KR101571622B1 - Method of preparation for mof membrane by electrospray deposition, membrane by using the same, and apparatus thereof - Google Patents

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Abstract

정전분무 증착에 의한 MOF 분리막의 제조방법, 이에 의해 제조된 분리막, 및 이에 관한 장치에 관한 것으로서, 보다 상세히는, 용매를 포함하는 하전된 전구체 미세 액적을 형성하고, 이를 분사하는 단계; 상기 분사된 미세 액적이, 열구배 구역을 거치면서 이동하여 용매 일부를 증발시키는 단계; 및 상기 열구배 구역을 거쳐 이동된 미세 액적을 기재 상 표면에 안착 및 분산 시키는 단계를 순차적으로 포함하되, 상기 기재 상 표면 온도는, 상기 용매의 비등점 이상인 것을 특징으로 하는 정전분무 증착에 의한 MOF 분리막 제조방법이다. 본 발명의 방법은, 정전기 하전을 통한 초미세 액적을 만들어 내는 정전기력 분무방법으로서, 정전분무의 특성상, 합성시간 및 전구체의 소비를 비약적으로 줄일 수 있으며, 공정이 단순할 뿐 아니라, 분리막의 두께 조절도 용이하다.The present invention relates to a method for manufacturing a MOF separation membrane by electrostatic spray deposition, a separation membrane manufactured by the method, and an apparatus therefor, and more particularly, to a method for forming a MOF separation membrane by electrostatic spray deposition, Moving the injected fine droplet through a thermal gradient zone to evaporate a portion of the solvent; And depositing and dispersing the fine droplets transferred through the thermal gradient region on the surface of the substrate, wherein the surface temperature of the substrate is at least the boiling point of the solvent, and the MOF separator Lt; / RTI > The method of the present invention is an electrostatic spraying method for producing ultrafine droplets by charging static electricity. Due to the nature of electrostatic spraying, the synthesis time and the consumption of the precursor can be drastically reduced, and the process is simple, It is also easy.

Description

정전분무 증착에 의한 MOF 분리막의 제조방법, 이에 의해 제조된 분리막, 및 이에 관한 장치{METHOD OF PREPARATION FOR MOF MEMBRANE BY ELECTROSPRAY DEPOSITION, MEMBRANE BY USING THE SAME, AND APPARATUS THEREOF}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a MOF separator by electrostatic spray deposition,

본 발명은, 정전분무 증착에 의한 MOF 분리막의 제조방법, 이에 의해 제조된 분리막, 및 이에 관한 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a process for producing an MOF separation membrane by electrostatic spray deposition, a separation membrane produced thereby, and an apparatus therefor.

금속유기구조체(Metal organic frameworks: MOFs)는, 금속 원자 또는 금속 클러스터들과 이들을 배위 결합으로 연결해주는 유기 연결체로 구성되는 미세 다공성(microporous) 결정 재료로, 비교적 새로운 하이브리드 유기-무기 물질이다.BACKGROUND ART Metal organic frameworks (MOFs) are relatively new hybrid organic-inorganic materials, which are microporous crystal materials consisting of metal atoms or metal clusters and organic linkages connecting them via coordination bonds.

이 물질의 기공 크기 및 물리/화학적 성질은, 적절한 금속 원자 및 유기 연결체의 선택에 의해 쉽게 조절이 가능하다. 이러한 특별한 성질 때문에, 가스 저장 및/또는 흡수, 촉매 작용, 및 분리막으로서의 잠재적 응용 가능성을 보여 왔다.The pore size and physical / chemical properties of this material can be easily controlled by selection of suitable metal atoms and organic linkages. Because of this particular nature, the potential applications for gas storage and / or absorption, catalysis, and separation membranes have been demonstrated.

제올라이트-이미다졸레이트 구조체(Zeolitic-imidazolate frameworks: ZIFs)는, 금속유기구조체의 하위 개념으로서, 이미다졸레이트(또는 이미다졸레이트 유도체) 리간드에 연결되어진 금속 노드(일반적으로 아연 또는 코발트)로 구성된다. ZIFs의 금속-연결체-금속 결합 각도(ca. 145°)는, 수많은 제올라이트에서 발견되는 Si-O-Si 결합 각도에 가깝다. ZIFs는 초미세 다공성과 함께 우수한 열 및 화학적 안정성을 갖고 있어 주목을 받아왔다. 이러한 성질 때문에, ZIFs는 고성능 분자체 (molecular sieve) 분리막의 제조함에 있어서, 유력한 후보로 고려되어지고 있다.Zeolitic-imidazolate frameworks (ZIFs) are sub-concepts of metal organic structures and consist of metal nodes (usually zinc or cobalt) connected to an imidazolate (or imidazolate derivative) ligand . The metal-bond-metal bond angle (ca. 145 °) of ZIFs is close to the Si-O-Si bond angle found in many zeolites. ZIFs have been noted for their excellent thermal and chemical stability along with ultrafine porosity. Because of these properties, ZIFs are considered as potential candidates in the manufacture of high performance molecular sieve membranes.

ZIF-7은, 그것의 기공 구조에 기인한 수소 분리의 잠재적 용도에 특별한 관심을 모으고 있다. ZIF-7 is of particular interest in the potential use of hydrogen separation due to its pore structure.

왜냐하면, ZIF-7은, 약 0.3㎚의 기공 크기를 가진 소달라이트 구조(sodalite structure; SOD)를 형성하면서, 아연 양이온와 벤즈이미다졸레이트 음이온(benzimidazolate (bim) anions)로 상호 연결되어 구성되는데, ZIF-7의 기공 크기는 수소 분자(H2 (0.29㎚ ) 와 이산화탄소(CO2 (0.33㎚))의 크기 범위의 사이에 있어, ZIF-7 분리막은, 분자체 효과를 통한 수소 분자와 이산화탄소의 높은 선택도를 달성할 수 있을 것으로 예상할 수 있기 때문이다. Because ZIF-7 is composed of zinc cations and benzimidazolate (bim) anions interconnected, forming a sodalite structure (SOD) with a pore size of about 0.3 nm, ZIF the pore size of -7 is molecular hydrogen (H 2 (0.29㎚) and carbon dioxide (in the range between the size of the CO 2 (0.33㎚)), ZIF -7 separator, minutes of high hydrogen and carbon dioxide molecules through the sieve effect It is expected that the degree of selectivity can be achieved.

MOF 분리막은 다양한 방법에 의해 제조될 수 있는데, 이에 대한 종래기술은, 비특허문헌 1을 참조하여 이해할 수 있는 바와 같이(이로써, 비특허문헌 1은, 본 발명 명세서 상의 종래기술 문헌으로서, 그 내용이 전부 합체된다), 크게 인시츄법(in situ method)과 이차 성장법(secondary (seeded) growth method)으로 대별될 수 있다.The MOF separation membrane can be manufactured by various methods. As can be understood from the non-patent reference 1, the prior art is related to the above-mentioned prior art document in the specification of the present invention, ), Large in-situ method ( in situ method) and secondary (seeded growth method).

인시츄법에 대한 종래의 기술은, 하기 비특허문헌 2 내지 3을 참조하여 이해할 수 있다. 이로써, 비특허문헌 2 내지 3은 본 발명 명세서 상의 종래기술 문헌으로서, 그 내용이 전부 합체된다. 비특허문헌 2 내지 3에서는, 디스크형 알루미나 서포트 상에 ZIF-7 및 ZIF-8 분리막을 인시츄법에 의해 각각 합성하였다.Conventional techniques for the in-situ method can be understood with reference to Non-Patent Documents 2 to 3 below. Thus, the non-patent documents 2 to 3 are the prior art documents in the specification of the present invention, and their contents are entirely incorporated. In Non-Patent Documents 2 and 3, ZIF-7 and ZIF-8 separation membranes were synthesized on an alumina support of disc type, respectively, by in-situ method.

