KR101596120B1 - Porous organic-inorganic composite and fabricating method thereof - Google Patents
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Abstract
아민 말단기를 구비한 알콕시실란 화합물과 실리카 전구체 사이의 가교 결합 구조로 이루어진 골격; 및 상기 알콕시실란 화합물에 의하여 아민기가 도입된 미세 기공을 포함하되, 상기 가교 결합 구조는 상기 알콕시실란과 상기 실리카 전구체가 -Si-O- 결합에 의해 서로 연결되어 형성되는 입체구조인 다공성 유무기 복합체가 제공된다.A skeleton having a cross-linking structure between an alkoxysilane compound having an amine terminal group and a silica precursor; And a microporous structure into which an amine group is introduced by the alkoxysilane compound, wherein the cross-linking structure is a structure in which the alkoxysilane and the silica precursor are connected to each other by -Si-O- Is provided.
Description
본 발명은 유기물과 무기물로 이루어진 다공성 복합체 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 지구온난화에 가장 큰 영향을 주고 있는 온실가스인 이산화탄소 분리 방법 중 흡착과 흡수과정을 이용하는 흡착제로 사용이 가능하고, 질소화합물 및 황화합물, 다양한 휘발성 유기화합물, 불화가스인 PFC 등과 같은 다양한 가스상 물질을 흡착 제어할 수 있으며, 액상에 함유된 중금속 등에 대한 흡착 제어를 할 수 있는 성능을 지닌 다공성 유무기 복합체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a porous composite comprising an organic material and an inorganic material and a method of manufacturing the porous composite material. More particularly, the present invention can be used as an adsorbent for adsorbing and absorbing the carbon dioxide separation method, which is the greenhouse gas having the greatest effect on global warming , Porous organic-inorganic hybrid materials capable of adsorbing and controlling various gas-phase materials such as nitrogen compounds and sulfur compounds, various volatile organic compounds, PFC as a fluorine gas, and the like, capable of controlling adsorption to heavy metals contained in a liquid phase, ≪ / RTI >
최근 이산화탄소의 저감 및 처리를 위하여 제시된 방법에는 연소 후 분리과정으로는 흡수법, 흡착법, 막분리법이 제시되고 있으며, 연소전 분리과정으로는 탈탄소법이 있다.Recent methods for the reduction and treatment of carbon dioxide include absorption, adsorption, and membrane separation as post-combustion separation processes, and decarbonization is a pre-combustion separation process.
연소 후 분리과정에서 현재 상용화가 시도되고 있는 흡수법은 액상의 아민계 흡수제를 이용하여 이산화탄소를 흡수하여 분리하고 아민과 화학 결합된 이산화탄소를 열을 가하여 탈착하여 고농도로 분리하는 방법이다. 이때 아민계 흡수제는 물과 함께 사용되며, 이산화탄소의 용액내 물질전달이 율속단계로 작용한다. 또한 이산화탄소가 흡수된 용액의 분리과정에서 많은 양의 에너지가 필요하며, 사용된 아민의 산화에 따른 부가적 정제과정이 필수적으로 요구된다. 따라서 공정이 매우 복잡하여지므로 설비 및 설비비가 기존의 제시된 이산화탄소의 분리방법 중에 가장 높다고 할 수 있다. 따라서 대용량의 발생원에서의 분리에서는 유리하나 소규모의 발생원에 적용은 어렵다. 또한 고온 건식 흡수제를 사용하는 방법(대한민국 특허 10-060209)의 경우 이산화탄소와 건식흡수제의 분리공정에서 고농도의 이산화탄소를 직접 얻을 수 있다는 장점이 있으나, 조업온도가 매우 높으며, 건식흡수제의 반복적인 흡수, 재생에 따른 구조체의 붕괴에 의한 손실이 큰 단점을 지니고 있다. 또한 막분리법의 경우 현재 제조되는 분리막 가격이 매우 높으며, 연소가스의 정제를 위한 전처리장치의 설비비가 매우 높으며, 분리막의 오염에 의한 교체 및 정제를 위한 비용이 매우 크다. 다양한 기상물질을 대상으로한 흡착법의 경우 현재 사용되는 방법은 압력변화와 온도변화를 이용하는 방법이 주를 이루고 있으며, 압력과 온도의 변화를 동시에 주어 분리공정을 운전하기도 한다. 이때 사용되는 흡착제로는 제올라이트분자체 또는 활성탄, 탄소분자체 및 칼륨계가 주를 이룬다. 제올라이트분자체의 경우 흡착효율은 높으나 연소가스에 함유된 타 성분에 의한 오염에 의한 문제를 발생시키고 탈착온도가 상대적으로 높은 문제점이 있으며, 활성탄의 경우 흡착량이 제올라이트에 비하여 낮게 나타나며, 물리흡착의 경우 열탈착시 높은 온도가 요구되고 효율적 사용을 위하여 고압에서 흡착을 수행하므로써 부가적 에너지 비용이 요구된다. 따라서 이러한 이산화탄소의 흡착분리 효율을 높이기 위하여 대부분의 경우 높은 압력으로 운전되고 분리과정에서 고농도의 이산화탄소를 분리 할 수 없으므로 많은 단계를 거쳐 고농도의 이산화탄소를 분리한다. 또한 흡착제의 이산화탄소 흡착량은 온도에 큰 영향을 받으므로 분리공정 이전에 낮은 온도로 공급하기 위하여 냉각과정을 거치게 되며, 수분에 의한 흡착량의 감소가 크므로 수분 분리가 필수적이다. 이러한 운전방법과 제약으로 많은 동력비가 요구되는 단점이 있으며, 대형화가 어렵다. 또한 무기계 고체흡착제의 경우 입자상으로 제조하기 위하여 바인더를 사용하여 제조하므로 단위 중량당 흡착능이 감소되고 마모도가 높아 유동층이나 이동층에서 내구성이 낮게 나타나므로 흡착제의 수명이 작게 나타난다. 칼륨, 마그네슘, 칼슘과 같은 전이금속을 이용하여 제조된 흡착제의 경우 화학흡수과정에서 고체상에서 반응과 분리가 반복적으로 일어나므로 인하여 구조체에 피로가 누적되어 파쇄되어 구조체가 붕괴되는 현상이 발생하며, 산성가스와 반응하여 새로운 화합물을 생성하여 분리능이 저하되는 피독이 발생된다. 또한 연소과정에서 발생되는 염소 및 염소화합물이 유입되어 염화반응을 발생시키는 부가적 문제점을 발생시킨다. 