| 초록 |
1. 서론 혼합물의 분리는 화학산업에서 가장 중요한 공정 단계 중의 하나이며, 전체 산업공정 에너지소비의 약 50% 정도를 차지하고 있다. 한편, 수소(hydrogen)는 연소 시 물만이 생성되며, 청정고효율에너지생성기관인 연료전지(fuel cell)의 연료가 되기 때문에, 최근 각광받고 있다. 이러한 수소는 주로 다음과 같은 방법을 통해 원유로부터 제조되고 있다. CO + H2O -----------> CO2 + H2 수성가스 전환반응(water-gas shift reaction) CH4 + 2H2O ---------> CO2 + 4H2 수증기 개질반응(steam reforming reaction) 따라서 위에서 알 수 있듯이 H2/CO2, H2/CH4, H2/N2 등의 기체 혼합물부터의 수소 분리는 특히 중요하다. 기체 혼합물의 분리공정으로는 증류, 압력순환흡착(pressure swing adsorption, PSA), 온도순환흡착(thermal swing adsorption, TSA), 막분리(membrane separation) 등이 있는데, 이 중 막분리공정은, (1) 에너지소비가 적고, (2) 모듈 형태가 가능하며, (3) 규모 확대 및 축소를 용이하게 할 수 있다는 장점이 있어 최근 많은 관심을 받고 있다. 지난 1970년대에 Monsanto에 의해 최초로 암모니아 생산공장의 퍼지(purge) 가스 흐름에서 수소를 분리하기 위해 고분자막(polymeric membrane)을 사용한 대규모 막분리공정이 적용된 이후, 산업 분야에서 요구되는 조건에 부합하기 위해 고분자막의 소재 선정 및 제조 방법의 개선을 통해 꾸준히 성능 향상이 이루어져왔으나, 고분자막 소재의 특성상, 투과도(permeability)와 선택도(selectivity)의 절충점(trade off)을 극복하지는 못하였다. 이러한 고분자막의 단점을 극복하기 위해 무기막(inorganic membrane)의 일종인 제올라이트(zeolite)막이 연구되었으며, 균일한 기공크기 등의 특징이 있어서 높은 투과도와 선택도를 보였다. 하지만 이러한 제올라이트막은 분리 성능을 향상시키기 위한 화합물 구조의 설계 제조(chemical tailorability)[화합물 구조설계에 맞추어, 제조가 이루어지는 것]가 가능하지 못하는 한계를 지니고 있다. 금속유기복합체(metal organic frameworks, MOF)는 금속을 포함하는 2차합성단위(secondary building unit, SBU)와 이를 연결하는 유기 리간드(ligand)로 구성된 다공성 화합물로서, 기공도(porosity)와 표면적이 매우 높다. 또한 화합물의 제조 설계가 가능하고, SBU와 유기 리간드를 다르게 함으로써 수천 가지의 다양한 화합물을 합성할 수 있으며, 이 때문에 초기 MOF가 합성된 이후 단기간에 매우 많은 종류의 MOF 화합물 구조가 보고되었다. 그림 1에 대표적이고 기본적인 MOF인 MOF-5(또는 IRMOF-1)과, ZIF-8의 화합물 구조를 도시하였다. 그림 1. (a) MOF-5의 구조(참고문헌 3)와 (b) ZIF-8의 구조(참고문헌 4) 이러한 MOF를 사용한, 선행 막분리 연구에서 MOF-5, HKUST-1, 그리고 ZIF 계열 같은 몇몇 유명한 MOF 화합물을 소재로 한 MOF막이 다양한 기체분리공정에 적용되었다. 이 보고서에서는, MOF막을 사용한 복합가스 내 수소 기체 막분리공정의 최근 연구 동향과 상용화를 위한 해결 과제 등을 알아보았다. 먼저, (1) 막분리공정의 최근 연구 예를 나열하고, (2) 초박막 2차원 나노시트 제조, (3) 기공크기 조절을 통한 막분리 성능 향상 전략을 설명한 후, (4) 규모 확대(scale-up)와 화합물 안정성 향상 관련 이슈를 알아보았다. ** 원문은 파일 다운받기를 해주세요 :-) |