이차 성장법에 대한 종래의 기술은, 하기 비특허문헌 4 내지 9를 참조하여 이해할 수 있다. 이로써, 비특허문헌 4 내지 9은, 본 발명 명세서 상의 종래기술 문헌으로서, 그 내용이 전부 합체된다. 이차 성장법은, ZIF-7 및 ZIF-8 분리막이 결함없고 균일한 구조를 보여줄지라도, 용매열 성장(solvothermal growth) 단계 이전에 통상적인 딥코팅(dip-coating) 등의 시딩(seeding) 단계가 요구되어, 낮은 재현성을 나타낼 수 있다.Conventional techniques for the secondary growth method can be understood with reference to Non-Patent Documents 4 to 9 below. Thus, Non-Patent Documents 4 to 9 are related art documents in the specification of the present invention, and their contents are all incorporated. The secondary growth method is a method in which a seeding step such as a conventional dip coating is performed before the solvent thermal growth step even though the ZIF-7 and ZIF-8 membranes show a defect-free and uniform structure And can exhibit low reproducibility.

M. Shah, M.C. McCarthy, S. Sachdeva, A.K. Lee, H.-K. Jeong, Current Status of Metal-Organic Framework Membranes for Gas Separations: Promises and Challenges, Ind. Eng. Chem. Res., 51 (2012) 2179-2199. M. Shah, M.C. McCarthy, S. Sachdeva, A.K. Lee, H.-K. Jeong, Current Status of Metal-Organic Framework Membranes for Gas Separations: Promises and Challenges, Ind. Eng. Chem. Res., 51 (2012) 2179-2199. S.-J. Noh, S.P. Yoon, J. Han, S. Park, J. Kim, Synthesis and characterization of ZIF-7 membranes by in situ method, Journal of Nanoscience and Nanotechnology, (2013) in press. S.-J. Noh, S.P. Yoon, J. Han, S. Park, J. Kim, Synthesis and characterization of ZIF-7 membranes by in situ method, Journal of Nanoscience and Nanotechnology, (2013) in press. M. Shah, H.T. Kwon, V. Tran, S. Sachdeva, H.-K. Jeong, One step in situ synthesis of supported zeolitic imidazolate framework ZIF-8 membranes: Role of sodium formate, Microporous and Mesoporous Materials, 165 (2013) 63-69. M. Shah, H.T. Kwon, V. Tran, S. Sachdeva, H.-K. Jeong, One step in situ synthesis of supported zeolitic imidazolate framework ZIF-8 membranes: Role of sodium formate, Microporous and Mesoporous Materials, 165 (2013) 63-69. Y. Li, F. Liang, H. Bux, W. Yang, J. Caro, Zeolitic imidazolate framework ZIF-7 based molecular sieve membrane for hydrogen separation, Journal of Membrane Science, 354 (2010) 48-54. Y. Li, F. Liang, H. Bux, W. Yang, J. Caro, Zeolitic imidazolate framework ZIF-7 based molecular sieve membrane for hydrogen separation, Journal of Membrane Science, 354 (2010) 48-54. Y.S. Li, H. Bux, A. Feldhoff, G.L. Li, W.S. Yang, J. Caro, Controllable synthesis of metal-organic frameworks: From MOF nanorods to oriented MOF membranes, Advanced Materials, 22 (2010) 3322-3326. Y.S. Li, H. Bux, A. Feldhoff, G.L. Li, W.S. Yang, J. Caro, Controllable synthesis of metal-organic frameworks: From MOF nanorods to oriented MOF membranes, Advanced Materials, 22 (2010) 3322-3326. Y.S. Li, F.Y. Liang, H. Bux, A. Feldhoff, W.S. Yang, J.  Y.S. Li, F.Y. Liang, H. Bux, A. Feldhoff, W.S. Yang, J. Caro, Molecular sieve membrane: supported metal-organic framework with high hydrogen selectivity, Angewandte Chemie, 122 (2010) 558-561.Caro, Molecular sieve membrane: supported metal-organic framework with high hydrogen selectivity, Angewandte Chemie, 122 (2010) 558-561. M.C. McCarthy, V. Varela-Guerrero, G.V. Barnett, H.-K. Jeong, Synthesis of zeolitic imidazolate framework films and membranes with controlled microstructures, Langmuir, 26 (2010) 14636-14641. M.C. McCarthy, V. Varela-Guerrero, G.V. Barnett, H.-K. Jeong, Synthesis of zeolitic imidazolate framework films and membranes with controlled microstructures, Langmuir, 26 (2010) 1463614641. H. Bux, A. Feldhoff, J. Cravillon, M. Wiebcke, Y.-S. Li, J. Caro, Oriented Zeolitic Imidazolate Framework-8 Membrane with Sharp H2/C3H8 Molecular Sieve Separation, Chemistry of Materials, 23 (2011) 2262-2269. H. Bux, A. Feldhoff, J. Cravillon, M. Wiebcke, Y.-S. Li, J. Caro, Oriented Zeolitic Imidazolate Framework-8 Membrane with Sharp H2 / C3H8 Molecular Sieve Separation, Chemistry of Materials, 23 (2011) 2262-2269. M.N. Shah, M.A. Gonzalez, M.C. McCarthy, H.-K. Jeong, An Unconventional Rapid Synthesis of High Performance Metal-Organic Framework Membranes, Langmuir, 29 (2013) 7896-7902. M.N. Shah, M.A. Gonzalez, M.C. McCarthy, H.-K. Jeong, An Unconventional Rapid Synthesis of High Performance Metal-Organic Framework Membranes, Langmuir, 29 (2013) 7896-7902.

종래의 인시튜법 및 이차 성장법 모두, 결합없고 균일한 MOF 필름 및 분리막을 얻기 위해서는, 적어도 수시간 이상이 요구된다.In order to obtain a MOF film and a separation membrane which are uniform and unbound, both of the conventional in-situ method and the secondary growth method are required to be at least several hours.

그러므로, 본 발명은, 상압에서 손쉽고, 상대적으로 짧은 시간 내에 결함없고 균일한 MOF 분리막을 제조할 수 있는 신규한 방법을 제시한다.Therefore, the present invention proposes a novel method capable of producing defect-free and uniform MOF membranes at normal pressure and in a relatively short time.

본 발명은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서,The present invention has been made to solve the problems of the prior art,

용매를 포함하는 하전된 전구체 미세 액적을 형성하고, 이를 분사하는 단계;Forming a charged precursor microdroplet comprising a solvent and injecting it;

상기 분사된 미세 액적이, 열구배 구역을 거치면서 이동하여 용매 일부를 증발시키는 단계; 및Moving the injected fine droplet through a thermal gradient zone to evaporate a portion of the solvent; And

상기 열구배 구역을 거쳐 이동된 미세 액적을 기재 상 표면에 안착 및 결정화 시키는 단계를 순차적으로 포함하되,And depositing and crystallizing the fine droplets transferred through the thermal gradient region on the surface of the substrate,

상기 기재 상 표면 온도는, 상기 용매의 비등점 이상인 것을 특징으로 하는 정전분무 증착에 의한 결정성 MOF 분리막 제조방법을 제공한다.Wherein the surface temperature of the substrate is not lower than the boiling point of the solvent. The present invention also provides a method for producing a crystalline MOF separation membrane by electrostatic spray deposition.