대부분의 고체상 흡착제의 경우 높은 온도에서 흡착 또는 흡수된 이산화탄소가 분리되므로 인하여 에너지 소요량이 크게 나타나며, 수분에 대한 선택성이 높으므로 인하여 분리효율이 낮게 나타나는 단점이 있다. 최근 신개념의 흡착제로 제시되는 유기공유결합고분자(COP), 금속유기골격체(MOF)는 저온에서 이산화탄소, 수소, 메탄 등다양한 가스상 성분에 대한 흡착력은 매우 우수하나 수분, 질소에 대한 선택성 및 구조체의 안정성면에서 상용화될 수 있는 물성의 확보와 공정 구성은 현재의 사용화가 어렵다. The absorption method, which is currently being commercialized in the process of separation after combustion, is a method of absorbing and separating carbon dioxide using a liquid amine-based absorbent, desorbing it by heat-applying the carbon dioxide chemically bonded to the amine, and isolating the carbon dioxide at a high concentration. At this time, the amine-based absorbent is used together with water, and the mass transfer in the solution of carbon dioxide acts as a rate-determining step. In addition, a large amount of energy is required in the separation process of the carbon dioxide-absorbed solution, and an additional purification process according to the oxidation of the used amine is indispensably required. Therefore, the process is very complicated, so facility and equipment costs are the highest among the existing CO2 separation methods. Therefore, it is advantageous in separation from a large-sized source but it is difficult to apply to a small-scale source. In the case of using a high-temperature dry absorbent (Korean Patent No. 10-060209), there is an advantage in that a high concentration of carbon dioxide can be directly obtained in the separation process of carbon dioxide and dry absorbent, but the operation temperature is very high, And the loss due to the collapse of the structure due to the regeneration is large. In addition, the membrane separation method is very expensive, and the equipment cost of the pretreatment apparatus for purifying the combustion gas is very high, and the cost for replacement and purification due to contamination of the separation membrane is very large. In the case of adsorption methods for various gas-phase materials, the presently used method mainly uses a pressure change and a temperature change, and a separation process is also performed by simultaneously changing pressure and temperature. At this time, zeolite molecular sieve or activated carbon, carbon molecular sieve and potassium system are mainly used as an adsorbent. In the case of zeolite molecular sieve, the adsorption efficiency is high, but the problem is caused by contamination by other components contained in the combustion gas and the desorption temperature is relatively high. In the case of activated carbon, the adsorption amount is lower than that of zeolite, High temperature is required for thermal desorption and additional energy cost is required by performing adsorption at high pressure for efficient use. Therefore, in order to increase the efficiency of adsorbing and separating carbon dioxide, it is operated at a high pressure in most cases, and since a high concentration of carbon dioxide can not be separated during the separation process, a high concentration of carbon dioxide is separated through a number of steps. In addition, since the adsorption amount of the adsorbent is greatly influenced by the temperature, the adsorption amount of the adsorbent is cooled to be supplied at a low temperature before the separation step, and the amount of adsorption due to moisture is greatly decreased. There is a disadvantage that a lot of power ratio is required due to such a driving method and restrictions, and it is difficult to increase the size. In addition, since the inorganic solid adsorbent is manufactured using a binder to prepare particles, the adsorbent per unit