수소 분리를 위한 셀룰로스 탄소 분자체

천연 가스로부터의 수소 (H2) 생산은 미래에 저탄소 에너지와 온실 가스 배출을 줄이기위한 가장 잠재적 인 기술 중 하나로 간주됩니다. 기존의 H 정제 기술과 비교할 때, 막 기반 분리 기술은 높은 에너지 효율과 환경 친화성으로 인해 광범위한 주목을 받았습니다. 그러나 현재 일반적으로 사용되는 H2 및 CO2 분리막은 일반적으로 고온 및 고압에서 낮은 분리 성능, 높은 비용 및 낮은 안정성으로 어려움을 겪습니다. 따라서, 상업적으로 실행 가능한 H2 정제막을 제조하는 것은 여전히 어려운 과제이다. 탄소 분자체 (CMS) 멤브레인은 고온에서 폴리머 전구체의 탄화를 제어하여 만들어지며 단단한 기공 구조를 가지고 있습니다. 상기 CMS 멤브레인이 멤브레인 모듈에 적합한 중공사로 제조되는 경우, 고온 및 고압 저항의 특성을 가질 것으로 기대된다.
셀룰로오스는 강한 사슬 간 및 사슬 내 수소 결합을 가지고있어 N- 메틸 모르폴린 - N- 옥사이드 (NMMO), 이온성 액체 및 무기 염과 같은 몇 가지 용매만으로 대부분의 용매에 잘 용해되지 않아 수소 결합 네트워크를 효과적으로 방해 할 수 있습니다. 그러나 정확한 셀룰로오스 / 용매 / 비 용매 삼원 위상도를 얻는 것은이 시스템의 거대한 점도로 인해 여전히 어렵습니다.
이를 바탕으로 노르웨이 공과 대학 (Norwegian University of Technology)의 Xuezhong He 등은 셀룰로오스 / 이온 액체 / 물 시스템의 응고 온도와 최종 탄화 온도를 조정하여 탄소 중공 섬유 멤브레인 (CHFM)을 준비하고 H2 분리에 사용했습니다.
연구진은 건식 및 습식 방사 공정을 통해 비대칭 셀룰로오스 중공사 전구체를 제조한 후 물과 교환하여 원래 용매인 EmimAc과 DMSO를 제거하고, 최종적으로 고온 탄화를 통해 상응하는 미세다공성 구조를 얻었다. SEM 이미지로부터, 상이한 탄화 온도가 사용될 때 외부 선택성 층 및 약 3 μm의 다공성 내부 지지층의 비대칭 구조가 여전히 유지된다는 것을 알 수 있다. 가장 낮은 탄화 온도에서 CHFM-550은 가장 낮은 경도와 영 계수를 갖는다. 탄화 온도가 증가함에 따라 경도와 영 계수가 점차 증가합니다. 경도 및 모듈러스의 증가는 탄화 온도의 증가로 인한 내부 구조 변화에 기인 할 수 있습니다. 동시에, 탄화 온도의 증가와 함께, 기공 피크는 >5 Å 약화되고, 기공 피크는 더 높은 탄화 온도에서 제조 된 멤브레인은 H2 / CO2 선택도가 높지만 H2 투과성은 낮기 때문에 가스 투과성은 주로 가스 분자의 운동 직경, 즉 분자체 수송 메커니즘에 의해 결정된다는 것을 나타냅니다. sp3/sp2 비율이 0.73에서 0.36으로 감소하면 H2 투과도가 466.8GPU에서 148.2 GPU로 감소한 반면, H2/CO2 선택도는 11.1에서 83.9로 증가하여 탄소 구조를 조정하여 가스 분리 성능을 조정할 수 있음을 시사했습니다. 분자 체와 CO2 분자의 표면 확산 수송이 동시에 존재하기 때문에 CO2의 겉보기 활성화 에너지는 H2에 비해 상대적으로 낮기 때문에 온도가 H2 투과성에 더 큰 영향을 미치므로 고온에서 CO2 흡착이 낮아 H2 / CO2 선택도가 증가합니다. 멤브레인이 50 일 동안 실험실 대기에 노출되었을 때 H2 투과도와 H2 / CO2 선택도는 각각 약 40 % 및 10 % 감소했으며 열처리 및 헬륨 퍼징 후 가스 투과성 및 가스 투과도가 효과적으로 회복되었습니다. 선택적.
CHFM은 다른 멤브레인에 비해 우수한 H2/CO2 선택성과 높은 H2 투과성을 나타내며, 그 중 CHFM-850은 비폴리머 필름을 초과하는 130°C에서 83.9의 이상적인 H2/CO2 선택도로 가장 높은 전체 가스 분리 성능을 보여줍니다. 동시에 CHFM-850 ~ H2 / N2의 선택성은 >800이고 H2 / CH4의 선택성은 >5700이므로 일부 공정에서 H2 정제 가능성을 제공합니다.
요약하면,이 작업은 미결정 셀룰로오스와 EmimAc을 방사하여 비대칭 셀룰로오스 중공사 재료를 생산했습니다. 얻어진 셀룰로오스 중공사는 고온에서 탄화되어 미세 다공성 구조가 다른 가스로부터 H2를 분리하는 데 도움이되는 비대칭 중공 섬유 멤브레인을 얻습니다.