또한 본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 열구배가, 미세 액적 분사시점으로부터 기재 상 표면까지, 점차적으로 증가하는 2 내지 5℃/㎜ 범위 내의 선형 또는 비선형의 연속적인 구배인 것임을 특징으로 하는 MOF 분리막 제조방법을 제공한다.Further, in the production method of the present invention, it is preferable that the thermal diffusivity is a linear or non-linear continuous gradient within the range of 2 to 5 DEG C / mm gradually increasing from the time of fine droplet jetting to the surface of the substrate surface. ≪ / RTI >

또한 본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 용매는, DMF 및 메탄올을 포함하는 것임을 특징으로 하는 MOF 분리막 제조방법을 제공한다.Also, in the production method of the present invention, the solvent includes DMF and methanol.

또한 본 발명의 제조방법에 있어서, 하전된 미세 액적의 분사 형태는, 콘젯인 것을 특징으로 하는 MOF 분리막 제조방법을 제공한다.Further, in the production method of the present invention, the injection form of the charged fine droplets is a conjugate.

또한 본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 용매를 포함하는 하전된 전구체 미세 액적을 형성하고, 이를 분사하는 단계는, 전압이 인가된 금속 모세관을 통해 전구체 용액이 분사되는 것임을 특징으로 하는 MOF 분리막 제조방법을 제공한다.Also, in the manufacturing method of the present invention, the step of forming a charged precursor fine droplet including the solvent and spraying the precursor droplet may include spraying the precursor solution through the metal capillary to which the voltage is applied. .

또한 본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 금속 모세관은, 내경이 0.1 내지 1㎜ 범위 이내인 것을 특징으로 하는 MOF 분리막 제조방법을 제공한다.Further, in the manufacturing method of the present invention, the metal capillary has an inner diameter within a range of 0.1 to 1 mm.

또한 본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 금속 모세관에 인가된 전압은, 5 내지 12 kV 범위 이내인 것을 특징으로 하는 MOF 분리막 제조방법을 제공한다.Also, in the manufacturing method of the present invention, the voltage applied to the metal capillary is in the range of 5 to 12 kV.

또한 본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 분사된 미세 액적이, 열구배 구역을 거치면서 이동한 거리는 1 내지 10㎝인 것을 특징으로 하는 MOF 분리막 제조방법을 제공한다.Further, in the manufacturing method of the present invention, the distance that the injected fine droplet travels through the thermal gradient region is 1 to 10 cm.

또한 본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 미세 액적은, 0.5 내지 2 ㎖/h 범위 이내의 유속으로 분사되는 것을 특징으로 하는 MOF 분리막 제조방법을 제공한다.Also, in the production method of the present invention, the fine droplets are injected at a flow rate within a range of 0.5 to 2 ml / h.

또한 본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 기재는 다공성의 Al2O3, ZrO2, TiO2, 및 SiO2에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 MOF 분리막 제조방법을 제공한다.Further, in the production method of the present invention, the substrate is at least one selected from porous Al 2 O 3 , ZrO 2 , TiO 2 , and SiO 2 .

또한 본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 기재는, 용매가 DMF일 경우, 160 내지 200℃ 범위 이내로 가열되고, 용매가 메탄올 경우, 70 내지 80℃ 범위 이내로 가열된 것임을 특징으로 하는 MOF 분리막 제조방법을 제공한다.In the production method of the present invention, the substrate is heated to a temperature within the range of 160 to 200 ° C when the solvent is DMF and heated to within a range of 70 to 80 ° C when the solvent is methanol. to provide.

또한 본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 MOF 분리막은 ZIF-7 또는 ZIF-8 분리막인 것임을 특징으로 하는 MOF 분리막 제조방법을 제공한다.In the manufacturing method of the present invention, the MOF separation membrane is a ZIF-7 or ZIF-8 separation membrane.

또한, 본 발명의 제조방법으로 제조된 MOF 분리막을 제공한다.Also, a MOF separation membrane produced by the production method of the present invention is provided.

또한, 고전압이 인가되어, 용매를 포함하는 전구체를 분사하면서 정전기력 반발력에 의해 하전된 미세 액적을 형성하는 모세관; 및A capillary to which a high voltage is applied to form a charged droplet by electrostatic repulsive force while spraying a precursor comprising a solvent; And

상기 모세관에 인가된 전기와 반대 극성의 전기가 인가되어, 상기 하전된 미세 액적이 안착 및 분산되어 표면 상에 증착되는 기재를 포함하고,Wherein the charged fine droplet is deposited and deposited on the surface by applying electricity of an opposite polarity to electricity applied to the capillary,

상기 기재 상 표면 온도는, 상기 용매의 비등점 이상인 것을 특징으로 MOF 분리막 제조장치를 제공한다.And the surface temperature of the substrate is not lower than the boiling point of the solvent.

본 발명의 방법은, 정전기 하전을 통한 초미세 액적을 만들어 내는 정전기력 분무방법으로서, 정전분무의 특성상, 합성시간 및 전구체의 소비를 비약적으로 줄일 수 있으며, 공정이 단순할 뿐 아니라, 분리막의 두께 조절도 용이하다.The method of the present invention is an electrostatic spraying method for producing ultrafine droplets by charging static electricity. Due to the nature of electrostatic spraying, the synthesis time and the consumption of the precursor can be drastically reduced, and the process is simple, It is also easy.

도 1은, 본 발명의 제조방법을 위한 장치를 개략적으로 나타낸 그림이다.
도 2는, 1.5㎖/h의 공급유속 하에서의 인가된 전압에 따른 다양한 형태의 분무(분사) 형태를 나타낸 사진이다((a) 5~8 kV에서의 드립핑 형태, (b) 10~12 kV에서의 콘젯 형태, 13~15 kV에서의 멀티젯 형태).
도 3은, 다양한 온도 하에서의 정전분무 증착에 의한 ZIF-7 분리막의 SEM 이미지이다((a) 200℃, (b) 180℃, (c) 160℃).
도 4a는, 200℃, 180℃, 160℃에서의 ZIF-7 분리막의 XRD 패턴이다.
도 4b는, 70℃에서 합성된 ZIF-8 분리막의 XRD 패턴이다.
도 5a는, 전구체 용액의 다양한 용적량 하에서의 정전분무 증착에 의한 ZIF-7 분리막의 SEM 이미지이다((a) 0.2㎖, (b) 0.3㎖, (c) 0.5㎖).
도 5b는, 70℃에서 합성된 ZIF-8 분리막의 표면 및 단면 SEM 사진이다((a)는 표면 사진).
도 6은, 160℃에서 전구체 용액의 용적량과 ZIF-7 분리막의 두께의 관계를 나타낸 그래프이다.
1 is a schematic view showing an apparatus for a manufacturing method of the present invention.
FIG. 2 is a photograph showing various types of spray (spray) patterns according to the applied voltage under a supply flow rate of 1.5 ml / h ((a) dripping pattern at 5-8 kV, (b) In the form of multi-jet at 13-15 kV).
FIG. 3 is an SEM image of the ZIF-7 membrane obtained by electrostatic spray deposition under various temperatures ((a) 200 ° C., (b) 180 ° C., and (c) 160 ° C.).
4A is an XRD pattern of a ZIF-7 membrane at 200 DEG C, 180 DEG C, and 160 DEG C. Fig.
4B is an XRD pattern of a ZIF-8 membrane synthesized at 70 ° C.
Figure 5a is an SEM image of a ZIF-7 membrane (0.2 ml, (b) 0.3 ml, (c) 0.5 ml) by electrostatic spray deposition under various volumes of precursor solution.
FIG. 5B is a SEM photograph of the surface and cross section of the ZIF-8 membrane synthesized at 70 ° C. ((a) is a surface photograph).
6 is a graph showing the relationship between the volume of the precursor solution at 160 캜 and the thickness of the ZIF-7 separator.