weight is decreased and the durability is low in the fluidized bed or moving bed due to high abrasion, so that the lifetime of the adsorbent is small. In the case of an adsorbent prepared using transition metals such as potassium, magnesium and calcium, the reaction and separation occur repeatedly in the solid phase during the chemical absorption process, so that fatigue accumulates in the structure, resulting in collapse of the structure, The poisoning is generated which reacts with the gas to generate a new compound, which deteriorates the separation ability. In addition, chlorine and chlorine compounds generated in the combustion process are introduced, causing an additional problem of generating a chlorination reaction. Most of the solid adsorbents have a disadvantage in that the energy required for separation is high due to the separation of adsorbed or absorbed carbon dioxide at a high temperature and the separation efficiency is low due to high selectivity to water. Recently, the organic covalent polymer (COP) and the metal organic skeleton (MOF), which are proposed as new concept adsorbents, have excellent adsorption ability for various gas phase components such as carbon dioxide, hydrogen and methane at low temperatures. However, Securing the physical properties that can be commercialized in terms of stability and the process composition are difficult to use at present.
본 발명은 전술한 분리 흡착제의 문제점을 극복하기 위하여 도출된 것으로서, 본 발명의 과제는 수분에 의한 이산화탄소의 흡착량 감소가 거의 없고, 타 물리흡착제 및 고체 흡수제의 흡착 및 흡수 운전온도보다 온도 증가에 따른 흡착량의 감소가 매우 적으며, 50∼100℃ 범위에서 매우 빠른 흡착, 흡수속도를 지닌 다공성 유무기 복합체를 제공하는 것이다. 즉, 화석연료 사용 배출원에서 배출가스 규제에 의한 황화합물 등 오염가스의 세정제거장치 통과 후 온도인 50∼90℃에서 높은 흡착 및 흡수량과 흡착(흡수)속도를 나타내고, 해당 온도에서 물의 증기압에 해당되는 부분압으로 존재하는 수분과 연소가스 중에 포함된 질소, 황화합물, 질소화합물, 염소화합물에 의한 영향이 없으며, 200℃이하에서 이산화탄소의 탈착 분리가 가능한 복합체를 제공하는 것이다.The present invention has been made in order to overcome the problems of the above-described separation adsorbent, and it is an object of the present invention to provide an adsorbent for adsorbing and absorbing other physical adsorbents and solid adsorbents, And a porous organic-inorganic hybrid material having a very fast adsorption and absorption rate in the range of 50 to 100 占 폚. In other words, it shows a high adsorption and absorption rate and adsorption (absorption) rate at a temperature of 50 to 90 ° C. after passing through a device for cleaning polluted gas such as sulfur compounds due to exhaust gas regulation at a fossil fuel use emission source, The present invention provides a composite capable of separating and separating carbon dioxide at 200 ° C or lower without any effect of nitrogen, sulfur compounds, nitrogen compounds, and chlorine compounds contained in water and a partial pressure of combustion gas.
본 발명의 미세기공을 갖는 유기-무기 복합체는 이산화탄소의 분리만이 아닌 다양한 용도로 사용가능하기 위한 것이다. 예를 들어 기상 또는 액상의 다양한 유기화합물, 산성 가스, 알카리 가스, 중금속 등의 흡착, 흡수를 통한 분리와 본 흡착제와 아민기의 중합 또는 다양한 촉매전구체의 공유결합과 담지에 의하여 다양한 흡착제 및 촉매로 사용이 가능하고, 약품전달체로 사용도 가능한 다공성 유무기 복합체 및 이의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.The organic-inorganic composite having micropores of the present invention is intended not only for separation of carbon dioxide but also for various uses. For example, various adsorbents and catalysts can be prepared by adsorbing and absorbing various organic compounds such as gaseous or liquid phase, acidic gas, alkali gas, heavy metals, etc. and polymerization of the present adsorbent and amine groups or covalent bonding of various catalyst precursors A porous organic-inorganic hybrid material which can be used as a drug delivery material, and a method for producing the same.
