroless plating is a vacuum electroless plating.
상기 표면 처리 후 무전해 도금 전에 상기 지지체를 감작화(sensitization) 및 활성화(activation) 중 하나 이상의 처리를 수행하는 것을 포함하는 팔라듐 도금 분리막의 제조 방법.
The method according to claim 1,
And performing at least one of sensitization and activation of the support before the electroless plating after the surface treatment.
상기 감작화는 상기 지지체를 SnCl2 및 산을 포함하는 용액에 침지하는 것을 포함하는 팔라듐 도금 분리막의 제조 방법.
9. The method of claim 8,
The sensitization method is a palladium-coated membrane, comprising immersing the support into the solution containing the acid and SnCl 2.
상기 활성화는 상기 지지체를 PdCl2 및 산을 포함하는 용액에 침지하는 것을 포함하는 팔라듐 도금 분리막의 제조 방법.
9. The method of claim 8,
The activation method for producing a palladium-coated membrane, comprising immersing the support in a solution containing PdCl 2 and an acid.
상기 활성화는 2회 이상 수행하는 것인 팔라듐 도금 분리막의 제조 방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the activation is performed two or more times.
해당 지지체에 팔라듐이 무전해 도금된 팔라듐 도금층을 가지며,
상기 팔라듐 도금 층은 팔라듐 입자들이 팩킹된(packed) 미세 구조(microstructure)를 가지는 팔라듐 도금 분리막이고,
상기 폴리벤지이미다졸계 고분자는 다음 [화학식 1]의 구조를 가지고:
[화학식 1]
(여기서, Ar은 이고, R은 수소, 메틸기, 네오펜틸기 및 벤질기 중에서 선택된 어느 하나이다)
상기 폴리벤지이미다졸계 고분자 막 표면을 과산화수소(H2O2)로 표면 처리 한 후 도금이 수행된 것인 팔라듐 도금 분리막.
Using a polybenzimidazole-based polymer membrane as a support,
The support has a palladium plating layer on which palladium is electroless plated,
The palladium plating layer is a palladium plating separator having a microstructure of palladium particles packed therein,
The polybenzimidazole-based polymer has a structure represented by the following Formula 1:
[Chemical Formula 1]
(Wherein Ar is And R is any one selected from a hydrogen, a methyl group, a neopentyl group and a benzyl group)
Wherein the surface of the polybenzimidazole-based polymer membrane is surface-treated with hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) and then plated.
폴리벤지이미다졸계 고분자 막은 물방울 접촉각이 20~70o인 것을 특징으로 하는 팔라듐 도금 분리막.
13. The method of claim 12,
Wherein the polybenzimidazole-based polymer membrane has a water contact angle of 20 to 70 ° .
상기 폴리벤지이미다졸계 고분자 막은 표면 처리 후 도금 전에 감작화(sensitization) 및 활성화(activation) 중 하나 이상이 처리된 것인 팔라듐 도금 분리막.
13. The method of claim 12,
Wherein the polybenzimidazole-based polymer membrane is treated with at least one of sensitization and activation before plating after surface treatment.
상기 폴리벤지이미다졸계 고분자 막은 표면에 팔라듐 핵(seed)이 형성된 것인 팔라듐 도금 분리막.
18. The method of claim 17,
Wherein the polybenzimidazole-based polymer membrane has palladium nuclei (seeds) formed on its surface.
폴리벤지이미다졸계 고분자 막과 팔라듐 도금층은 앵커링되는 것을 특징으로 하는 팔라듐 도금 분리막.The method according to any one of claims 12, 15, 17, and 18,
A palladium-plated separator characterized in that the polybenzimidazole-based polymer membrane and the palladium plating layer are anchored.
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