이온교환한 제올라이트 A의 연료기체분자 저장특성

허남호; 노병률; 김동현; 김종택

HWAHAK KONGHAK, Vol.29, No.4, 407-416, August, 1991

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이온교환한 제올라이트 A의 연료기체분자 저장특성

Fuel Gas Encapsulation in Ion-Exchanged Zeolite A-1. Encapsulation Characteristics for H₂ and CH₄

허남호, 노병률, 김동현, 김종택

초록

제올라이트 결정내에 수소와 메탄의 저장특성을 조사하였다. K⁺, Rb⁺ 및 Cs⁺이온을 교환한 제올라이트 A를 제조하여 이들의 연료기체 저장능을 특정조건하에서 연료기체의 최대저장량 V_gas으로 나타내었다. Cs⁺이온이 교환된 제올라이트 A가 통로와 α-cage fmf dlfnsms 8-ring을 가장 효율적으로 개폐하여 수소와 메탄기체를 저장하는데 있어 최적의 제올라이트임을 밝혔으며, Rb⁺ 및 K⁺이온으로 block된 α-cage는 상온에서 수소를 방출하며 메탄기체의 저장에는 Cs-A와 Rb-A의 사용이 가능함을 알았다. 저장된 수소와 메탄기체의 양은 저장압력에 비례하고, 저장돤 수소와 메탄기체는 제올라이트의 공동들이 가진 제한된 부피에서 자유도의 감소로 인한 순수 기체상태가 아님을 확인하였다. 또한 수소와 메탄기체에 대한 제올라이트의 창문개폐온도가 Cs⁺ 이온의 수가 3개 이상일 때는 크게 차이가 있음을 확인하였으며, 이와 같이 창문 열림의 온도가 높아지는 것은 Site-I에 Cs⁺이온의 도입으로 인한 Site-III Na⁺이온의 열전동과 운동성의 감소가 Site-II Cs⁺이온을 가진 8-ring 창문 열림에너지를 높이기 때문이라 생각된다. 그리고 Cs_xNa_12-x-A 제올라이트에서 3.0>x>2.3 경우에는 α-cage가 β-cage보다 약 5배(수소와 메탄에 대해 각각 5.3과5.0)의 저장능력을 보였으며, x>3.0에서는 β-cage의 Cs⁺이온의 존재로 인해 수소분자의 확산속도를 감소시키고 유효체적을 줄여 저장능력이 감소함을 알았다.

Encapsulation characteristics of cation-exchanged zeolite A as hydrogen and methane storage media by means of intracrystalline encapsulation was investigated. The storage efficiency of K⁺, Rb⁺ and Cs⁺ ion-exchanged zeolite A was measured in terms of V_gas(V_H2 and V_CH4), the maximum capacity for fuel gas under a difined set of conditions. Cs⁺ containing Zeolite A seems to be the best one for the encapsulation of hydrogen and methane gas molecules with most efficient control of 8-ring window opening, while K-A and Rb-A show leakage of H₂ at ambient conditions. Encapsulation capacity is proportional to encapsulaion pressure and encapsulated gas molecules lose their degrees of freedom as pure gas molecules within limited volume of zeolitic cavities. With more than three Cs⁺ ions per unit cell, energy barrier for the window opening increases drastiically resulting in decrease of encapsulation capacity due to the decrease in the diffu-sion rate of the molecules through the zeolite channel. Cs_xNa_12-x -A with 3.0>x>2.3 shows the encapsulation capacity of α-cage higer than that of β-cage by about 5 times(5.3 and 5.0 times for H₂ and CH₄, respec-tively).

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