과제의 해결 수단Solution to the Problem
본 발명의 일 측면에 의하면, 아민 말단기를 구비한 알콕시실란 화합물과 실리카 전구체 사이의 가교 결합 구조로 이루어진 골격; 및 상기 알콕시실란 화합물에 의하여 아민기가 도입된 미세 기공을 포함하되, 상기 가교 결합 구조는 상기 알콕시실란과 상기 실리카 전구체가 -Si-O- 결합에 의해 서로 연결되어 형성되는 입체구조인 다공성 유무기 복합체가 제공된다.According to an aspect of the present invention, there is provided a resin composition comprising: a skeleton having a cross-linking structure between an alkoxysilane compound having an amine terminal group and a silica precursor; And a microporous structure into which an amine group is introduced by the alkoxysilane compound, wherein the cross-linking structure is a structure in which the alkoxysilane and the silica precursor are connected to each other by -Si-O- Is provided.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 상술한 다공성 유무기 복합체를 포함하는 이산화탄소 흡착제가 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a carbon dioxide adsorbent comprising the aforementioned porous organic-inorganic hybrid material.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, (a) 아민 말단기를 구비한 알콕시실란 화합물, 실리카 전구체, 물 및 알코올 용매를 혼합하여 혼합용액을 형성하는 단계; (b) 상기 혼합용액을 반응시켜 가교 결합구조를 갖는 다공성 구조체를 형성하는 단계; 및 (c) 상기 다공성 구조체를 정제 및 건조하여 최종 생성물을 얻는 단계를 포함하는 다공성 유무기 복합체의 제조방법이 제공된다. According to another aspect of the present invention, there is provided a method for preparing a mixed solution comprising: (a) mixing an alkoxysilane compound having an amine terminal group, a silica precursor, water and an alcohol solvent to form a mixed solution; (b) reacting the mixed solution to form a porous structure having a crosslinked structure; And (c) purifying and drying the porous structure to obtain a final product.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, (a) 아민 말단기를 구비한 알콕시실란 화합물, 실리카 전구체, 물 및 알코올 용매를 혼합하여 혼합용액을 형성하는 단계; (b) 상기 혼합용액의 반응에 의해 겔화가 진행되는 반응 혼합물을 사출하여 가교 결합구조를 갖는 다공성 구조체를 형성하는 단계; 및 (c) 상기 다공성 구조체를 건조하여 최종 생성물을 얻는 단계를 포함하는 다공성 유무기 복합체의 제조방법이 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method for preparing a mixed solution comprising: (a) mixing an alkoxysilane compound having an amine terminal group, a silica precursor, water and an alcohol solvent to form a mixed solution; (b) forming a porous structure having a crosslinked structure by injecting a reaction mixture in which gelation proceeds by the reaction of the mixed solution; And (c) drying the porous structure to obtain a final product.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 아민 말단기를 구비한 알콕시실란 화합물과 실리카 전구체 사이의 가교 결합 구조로 이루어진 골격, 및 상기 알콕시실란 화합물에 의하여 아민기가 도입된 미세 기공을 포함하는 다공성 유무기 복합체를 제공하는 단계; 상기 다공성 고분자의 상기 미세기공과 상기 아민기를 이용하여 이산화탄소, 일산화탄소, 휘발성 유기화합물, 산성 가스, 알칼리 가스, 과불화화합물 및 중금속으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 분리대상 물질을 상기 다공성 유무기 복합체에 흡착시키는 단계; 및 상기 다공성 유무기 복합체를 승온 또는 감압조건에서 상기 분리대상 물질을 상기 다공성 유무기 복합체로부터 분리하는 단계를 포함하는 다공성 유무기 복합체의 이용방법이 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a porous organic-inorganic hybrid material comprising a skeleton formed by a cross-linking structure between an alkoxysilane compound having an amine terminal group and a silica precursor, and a microporous membrane into which an amine group is introduced by the alkoxysilane compound ; The microporous membrane of the porous polymer and the amine group are used to separate at least one substance to be separated selected from the group consisting of carbon dioxide, carbon monoxide, a volatile organic compound, an acidic gas, an alkali gas, a perfluorinated compound and a heavy metal into the porous organic- Adsorption; And separating the separation target material from the porous organic-inorganic hybrid material at a temperature elevation or a reduced pressure condition of the porous organic-inorganic hybrid material.