본 발명은, 대한민국 교육과학기술부 산하 한국 국립연구재단의 기초 과학 연구 프로그램의 연구 성과물이다(2013R1A2A2A01014540).
The present invention is a research result of the basic research program of the Korean National Research Foundation under the Ministry of Education, Science and Technology of the Republic of Korea (2013R1A2A2A01014540).

본 발명의 명세서 용어 「MOF」는, 금속유기구조체(Metal organic frameworks: MOFs)의 약어로서, 제올라이트-이미다졸레이트 구조체(Zeolitic-imidazolate frameworks: ZIFs)를 포함한다.
The Specification The term "MOF" Acronym stands for Metal organic frameworks (MOFs) and includes zeolitic-imidazolate frameworks (ZIFs).

본 발명의 일측면은,According to an aspect of the present invention,

용매를 포함하는 하전된 전구체 미세 액적을 형성하고, 이를 분사하는 단계;Forming a charged precursor microdroplet comprising a solvent and injecting it;

상기 분사된 미세 액적이, 열구배 구역을 거치면서 이동하여 용매 일부를 증발시키는 단계; 및Moving the injected fine droplet through a thermal gradient zone to evaporate a portion of the solvent; And

상기 열구배 구역을 거쳐 이동된 미세 액적을 기재 상 표면에 안착 및 분산 시키는 단계를 순차적으로 포함하되,And depositing and dispersing the fine droplets transferred through the thermal gradient region on the surface of the substrate,

상기 기재 상 표면 온도는, 상기 용매의 비등점 이상인 것을 특징으로 하는 정전분무 증착에 의한 MOF 분리막 제조방법에 대한 것이다.And the surface temperature of the substrate is not lower than the boiling point of the solvent. The present invention also relates to a method for producing an MOF separation membrane by electrostatic spray deposition.

종래의 열용매에 기초한 인시츄법 및 이차성장법은, 결합없고 잘 상호성장(well-intergrown)한 결정성 MOF 층을 제조하기 위해서 폐쇄된 오토클레이브 안에서 적어도 수시간의 공정시간이 요구되었지만, 이와 대조적으로, 유사한 두께를 가진 MOF 분리막이, 대기압 하의 훨씬더 짧은 시간(< 20 min) 안에, 본 발명의 정전분무 증착 방법에 의해, 제조될 수 있다.Conventional heat-solvent-based in situ and secondary applications require at least several hours of process time in a closed autoclave to produce a well-intergrown, well-intergrown crystalline MOF layer, , MOF membranes with similar thicknesses can be produced by the electrostatic spray deposition method of the present invention within a much shorter time (< 20 min) under atmospheric pressure.

비록 MOF 결정들이, 본 발명의 분리막 증착의 온도와 같은 온도에서, 오토클레이브 속의 DMF(디메틸포름아미드(Dimethylformamide)) 상에서 열용매법에 의해 제조될 수 있을지라도, 결정을 생성하는데 있어서, 적어도 수시간 이상의 더 긴 제조시간을 요구하게 될 것이므로, 분리막에 대한 증착시간 크기가 10분 이하라는 사실로부터, 유추되는 것과 같이, 분리막 제조에 있어서, 주된 구동력은 열효과 보다는 증발이라고 추정된다.Although MOF crystals can be prepared by the thermal solvent method on DMF (Dimethylformamide) in an autoclave at a temperature equal to the temperature of the membrane deposition of the present invention, at least several hours , It is presumed that the main driving force is evaporation rather than the thermal effect, as in the case of separation membrane production, as is deduced from the fact that the deposition time magnitude for the separation membrane is 10 minutes or less.

증발 속도를 조절하면서, 연속적으로 MOF 분리막을 수득하는 공정의 핵심은, 기재 온도(증착 온도)의 최적화에 의해 달성되는 것인데, 이에 의해 결함없이 잘 상호성장한 미세구조를 가진 MOF 분리막의 형성된다.The key to the process of continuously obtaining a MOF separator while controlling the rate of evaporation is achieved by optimization of the substrate temperature (deposition temperature), thereby forming a MOF separator with well-mutually-grown microstructure without defects.

특히 본 발명에 있어서, 상기 용매는 DMF를 포함하는 것이므로, 이 경우 상기 기재는 160 내지 200℃ 범위 이내로 가열된 것이 바람직하다.In particular, in the present invention, the solvent includes DMF. In this case, the substrate is preferably heated to a temperature within the range of 160 to 200 ° C.

만약, 너무 높은 온도(>>Tb of DMF)의 경우, 정전분무된 액적의 용매 대부분이 기재 표면 상으로 이동되는 중에 증발해 버릴 것이므로, 연속적인 층을 형성하기 보다는 개별적 결정이 증착되어질 것이다. 이와 반대의 경우 (< Tb of DMF), 전구체 용액은 단순히 기재 표면을 적시고, 충분한 결정의 형성 없이 기재의 기공 내부로 스며들 것이다.If too high a temperature (> T b of DMF), most of the solvent of the electrostatically sprayed droplets will evaporate as it moves onto the substrate surface, so individual crystals will be deposited rather than forming a continuous layer. In the opposite case (&lt; Tb of DMF), the precursor solution will simply wet the substrate surface and penetrate into the pores of the substrate without forming sufficient crystals.

도 3은 다양한 온도에서의 증착된 분리막 최정상의 표면을 나타낸다. 180℃ 및 200℃에서 증착된 분리막은, ZIF-7(도 4)에 속한 것이 아닌 XRD 형태의 예외적인 회절 피크를 나타내면서, 예상된 것과 같이 개개의 결정으로 덮힌 불연속적인면을 나타낸다. 이것은, 높은 증착 온도에 의해 야기된 전구체 분해에 기인한 것으로 추정된다.Figure 3 shows the topmost surface of the deposited separator at various temperatures. The membranes deposited at 180 占 폚 and 200 占 폚 exhibit discontinuous planes covered with individual crystals as expected, exhibiting exceptional diffraction peaks in the form of XRD not belonging to ZIF-7 (Fig. 4). This is presumably due to the decomposition of the precursor caused by the high deposition temperature.

한편, 160℃에서 제조된 분리막은 연속적이며 결함없고 잘 상호성장한 결정 표면을 보여줄 뿐 아니라, XRD 결과에서 정확하게 ZIF-7의 결정상을 보여준다.On the other hand, the separator prepared at 160 ° C shows a continuous, defect-free and well-mutually grown crystal surface as well as a crystal phase of ZIF-7 accurately from XRD results.

즉, 상기 온도는, DMF의 끓는점(153℃)에 거의 가까운 것으로서, 액적의 증발 속도와 결정 생성 및 성장이 균형을 이루어 결함없는 연속적인 분리막의 형성을 가능케하는 것이다. That is, the temperature is close to the boiling point (153 ° C) of DMF, and the evaporation rate of the droplet is balanced with the crystal generation and growth, thereby enabling formation of a continuous separation membrane without defects.

이에 따라, 상기 열구배가, 미세 액적 분사시점으로부터 기재 상 표면까지, 점차적으로 증가하는 2 내지 5℃/㎜ 범위 내의 선형 또는 비선형의 연속적인 구배를 갖는 것이 바람직하다.Accordingly, it is preferable that the tear film has a linear or non-linear continuous gradient within the range of 2 to 5 占 폚 / mm, which gradually increases from the fine droplet jetting point to the surface of the substrate surface.

