팔라듐 멤브레인
팔라듐 멤브레인은 팔라듐(Pd) 금속을 바탕으로 한 금속 멤브레인으로, 수소가 팔라듐을 통해 선택적으로 투과할 수 있도록 설계된 구조입니다.
수소 분자는 팔라듐 내부로 확산하여 이온화된 후 다시 기체 상태로 방출되는데, 이 과정을 통해 수소를 고순도로 분리할 수 있습니다.
작동원리
- 수소 분자가 팔라듐 멤브레인의 한 쪽 면에 공급됩니다.
- 수소 분자는 팔라듐 표면에서 이온화되어 팔라듐 내부로 확산됩니다.
- 내부에서 수소 이온은 다시 기체 수소로 변화되어 멤브레인 반대쪽으로 배출됩니다.
- 이 과정에서 팔라듐 멤브레인은 수소 선택적 투과를 통해 다른 가스들을 차단하게 됩니다.
팔라듐 멤브레인의 특징
| 특징 | 설명 |
|---|---|
| 수소 선택성 | 팔라듐은 수소만을 선택적으로 투과시키며, 다른 가스는 차단 |
| 내열성 | 고온 환경에서도 우수한 성능을 유지(최대 300~500도) |
| 내화학성 | 산화 환경에서도 우수한 내화학성 |
| 수소 확산성 | 빠르고 효율적인 수소 확산 특성 |
| 고순도 수소 정체 | 수소의 정밀한 분리로 고순도 수소 제공 가능 |
주요 활용 분야
| 분야 | 용도 |
|---|---|
| 수소 정제 | 수소의 고순도 분리(산업용 가스 및 실험실용) |
| 연료 전지 | 고순도 수소 공급을 위한 정제 |
| 반도체 | 초고순도 수소 필요시 사용 |
| 석유화학 | FCC(Fluid Catalytic Cracking) 공정에서 수소 분리 |
| 화학/바이오 | 정밀 분석 및 생산 과정에서 수소 정제 |
수소 정제기
- Pure H2 : ≥4N, Highly pure H2 : ≥5N, Ultra pure H2 : ≥6N, Ultra high H2 : ≥7N
- Raw hydrogen
- 촉매 개질 (석탄, 천연 가스, 메탄올, 에탄올, 디메틸 에테르, 가솔린, 등)
- 화학적 분해 (암모니아, 암모니아 보란, 수소화붕소, 수소화물, 포름산, 알루미늄+염기, 규소+염기 등)
- 전해수 (알칼리성 용액, 순수한 물)
- 바이오 수소 생산 (미생물 발효, 광합성 조류, 바이오 매스 가스화 등)
- 다양한 부산물 H2 (염소 알칼리, 정제, 석유 화학, 코크스, 석탄 화학, 폐기물 처리 등)
- H2 용량 : 멤브레인 면적 및 작업 조건에 따라 다름
- H2 production: 0.05~1000 m3/h
- H2 purity: 99.999~99.9999999%
- Feed pressure: 0.5~50 bar
CVD용 수소 정제기
팔라듐 멤브레인을 기반으로 하는 CVD 수소정제기는 반도체 칩 및 TFT-LCD 산업의 CVD 공정을 위해 8N~12N 순도의 H2를 생산합니다.
CVD(Chemical Vapor Deposition, 화학증기증착법) – 기체상태의 전구체(precursor)를 고온 환경에서 화학 반응시켜, 기판 위에 고체 박막을 증착하는 기술
인공 다이아몬드 생산의 MPCVD에 널리 적용되었으며 다이아몬드 품질과 색상을 크게 향상 시켰습니다.
(특히 반도체, 다이아몬드 보석 등으로 사용)
MPCVD(Microwave Plasma CVD, 고에너지 CVD) – 주로 다이아몬드 박막 성장이나 나노 소재 합성에 사용하는 기술
수소/헬륨 분리기
- 수소와 헬륨은 분자 크기가 작고 물리적 성질이 유사하여 분리하기 어렵습니다.
- 그러나 팔라듐 멤브레인 + 흡착 분리법(PSA)을 통해 수소와 헬륨을 각각 99.999% 분리할 수 있습니다.
주요 활용 분야
| 분야 | 용도 |
|---|---|
| 반도체 제조 | 고순도의 수소와 헬륨이 필요 |
| 바이오 분석 | 정밀한 가스 분리가 요구 |
| 항공 및 우주산업 | 헬륨은 로켓 연료 및 냉각 시스템에 사용 |
| 에너지 산업 | 천연가스 처리 및 바이오가스 정제에 활용 |
H2(수소)/D2(중수소)/T2(삼중수소) 분리기
- H2/D2/T2 중 Pd 멤브레인의 분리 선택성은 1.3−2이지만 HD, HT 및 DT 분자가 생성됩니다.
- T2는 주로 원자로에서 열 중성자와 6Li 사이의 핵 반응에 의해 생성되며, 생성 된 T2와 He는 팔라듐 막에 의해 분리됩니다.
- T2 및 D2 핵융합은 청정 원자력 에너지로 사용될 수 있습니다.
수전해
- 물 전기분해 : 알칼리성 전기분해 및 PEM 막 순수한 물 전기분해
- 일반 H2 발생기 : 건조 또는 촉매 탈산소 + 건조, 건조제의 빈번한 재생이 필요합니다.
- 팔라듐 멤브레인 정제기는 건조제가 필요하지 않으며 6 ~ 8N H2 순도를 제공합니다.