발명의 효과Effects of the Invention
본 발명의 일 구현예에 따른 아민기 존재 다공성 복합체는 미세기공들을 형성하고 다양한 공극의 직경이 일정하게 유지된다. 또한 표면적이 넓고 아미노 그룹에 의하여 N2에 대한 CO2의 선택도가 높으며, 수분의 영향이 적고 타 흡착제의 운전 온도보다 고온에서 우수한 흡착(흡수)량 및 흡착(흡수)속도를 나타낸다. 탈착온도는 액상 흡수제보다 낮으며, 고체 흡착제의 탈착온도보다 낮으므로 빠른 흡,탈착의 운전전환이 가능하다.The amine-group-present porous composite according to an embodiment of the present invention forms micropores and the diameter of various pores is kept constant. In addition, it has a wide surface area and high CO 2 selectivity to N 2 by amino group, low effect of moisture and excellent adsorption (absorption) amount and adsorption (absorption) rate at higher temperature than the operation temperature of other adsorbent. The desorption temperature is lower than that of the liquid absorbent and is lower than the desorption temperature of the solid adsorbent.
본 흡착제를 이산화탄소의 분리공정에 적용 사용할 경우 높은 운전 효과를 나타낼 수있으며, 아민에 의한 화학흡수법과 고체흡착제에 의한 흡착법의 단점을 보완하여 원활하고 경제성있는 분리공정의 운영이 가능할 수 있다. 따라서 지구온난화의 주범인 이산화탄소의 분리를 수행하고 소규모 실내 적용시 보다 깨끗한 실내환경을 제공할 수 있는 효과가 있으며, 휘발성 유기화합물, 산성 가스, 알칼리 가스, 과불화화합물(PFCs) 또는 중금속의 분리 또는 제거가 가능하다. When the present adsorbent is applied to the separation process of carbon dioxide, it can exhibit a high operation effect, and it is possible to operate the separation process smoothly and economically by supplementing the disadvantages of the chemical absorption method using amine and the adsorption method using solid adsorbent. Therefore, the separation of carbon dioxide, which is a main cause of global warming, can be provided and a cleaner indoor environment can be provided in the case of a small indoor environment. Also, it is possible to separate the volatile organic compound, acid gas, alkali gas, PFCs, Removal is possible.
도 1은 아민기가 분포된 미세기공을 구비한 다공성 고분자의 제조방법을 나타내는 공정흐름도이다.
도 2는 3-아미노프로필트리에톡시실란(APTS)과 테트라에틸오르토규산(SiO2)을 이용하여 합성된 본 발명이 제공하는 다공성 유무기 복합체로서 각 원료의 혼합비에 따른 다양한 복합체의 FT-IR 분석결과를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 다른 다공성 유무기 복합체의 형상을 나타낸 주사전자현미경 사진이다.
도 4는 15 부피% 이산화탄소와 3.8 부피% 수분이 존재하는 흐름에서 이산화탄소의 흡수특성을 나타낸 결과이다.
도 5는 흡수온도에 따른 다공성 가교 결합 구조체의 중량대비 8wt% 이산화탄소 흡수시간을 나타낸다.
도 6은 이산화탄소의 흡수와 재생을 반복운전으로 나타낸 것으로 본 발명의 일 구현예에 따른 다공성 유무기 복합체 사용시 가역적으로 운전이 가능함을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 구현예에 따른 다공성 유무기 복합체를 이용하여 이산화황가스에 대한 흡착 실험을 한 결과를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 구현예에 따른 다공성 유무기 복합체를 이용하여 일산화질소에 대한 흡착 실험을 한 결과를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 일 구현예에 따른 다공성 유무기 복합체를 이용하여 일산화탄소에 대한 흡착 실험을 한 결과를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 일 구현예에 따른 다공성 유무기 복합체를 이용하여 휘발성유기화합물인 메틸에틸케톤(MEK)에 대한 흡착 실험을 한 결과를 나타낸다.
도 11은 본 발명의 일 구현예에 따른 다공성 유무기 복합체를 이용하여 대표적인 황화수소에 대한 흡착 실험을 한 결과를 나타낸다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a process flow chart showing a method for producing a porous polymer having micropores in which amine groups are distributed.
FIG. 2 is a porous organic-inorganic hybrid composite prepared by using 3-aminopropyltriethoxysilane (APTS) and tetraethyl orthosilicate (SiO 2 ) according to the present invention. The FT-IR The results of the analysis are shown.
3 is a scanning electron microscope (SEM) image of a porous organic-inorganic hybrid material according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 shows the absorption characteristics of carbon dioxide in the presence of 15 vol.% Carbon dioxide and 3.8 vol.% Water.