상기 하전된 미세 액적의 분사 형태는, 콘젯인 것이 바람직하다.The injection form of the charged fine droplets is preferably a convey jet.

유체 성질(예를들어, 용매의 전기 전도도, 유전상수, 점성) 및 다른 파라미터(예: 모세관에 인가된 전기적 포텐셜, 모세관의 기하학적 구조, 용액의 유속)에 따라, 다양한 분무 형태가 얻어질 수 있는데, 크게 드립핑(dripping), 콘젯(cone-jet), 및 멀티젯(multi-jet)형태로 분류될 수 있다.Depending on the fluid properties (e.g. electrical conductivity of the solvent, dielectric constant, viscosity) and other parameters (e.g. electrical potential applied to the capillary, geometry of the capillary, flow rate of the solution) , Largely dripping, cone-jet, and multi-jet types.

이러한 형태들 중, 상기 콘젯 형태는 다른 형태들에 비해 균일하고 원형의 증착 면적을 형성하는 것에 의해 기재 상 표면을 완전하게 커버할 수 있기 때문에, 코팅 목적에 더 선호되고 있다. 상기 언급한 것과 같이 분사 형태에 영향을 주는 변수가 너무 많이 존재하기 때문에, 유체의 물성(용매 및 전구체의 농도), 모세관의 면적을 고정하여 최적화 공정을 단순화하고, 최종 콘젯 형태는 모세관 상의 전기적 포텐셜(전압) 5~15kV, 및 상기 전구체 유속은 0.5~2mL/h로 조절하는 것에 의해 얻어질 수 있다.Of these forms, the condet form is preferred for coating purposes because it can completely cover the surface of the substrate by forming a uniform and circular deposition area compared to other forms. As mentioned above, since there are too many variables affecting the spray shape, the optimization process is simplified by fixing the properties of the fluid (concentration of the solvent and the precursor) and the area of the capillary, and the final conduction type is the electrical potential (Voltage) of 5 to 15 kV, and the precursor flow rate of 0.5 to 2 mL / h.

도 2는, 다양한 조작 조건에서 얻어진 분사 형태의 관찰된 사진을 나타낸 것이다. 즉, 주어진 유속에 대해서, 상기 형태는 전압을 증가시킴에 따라, 드립핑, 콧젯, 및 멀티젯 형태의 순으로 점진적으로 변화되어진다.Figure 2 shows an observed photograph of the spray pattern obtained under various operating conditions. That is, for a given flow rate, the shape is gradually changed in the order of dripping, cusp, and multi-jet as the voltage is increased.

또한, 고정된 전압에 대해서, 드리핑 형태는 주로 낮은 유속에서 관찰되어 지고, 반면에 멀젯 형태는 높은 유속에 발생되어진다. 결국, 본 출원의 발명자들은, 유속 및 전압의 다양한 조합을 수차례 시험하여, 안정적인 콘젯 형태를 형성하는 최적의 조건은 공급 속도 1.5 mL/h , 및 전압 12kV인 것임을 알아내었다.Also, for a fixed voltage, the shape of the droplet is mainly observed at low flow rates, while the shape of the mullet is generated at high flow rates. As a result, the inventors of the present application have found that various combinations of flow rates and voltages are tested several times to find that the optimum conditions for forming a stable conduction type are a supply rate of 1.5 mL / h and a voltage of 12 kV.

본 발명의 제조방법은, MOF 분리막 두께 조절함에 있어서, 단순히 정전분무 용적량을 증가시키는 것에 의해 두께를 손쉽게 조절할 수 있다. 예를 들어, 정전분무 용적량을 0.2㎖에서 0.5㎖로 증가시킴에 따라, MOF 분리막의 두께는 선형적으로 4㎛에서 22㎛로 증가시킬 수 있다.
The manufacturing method of the present invention can easily adjust the thickness of the MOF separator by adjusting the thickness of the MOF membrane by simply increasing the electrostatic spray volume. For example, by increasing the electrostatic spray volume from 0.2 ml to 0.5 ml, the thickness of the MOF separator can be increased linearly from 4 to 22 占 퐉.

본 발명의 다른 측면은, According to another aspect of the present invention,

상술한 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 MOF 분리막이다.And is a MOF separation membrane produced by the manufacturing method of the present invention described above.

본 발명의 분리막은 종래의 인시츄법에 의해 제조된 것과 비교하여, 특별한 미세구조를 가진다.The separator of the present invention has a special microstructure as compared with that produced by the conventional in situ process.

도 5는, 전구체 용액의 정전분무된 용적양 변경에 의한 160℃에서 증착된 ZIF-7 분리막의 단면을 나타낸 것이다.Figure 5 shows a cross section of a ZIF-7 membrane deposited at 160 캜 by electrostatic sprayed volume change of the precursor solution.

본 발명의 분리막은 불분명한 파셋(facet)을 가진 작은 알갱이로 구성되는데, 그것은 아마도 빠른 형성 속도에 의한 동역학적으로 동결 상태인 것으로 보인다.The separator of the present invention is composed of small grains with an unclear facet, which probably appears to be dynamically freeze due to the rapid formation rate.

또 다른 본 발명 분리막의 구별되는 특징은, 도 5에서 ZIF-7 분리막의 단면과 같이, 기재 내부 MOF 결정의 실질적 성장이다.Another distinguishing feature of the inventive separator is the substantial growth of MOF crystals within the substrate, such as the cross section of the ZIF-7 separator in Fig.

본 발명의 방법에 의해 분사된 액적은 여전히 액적 안에 용매를 포함하고 있으므로, 분사된 액적은 기재 상에서 충돌 한 후 침투되는데, 이것은 기재 상의 층 형성 범위에 도움을 준다(침투효과로 인해, 도 6에 나타낸 것과 같이 나머지 단계의 경우와 비교하여, 분리막 두께는 증착 초기 단계에서부터 정전분무 용적이 0.2㎖에 이르기까지는 다소 천천히 증가하지만, 일단, 알루미나 기재의 보이드(void)가 결정으로 채워지면, 분리막 두께는 증착 시간 함수로서 비례적으로 증가한다).Since the droplet ejected by the method of the present invention still contains the solvent in the droplet, the ejected droplet is impinged after impacting on the substrate, which aids in the layer formation range on the substrate (due to the penetration effect, As shown, the membrane thickness increases somewhat slowly from the initial stage of deposition until the electrostatic spray volume reaches 0.2 ml, but once the alumina-based voids are filled with crystals, the membrane thickness Increasing proportionally as a function of deposition time).

또한, 기재의 내부에서 성장된 분리막의 부분은, 감소된 유효 분리 영역에 기인한 기체 플럭스(flux)의 희생에도 불구하고, 분리막의 우수한 기계적 강도를 달성하는데 이롭다.Also, the portion of the separation membrane grown inside the substrate is beneficial in achieving excellent mechanical strength of the separation membrane, despite the sacrifice of gas flux due to the reduced effective separation area.