5 shows the 8 wt% carbon dioxide absorption time versus the weight of the porous cross-linking structure according to the absorption temperature.
FIG. 6 shows the absorption and regeneration of carbon dioxide by repeated operation. It can be seen that the porous organic-inorganic hybrid material according to one embodiment of the present invention can be reversibly operated when using the porous organic-inorganic hybrid material.
7 shows the results of adsorption experiments on sulfur dioxide gas using porous organic-inorganic hybrid materials according to one embodiment of the present invention.
FIG. 8 shows the results of adsorption experiments on nitrogen monoxide using a porous organic-inorganic hybrid material according to an embodiment of the present invention.
9 shows the results of adsorption experiments on carbon monoxide using porous organic-inorganic hybrid materials according to one embodiment of the present invention.
FIG. 10 shows the results of adsorption experiments on methyl ethyl ketone (MEK), a volatile organic compound, using porous organic-inorganic hybrid materials according to an embodiment of the present invention.
11 shows the results of adsorption experiments on representative hydrogen sulfide using porous organic-inorganic hybrid materials according to one embodiment of the present invention.
이하 본 발명의 다양한 구현예에 대해 보다 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, various embodiments of the present invention will be described in detail.
본 발명의 일 구현예에 따른 다공성 유무기 복합체는 아민 말단기를 구비한 알콕시실란 화합물과 실리카 전구체 사이의 가교 결합 구조로 이루어진 골격, 및 상기 알콕시실란 화합물에 의하여 아민기가 도입된 미세 기공을 포함한다. 여기서 상기 가교 결합 구조는 상기 알콕시실란과 상기 실리카 전구체가 -Si-O- 결합에 의해 서로 연결되어 형성되는 입체구조이다. 상기 알콕시실란 화합물은 말단에 아민기를 구비함으로써, 상기 아민기가 도입된 미세 기공이 외부 물질 흡착시 넓은 유효 표면적과 흡착점을 제공하는 역할을 하도록 할 수 있다. 상기 미세 기공이 상기 -Si-O- 결합으로 이루어진 고리 구조에 의해 정의될 수 있다. 또한 상기 고리 구조에 아민 말단기를 갖는 사슬이 그래프트된다.The porous organic-inorganic hybrid material according to one embodiment of the present invention includes a skeleton having a cross-linking structure between an alkoxysilane compound having an amine terminal group and a silica precursor, and micropores having an amine group introduced by the alkoxysilane compound . Wherein the cross-linking structure is a three-dimensional structure in which the alkoxysilane and the silica precursor are formed by -Si-O- linkage to each other. Since the alkoxysilane compound has an amine group at the terminal thereof, the micropores into which the amine group is introduced can serve to provide a wide effective surface area and an adsorption point when adsorbing external substances. And the micropores may be defined by a ring structure composed of the -Si-O- bond. A chain having an amine terminal group in the ring structure is grafted.
상기 알콕시실란 화합물은 바람직하게는 H2N-L-Si(OR)3의 구조를 가질 수 있다. 이때 상기 L은 C1 내지 C12의 알킬렌 또는 C6 내지 C20의 아릴렌이거나 상기 알킬렌과 상기 아릴렌이 임의로 결합된 것이다. 또한 상기 L의 주쇄의 일부가 0 내지 4개의 -NH-로 치환될 수 있으며, 상기 R은 수소 또는 C1 내지 C8의 알킬이다.The alkoxysilane compound may preferably have a structure of H 2 NL-Si (OR) 3 . Wherein L is C 1 to C 12 alkylene or C 6 to C 20 arylene, or the alkylene and arylene are optionally bonded. Also part of the backbone of L may be substituted with 0 to 4 -NH-, wherein R is hydrogen or C 1 to C 8 alkyl.