나아가, 최적화된 조건 아래서의 분리막은 주목할만한 H2 투과도의 향상을 나타낸다(종래의 알려진 ZIF-7 분리막에 비해 거의 3~20배 더 높은 값이다). 그것은, ZIF-7 분리막의 증착 동안 동시 활성화 단계를 야기하는, DMF의 일반적인 비등점 보다 높은 160℃의 증착온도의 덕분인 것으로 여겨진다. 이에 대한 보다 구체적인 내용은 후술할 실시예 및 실험예를 참조하여 이해할 수 있을 것이다.
Furthermore, the membranes under the optimized conditions exhibit a remarkable improvement in H 2 permeability (approximately 3 to 20 times higher than conventional known ZIF-7 membranes). It is believed that this is due to the deposition temperature of 160 [deg.] C above the general boiling point of DMF, which leads to a simultaneous activation step during the deposition of the ZIF-7 separator. More specific details thereof will be understood with reference to the following Examples and Experimental Examples.

본 발명의 또 다른 측면은,According to another aspect of the present invention,

전기가 인가되어 용매를 포함하는 전구체를 분사하면서 정전기력 반발력에 의해 하전된 미세 액적을 형성는 모세관; 및A capillary to which electricity is applied to form a charged droplet by electrostatic repulsive force while spraying a precursor comprising a solvent; And

상기 모세관에 인가된 전기와 반대 극성의 전기가 인가되어, 상기 하전된 미세 액적이 안착 및 분산되어 표면 상에 증착되는 기재를 포함하고,Wherein the charged fine droplet is deposited and deposited on the surface by applying electricity of an opposite polarity to electricity applied to the capillary,

상기 기재 상 표면 온도는, 상기 용매의 비등점 이상인 것을 특징으로 MOF 분리막 제조장치에 대한 것이다.
And the surface temperature of the substrate is not less than the boiling point of the solvent.

이하, 본 발명에 대하여 실시예를 들어 보다 상세히 설명한다. 이하의 실시예는 본 발명의 상세한 설명을 위한 것일 뿐이므로, 이에 의해 권리범위를 제한하려는 의도가 아님을 분명히 해둔다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. It is to be understood that the following embodiments are for the purpose of illustration only and are not intended to limit the scope of the present invention.

실시예Example

실시예Example 1 -  One - ZIFZIF -7 분리막의 제조-7 Preparation of Membrane

[전구체 용액의 제조][Preparation of Precursor Solution]

질산 아연 수화물(Zn(NO3)H2O) , 98% Sigma-Aldrich) 6.12g을 디메틸포름아미드(HCON(CH3)2, 99.8%, Sigma-Aldrich; DMF) 80㎖에 30분 동안 교반하여 녹였다.6.12 g of zinc nitrate hydrate (Zn (NO 3 ) 2 .H 2 O), 98% Sigma-Aldrich) was added to 80 ml of dimethylformamide (HCON (CH 3 ) 2 , 99.8%, Sigma-Aldrich; DMF) Lt; / RTI &gt;

이와 동시에, 소디움 포르메이트 (HCOONa, 99%, Sigma-Aldrich) 0.6g 및 벤즈이미다졸(C7H6N2, 98%, Sigma-Aldrich)을 디메틸포름아미드(HCON(CH3)2, 99.8%, Sigma-Aldrich; DMF) 80㎖에 30분 동안 교반하여 녹였다.At the same time, sodium formate (HCOONa, 99%, Sigma- Aldrich) 0.6g and benzimidazole (C 7 H 6 N 2, 98%, Sigma-Aldrich) in dimethylformamide (HCON (CH 3) 2, 99.8 %, Sigma-Aldrich; DMF) for 30 minutes.

상기 제조된 2가지 용액을 30분 섞은 후에, 상기 혼합 용액을 정전분무 증착용 전구체 용액으로 준비하였다.After the two solutions prepared above were mixed for 30 minutes, the mixed solution was prepared as an electrostatic atomization precursor solution.

상기 혼합용액은 , 실험 기간 동안 결정 형성 없이 투명한 상태를 유지하였으며, 최종 전구체 용액의 몰비는 Zn2 +/bim/sodium formate/DMF = 1:1.33:0.5:101이였다.The molar ratio of the final precursor solution was Zn 2 + / bim / sodium formate / DMF = 1: 1.33: 0.5: 101.

[정전분무 증착][Electrostatic spray deposition]

도 1은, 본 발명의 제조방법을 위한 장치를 개략적으로 나타낸 그림이다.1 is a schematic view showing an apparatus for a manufacturing method of the present invention.

정전분무 증착 시작에 앞서, α-알루미나 기재(지름: 20 mm, 두께: 2 mm, 평균기공지름: 0.12 ㎛, 기공도: 40%)를, 설정된 온도인 160 내지 200℃ 범위로 가열하였다.Alumina substrate (diameter: 20 mm, thickness: 2 mm, average pore diameter: 0.12 m, porosity: 40%) was heated to a set temperature in the range of 160 to 200 占 폚 prior to the start of electrostatic spray deposition.

상기 전구체 용액을, 시린지 펌프에 의해 유속 0.5 내지 2 mL/h로, 높은 전기적 포텐셜이 인가된 금속 모세관 (22G, internal diameter = 0.413 mm)을 통해 공급하였다.The precursor solution was supplied at a flow rate of 0.5 to 2 mL / h by a syringe pump through a metal capillary (22G, internal diameter = 0.413 mm) to which a high electrical potential was applied.

모세관에 인가된 전압은 5 내지 12kV로 가변되었다.The voltage applied to the capillary was varied from 5 to 12 kV.

상기 분무면적이 상기 기재 표면을 완전하게 덮을 수 있도록 하기 위해, 상기 모세관 팁과 상기 기재 사이의 거리는 약 4㎝로 하였다.The distance between the capillary tip and the substrate was about 4 cm to allow the spray area to completely cover the substrate surface.

전구체 용액의 스프레이된 용적량은 분리막의 두께에 따라, 0.05 내지 0.5㎖ 범위 사이로 가변되었다.The sprayed volume of the precursor solution varied between 0.05 and 0.5 ml depending on the thickness of the separator.

증작 후에, 분리막은, 상기 α-알루미나 기재와 상기 ZIF-7 분리막 사이의 열팽창계수의 차이에 기인한 크랙을 형성시키는 열 스트레스를 줄이기 위해, 1℃/min의 냉각속도로 실온까지 냉각되었다. After the raising, the separator was cooled to room temperature at a cooling rate of 1 占 폚 / min in order to reduce the thermal stress that would form a crack due to the difference in thermal expansion coefficient between the a-alumina substrate and the ZIF-7 separator.

상기 제조된 ZIF-7 분리막은, ZIF-7 구조체의 기공 내부에 갇혀 있는 벌크한 DMF 분자를 제거하기 위한 용매 치환에 의해 활성화되었다. 상기 ZIF-7 분리막은 메탄올에 1시간 동안 침지되었다. 이후, 45℃ 포화 조건 하에서 밤새 천천히 건조되었다.
The ZIF-7 membrane prepared above was activated by solvent substitution to remove bulk DMF molecules trapped inside the pores of the ZIF-7 structure. The ZIF-7 membrane was immersed in methanol for 1 hour. Thereafter, it was slowly dried overnight at 45 캜 under saturated conditions.

실시예Example 2 -  2 - ZIFZIF -8 분리막의 제조-8 Preparation of Membrane

[전구체 용액의 제조][Preparation of Precursor Solution]

0.60 g 의 zinc nitrate hexahydrate (ZnNO3·6H2O, 98%, Sigma-Aldrich)를 10 mL의 메탄올에 녹인 용액과 0.24 g 의 2-methylimidazole (C4H6N2 , 99%, Sigma-Aldrich)과 0.136 g 의 sodium formate (HCOONa, 99%, Sigma-Aldrich)를 10 mL의 메탄올에 녹인 용액을 각각 30분 동안 상온에서 교반시킨다. 그후, 두 용액을 섞어 20분 동안 교반하여 정전분무를 위한 전구체 용액을 제조하였다.A solution of 0.60 g of zinc nitrate hexahydrate (ZnNO 3 .6H 2 O, 98%, Sigma-Aldrich) in 10 mL of methanol and 0.24 g of 2-methylimidazole (C 4 H 6 N 2 , 99%, Sigma-Aldrich ) And 0.136 g of sodium formate (HCOONa, 99%, Sigma-Aldrich) in 10 mL of methanol are stirred for 30 minutes at room temperature. The two solutions were then mixed and stirred for 20 minutes to prepare a precursor solution for electrostatic spraying.

[정전분무 증착][Electrostatic spray deposition]

전구체 용액은 실린지펌프를 사용하여 0.7 mL/h의 유량으로 노즐로 주입하고, 노즐에 인가된 전압은 8 kV이였고, 노즐팁과 지지체 사이의 거리는 2 cm로 유지하며, 기재는 다공성 알루미나를 사용하였고, 상기 기재는 약 70?로 가열한 것을 제외하고는, 기본적으로 실시예 1과 같은 방법으로 정전분무 증착을 수행하여 ZIF-8 분리막을 합성하였다.
The precursor solution was injected into the nozzle at a flow rate of 0.7 mL / h using a syringe pump. The voltage applied to the nozzle was 8 kV. The distance between the nozzle tip and the support was maintained at 2 cm. The substrate was porous alumina And ZIF-8 membranes were synthesized by performing electrostatic spray deposition basically in the same manner as in Example 1, except that the substrate was heated to about 70 ° C.

실험예Experimental Example - 분리막 물성 평가 - Evaluation of membrane property

상기 실시예 1, 및 2에서 제작된 ZIF-7, ZIF-8 분리막은 XRD, FE-SEM, 및 단일 가스 투과법(single gas permeation tests)에 의해 특성을 평가하였다.
The ZIF-7 and ZIF-8 membranes prepared in Examples 1 and 2 were characterized by XRD, FE-SEM, and single gas permeation tests.

결정상 확인Crystalline identification

결정상을 확인하기 위해, XRD (M18XHF-SRA, Mac Science, Japan)를 사용하여 확인하였다. 결과는 도 4a, 및 도 4b와 같았다.
To confirm the crystal phase, XRD (M18XHF-SRA, Mac Science, Japan). The results were as shown in Figs. 4A and 4B.

분리막 형태 및 두께 측정Membrane shape and thickness measurement

실시예 1에서 제조된 ZIF-7 분리막의 형태 및 두께는, 필드 방사 주사형 전자 현미경(Leo-Supra 55, Carl Zeiss STM, Germany)을 사용하여 관찰하었다. 결과는 도 5a와 같았다.The shape and thickness of the ZIF-7 membrane prepared in Example 1 were observed using a field emission scanning electron microscope (Leo-Supra 55, Carl Zeiss STM, Germany). The result was as shown in Fig.

한편, 실시예 2에서 제작된 ZIF-8 분리막의 표면 및 단면은, 도 5b에 나타낸 SEM 사진과 같았다.
On the other hand, the surface and the cross-section of the ZIF-8 membrane prepared in Example 2 were as shown in the SEM photograph shown in Fig. 5B.

분리막 기체 투과도 측정Measurement of membrane gas permeability

분리막을 통과하는 기체 투과도는, 직접 제작한 25, 50, 및 75℃의 단일 가스 투과법을 사용하여 측정하였다. The gas permeability through the separator was measured using a single gas permeation method of 25, 50, and 75 ° C that were directly manufactured.

상기 가스 흐름은 비눗방울 유량계(soap-bubble flowmeter)를 사용하여 측정하였다.The gas flow was measured using a soap-bubble flowmeter.

입구측 압력은 17 psia이고 출구측 압력은 대기압 즉, 14.6 psia였다.The inlet pressure was 17 psia and the outlet pressure was atmospheric, or 14.6 psia.

상기 분리막의 가스 i 투과도(permeance) Fi는 아래 수학식 1 같이 정의된다.The gas i permeance F i of the separation membrane is defined by the following equation (1).

Figure 112014009803111-pat00001
Figure 112014009803111-pat00001

여기서 Ni는 가스 i의 몰 유속 (mol/s), △Pi는 가스 i의 분리막 통과 압력 차이이고, A는 분리막의 단면적(㎡)이다. 이상선택도는 H2 및 CO2 단일 가스 투과도의 비율로서 계산되었다.Where Ni is the molar flow rate of the gas i (mol / s), Pi is the separation membrane permeation pressure difference of gas i, and A is the separation membrane area (m 2). The ideal selectivity was calculated as the ratio of H 2 and CO 2 single gas permeability.

결과는 하기 표 1과 같았다. 하기 표 1은 실시예의 분리막과 다른 ZIF-7 분리막을 비교한 H2 투과도 및 H2/CO2 이상선택도 성능을 나타낸다.The results are shown in Table 1 below. Table 1 below shows the H 2 permeability and selectivity performance over H 2 / CO 2 comparing the membrane of the example with the other ZIF-7 membrane.

Figure 112014009803111-pat00002
Figure 112014009803111-pat00002

상기 표 1에서 확인할 수 있듯이, 실시예의 분리막은, 매우 많이 증가된 1.34X10-6 mol/m2·s·Pa(25℃) H2 투과도를 가진 9.5의 H2/CO2 이상선택도(Knudsen separation factor of H2/CO2, 4.7)를 나타냈다. 이것은 H2의 운동 지름(kinetic diameter) 0.29㎚와 CO2의 운동 지름(kinetic diameter) 0.33㎚ 사이에 위치한 ZIF-7의 기공 크기 0.3㎚에 의한 분자체 효과의 결과이다.As can be seen from Table 1, the embodiment of the separation membrane is a very much increased 1.34X10 -6 mol / m 2 · s · Pa (25 ℃) Fig (Knudsen or more H 2 / CO 2 of 9.5, selection with H 2 permeability separation factor of H 2 / CO 2 , 4.7). This is a result of the molecular sieve effect by the pore size of 0.3 nm of ZIF-7 located between the kinetic diameter of H 2 of 0.29 nm and the kinetic diameter of CO 2 of 0.33 nm.

분리 실험 동안, 상기 2개의 가스 분자 사이의 명확한 경계는, 선행 문헌에 기 보고된 바와 같이, ZIF 구조체의 유연성(대부분 아마도 리간드의 플립 운동) 때문에, 아마도, 관찰되지 않은 것 같다.
During the separation experiment, the clear boundary between the two gas molecules seems to have probably not been observed, probably due to the flexibility of the ZIF structure (most probably the flip movement of the ligand), as reported previously in the prior art.

한편, 실시예 2에서 제조된 ZIF-8 분리막의 투과도 및 H2/CO2 이상선택도는 하기 표 2와 같았다.The permeability and the selectivity over H 2 / CO 2 of the ZIF-8 membrane prepared in Example 2 were as shown in Table 2 below.

Figure 112014009803111-pat00003
Figure 112014009803111-pat00003

이상에서 설명한 바와 같이, 정전분무에 의해, 결함없고 잘 상호 성장한 결정성 MOF 분리막을 다공성 α-알루미나 기재상에, 상압 하에서 손쉽고 시간효율적인 방식으로 제조할 수 있다.As described above, by the electrostatic spraying, a defect-free and well-grown crystalline MOF separator can be produced on porous a-alumina substrate in a simple and time-efficient manner under normal pressure.