상기 알콕시 실란 화합물의 구체적인 예로서, 3-아미노프로필트리에톡시실란(3-Aminopropyltriethoxy silane), 아미노실란 가수 분해물(Aminosilane Hydrolysate), 3-아미노프로필트리메톡시실란(3-Aminopropyltrimethoxysilane), 2-아미노에틸-3-아미노프로필트리메톡시실란(2-Aminoethyl-3-aminopropyltrimethoxysilane), 2-아미노에틸-3-아미노프로필트리에톡시실란(2-Aminoethyl-3-aminopropyltriethoxysilane), 2-아미노에틸-3-아미노프로필메틸다이메톡시실란(2-Aminoethyl-3-aminopropyl methyldimethoxysilane), 3-아미노프로필메틸다이에톡시실란(3-Aminopropylmethyldiethoxysilane), 비스(트리메톡시실리프로필)아민[Bis(trimethoxysilypropyl)amine], 비스(트리에톡시실리프로필)아민[Bis(triethoxysilypropyl)amine]으로 이루어진 군 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다. 바람직하게는 경제성을 고려하여 3-아미노프로필트리에톡시실란(3-Aminopropyltriethoxysilane), 또는 2-아미노에틸-3-아미노프로필트리메톡시실란(2-Aminoethyl-3-aminopropyltrimethoxysilane) 등을 들 수 있다. Specific examples of the alkoxysilane compound include 3-aminopropyltriethoxy silane, aminosilane hydrolyzate, 3-aminopropyltrimethoxysilane, 2-amino Aminoethyl-3-aminopropyltrimethoxysilane, 2-aminoethyl-3-aminopropyltriethoxysilane, 2-aminoethyl- Aminopropylmethyldiethoxysilane, bis (trimethoxysilylpropyl) amine, bis (trimethoxysilylpropyl) amine, 2-aminopropylmethyldimethoxysilane, (Triethoxysilylpropyl) amine] can be used. Preferably, 3-aminopropyltriethoxysilane or 2-aminoethyl-3-aminopropyltrimethoxysilane is taken into consideration, considering economical efficiency.
일 구현예에서 상기 아민 말단기의 수소는 알킬로 치환될 수도 있다.In one embodiment, the hydrogen of the amine end group may be substituted with alkyl.
또한 일 구현예에서, 상기 알콕시실란 화합물은 이온 액체(ionic liquid)일 수 있다. 상기 이온 액체는 양이온과 음이온의 조합을 가지며, 양이온으로서는 저급 지방족 4급 암모늄이 사용되고, 음이온으로서는 금속 염화물 이온, 금속 불화물 이온 및, 비스(플루오로술포닐)이미드 등의 이미드 화합물이 사용될 수 있다.Also, in one embodiment, the alkoxysilane compound may be an ionic liquid. The ionic liquid has a combination of a cation and an anion, and a lower aliphatic quaternary ammonium is used as a cation. As the anion, an imide compound such as metal chloride ion, metal fluoride ion and bis (fluorosulfonyl) imide may be used have.
상기 실리카 전구체는 유무기 복합체의 골격을 구성하는 -Si-O- 결합을 이루는 기초 원료로서, 상기 실리카 전구체로서 실리케이트가 바람직하다. 상기 실리카 전구체는 탄소수 3 내지 200, 바람직하게는 탄소수 3 내지 50, 더욱 바람직하게는 탄소수 3 내지 12의 실리케이트를 포함할 수 있다. 좀더 구체적으로, 상기 실리카 전구체는 테트라메톡시실란(Tetramethoxysilane), 테트라메틸오르토규산(Tetramethyl Orthosilicate), 테트라에톡시실란(Tetraethoxysilane), 테트라에틸오르토규산(Tetraethyl Orthosilicate), 테트라-n-프로필 규산(Tetra-n-propyl Silicate) 및 테트라부틸글리콜 규산(Tetrabutylglycol Silicate)으로 이루어진 군 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.The silica precursor is preferably a silicate as the silica precursor, as a base material constituting the -Si-O- bond constituting the skeleton of the organic-inorganic hybrid material. The silica precursor may comprise a silicate of 3 to 200 carbon atoms, preferably 3 to 50 carbon atoms, more preferably 3 to 12 carbon atoms. More specifically, the silica precursor may be selected from the group consisting of tetramethoxysilane, tetramethyl orthosilicate, tetraethoxysilane, tetraethyl orthosilicate, tetra-n-propyl silicate -n-propyl silicate) and tetrabutylglycol silicate.
상기 다공성 유무기 복합체의 가교결합 구조의 말단기는 아민기 또는 히드록시기 중에서 선택될 수 있다. 상기 아민기는 아민 말단기를 구비한 알콕시실란 기에 의해서 도입될 수 있으며, 상기 히드록시기는 반응 중 사용된 물에 의해 도입될 수 있다. 상기 아민기는 복합체 합성의 가교반응에 관여하지 않으며, 상기 알콕시실란의 산소와 연결된 탄소분자를 분리하고 산소와 상기 실리카전구체의 실리카분자와 상기 알콕시실란의 산소가 결합하는 반응을 개시한다.The terminal group of the cross-linking structure of the porous organic-inorganic hybrid material may be selected from an amine group or a hydroxyl group. The amine group may be introduced by an alkoxysilane group having an amine terminal group, and the hydroxyl group may be introduced by the water used during the reaction. The amine group does not participate in the cross-linking reaction of the synthesis of the complex, separates carbon molecules connected to the oxygen of the alkoxysilane, and initiates the reaction of oxygen and the silica molecules of the silica precursor and oxygen of the alkoxysilane.