MOF 분리막(ZIF-7의 경우)의 두께는, 0.05 내지 0.5㎖로 정전분무되는 전구체 용액의 양을 조절하는 것에 의해, 각각, 2 내지 22㎛로 조절될 수 있었다.The thickness of the MOF separator (in the case of ZIF-7) could be adjusted to 2 to 22 탆, respectively, by adjusting the amount of the precursor solution to be electrostatically sprayed to 0.05 to 0.5 ml.

특히, MOF 분리막(ZIF-7의 경우)은, 매우 많이 증가된 1.34X10-6 mol/㎡· s·Pa(25℃) H2 투과도를 가진 9.5의 H2/CO2 이상선택도(Knudsen separation factor of H2/CO2, 4.7)를 나타냈다. 이것은 종래의 ZIF-7 분리막에 비해 거의 3~30배 높은 수치이다.In particular, the MOF separator (in the case of ZIF-7) has a very high H 2 / CO 2 selectivity of more than 9.5 with a 1.34 × 10 -6 mol / m 2 · s · Pa (25 ° C.) H 2 permeability factor of H 2 / CO 2 , 4.7). This is almost 3 to 30 times higher than conventional ZIF-7 membranes.

제조시간 및 전구체 소비의 비약적 감소, 활성화 공정의 단순화, 잠재적인 확장성과 같은 특별한 성질을 고려하면, 본 발명은 ZIF 분리막의 상업적 응용에 대한 특별한 기회들을 제공하는 것이다.
Considering particular properties, such as the dramatic reduction of production time and precursor consumption, simplification of the activation process, and potential expansion, the present invention provides specific opportunities for commercial applications of ZIF separators.

Claims (14)

용매를 포함하는 하전된 전구체 미세 액적을 형성하고, 이를 분사하는 단계;
상기 분사된 미세 액적이, 열구배 구역을 거치면서 이동하여 용매 일부를 증발시키는 단계; 및
상기 열구배 구역을 거쳐 이동된 미세 액적을 기재 상 표면에 안착 및 결정화 시켜 MOF 분리막을 형성하는 단계를 순차적으로 포함하되,
상기 기재 상 표면 온도는, 상기 용매의 비등점에 의해 결정되며, 상기 용매가 DMF일 경우, 160 내지 200℃ 범위 이내로 가열되고, 용매가 메탄올 경우, 70 내지 80℃ 범위 이내로 가열되며,
상기 MOF 분리막은 ZIF-7 또는 ZIF-8 분리막인 것임을 특징으로 하는 MOF 분리막 제조방법.
Forming a charged precursor microdroplet comprising a solvent and injecting it;
Moving the injected fine droplet through a thermal gradient zone to evaporate a portion of the solvent; And
Depositing and crystallizing the fine droplets transferred through the thermal gradient region on the substrate surface to form a MOF separation membrane,
The surface temperature of the substrate is determined by the boiling point of the solvent. When the solvent is DMF, it is heated to a temperature within the range of 160 to 200 ° C. When the solvent is methanol,
Wherein the MOF separation membrane is a ZIF-7 or ZIF-8 separation membrane.
청구항 1에 있어서, 상기 열구배가, 미세 액적 분사시점으로부터 기재 상 표면까지, 점차적으로 증가하는 2 내지 5℃/㎜ 범위 내의 선형 또는 비선형의 연속적인 구배인 것임을 특징으로 하는 MOF 분리막 제조방법.The method according to claim 1, wherein the tropospheric line is a linear or non-linear continuous gradient within a range of 2 to 5 占 폚 / mm gradually increasing from the time of fine droplet jetting to the surface of the substrate. 청구항 1에 있어서, 상기 용매는, DMF 및 메탄올을 포함하는 것임을 특징으로 하는 MOF 분리막 제조방법.The method according to claim 1, wherein the solvent comprises DMF and methanol. 청구항 1에 있어서, 하전된 미세 액적의 분사 형태는, 콘젯인 것을 특징으로 하는 MOF 분리막 제조방법.The method for producing a MOF separation membrane according to claim 1, wherein the injection form of the charged fine droplets is a condensate. 청구항 1에 있어서, 상기 용매를 포함하는 하전된 전구체 미세 액적을 형성하고, 이를 분사하는 단계는, 전압이 인가된 금속 모세관을 통해 전구체 용액이 분사되는 것임을 특징으로 하는 MOF 분리막 제조방법.The method of claim 1, wherein forming the charged precursor microdroplets comprising the solvent and spraying the precursor microdroplets comprises spraying a precursor solution through the metal capillary to which the voltage is applied. 청구항 5에 있어서, 상기 금속 모세관은, 내경이 0.1 내지 1㎜ 범위 이내인 것을 특징으로 하는 MOF 분리막 제조방법.[6] The method according to claim 5, wherein the metal capillary has an inner diameter within a range of 0.1 to 1 mm. 청구항 5에 있어서, 상기 금속 모세관에 인가된 전압은, 5 내지 12 kV 범위 이내인 것을 특징으로 하는 MOF 분리막 제조방법.The method of claim 5, wherein the voltage applied to the metal capillary is in the range of 5 to 12 kV. 청구항 1에 있어서, 상기 분사된 미세 액적이, 열구배 구역을 거치면서 이동한 거리는 1 내지 10㎝인 것을 특징으로 하는 MOF 분리막 제조방법.[2] The method of claim 1, wherein the injected fine droplets travel through the heat gradient zone at a distance of 1 to 10 cm. 청구항 1에 있어서, 상기 미세 액적은, 0.5 내지 2 ㎖/h 범위 이내의 유속으로 분사되는 것을 특징으로 하는 MOF 분리막 제조방법.The method according to claim 1, wherein the fine droplets are injected at a flow rate within a range of 0.5 to 2 ml / h. 청구항 1에 있어서, 상기 기재는 다공성의 Al2O3, ZrO2, TiO2, 및 SiO2에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 MOF 분리막 제조방법.The method according to claim 1, wherein the substrate is at least one selected from porous Al 2 O 3 , ZrO 2 , TiO 2 , and SiO 2 . 삭제delete 삭제delete 청구항 1의 방법으로 제조된 MOF 분리막.A MOF membrane produced by the method of claim 1. 전기가 인가되어 용매를 포함하는 전구체를 분사하면서 정전기력 반발력에 의해 하전된 미세 액적을 형성하는 모세관; 및
상기 모세관에 인가된 전기와 반대 극성의 전기가 인가되어, 상기 하전된 미세 액적이 안착 및 분산되어 표면 상에 MOF 분리막이 형성되도록 하는 기재를 포함하고,
상기 기재 상 표면 온도는, 상기 용매의 비등점에 의해 결정되며, 상기 용매가 DMF일 경우, 160 내지 200℃ 범위 이내로 가열되고, 용매가 메탄올 경우, 70 내지 80℃ 범위 이내로 가열되며,
상기 MOF 분리막은 ZIF-7 또는 ZIF-8 분리막인 것을 특징으로 MOF 분리막 제조장치.
A capillary to which electricity is applied to form a charged droplet by electrostatic repulsive force while spraying a precursor comprising a solvent; And
And a substrate to which an electric charge of an opposite polarity to electricity applied to the capillary is applied to cause the charged fine droplet to be deposited and dispersed to form a MOF separator on the surface,
The surface temperature of the substrate is determined by the boiling point of the solvent. When the solvent is DMF, it is heated to a temperature within the range of 160 to 200 ° C. When the solvent is methanol,
Wherein the MOF separation membrane is a ZIF-7 or ZIF-8 separation membrane.
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