후술할 다공성 유무기 복합체의 제조방법에서 설명하겠지만 합성시 사용되는 물(바람직하게는 정제수)의 양과 구조배양제로 사용되는 알코올의 종류와 사용량에 의하여 구조체의 표면 특성인 입자 표면적, 기공크기, 기공크기분포, 아민기 분포가 제어될 수 있다.The amount of water (preferably purified water) used in the synthesis and the type and amount of alcohol used as a structural culture agent will be described in the production of a porous organic-inorganic hybrid material to be described later. The surface characteristics such as particle surface area, pore size, pore size Distribution, and distribution of amine groups can be controlled.
상기 다공성 유무기 복합체의 골격은 상기 실리카 전구체, 상기 알콕시실란 화합물, 물 및 용매 등의 반응에 의해 가교 결합구조를 가질 수 있다. 이때 다양한 아민기가 도입된 기공 구조는 CO2 흡착시 넓은 유효 표면적과 흡착점을 제공할 수 있다. 또한 상기 아민기가 존재하는 가교 결합구조 복합체의 표면 및 공극구조는 비가역적으로 고정될 수 있다. 그리하여 CO2 등의 기체에 대한 화학적, 물리적 수착(sorption) 성능이 유지될 수 있다. The skeleton of the porous organic-inorganic hybrid material may have a crosslinking structure by the reaction of the silica precursor, the alkoxysilane compound, water and a solvent. At this time, the pore structures into which various amine groups are introduced can provide a wide effective surface area and adsorption point in CO 2 adsorption. Also, the surface and void structure of the crosslinked structure complex in which the amine group is present can be irreversibly fixed. Thus, CO 2 For gases such as Chemical and physical Sorption performance can be maintained.
하기 반응식 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 다공성 유무기 복합체의 반응과정을 나타내며, 하기 화학식 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 다공성 유무기 복합체의 구조를 나타낸다.The following Reaction Scheme 1 shows the reaction process of the porous organic-inorganic hybrid material according to one embodiment of the present invention, and the following Formula 1 shows the structure of the porous organic-inorganic hybrid material according to one embodiment of the present invention.
[반응식 1][Reaction Scheme 1]
[화학식 1][Chemical Formula 1]
상기 화학식 1에서 전체 골격은 각 Si와 Si 사이가 -Si-O- 결합으로 연결되어 가교결합 구조를 형성한다. 예를 들어 이러한 가교결합 구조는 (C2H5O)4Si와 (C2H5O)4SiCH2CH2CH2NH2 및 물(H2O)의 혼합 용액을 25℃에서 반응시켜 얻을 수 있다. In the above formula (1), the entire skeleton is connected to each Si and Si by -Si-O- bond to form a crosslinked structure. For example, such a cross-linking structure can be obtained by reacting a mixed solution of (C 2 H 5 O) 4 Si and (C 2 H 5 O) 4 SiCH 2 CH 2 CH 2 NH 2 and water (H 2 O) Can be obtained.
한편 상기 -OH 말단기는 반응 중 사용된 물에 의해 유래된다. 상기 다공성 유무기 복합체에서 상기 알콕시실란 대비 상기 실리카 전구체의 몰비는 바람직하게는 1 : 0.01~0.5일 수 있다. 실리카 전구체의 몰비가 0.01 미만에서는 다공성 구조체가 형성되기 어렵고, 0.5 초과에서는 아민기가 부족하여 충분한 흡수가 어려우며, 다공성 구조체의 형성이 이루어지지 않을 수 있다. While the -OH end groups are derived from the water used during the reaction. The molar ratio of the silica precursor to the alkoxysilane in the porous organic-inorganic hybrid material may be preferably 1: 0.01 to 0.5. If the molar ratio of the silica precursor is less than 0.01, the porous structure is hardly formed. If the molar ratio of the silica precursor is more than 0.5, the amine group is insufficient and sufficient absorption is difficult, and the porous structure may not be formed.
상기 미세기공은 -Si-O- 결합으로 이루어진 고리 구조에 의해 형성될 수 있다. 아민 말단기를 갖는 알콕시실란 화합물 (일명 아미노실란)이 실리카 전구체와 함께 가교결합됨으로써 각 미세기공에는 아민기가 도입되어 있다.The micropores may be formed by a cyclic structure composed of -Si-O- bonds. An amine group is introduced into each micropore because an alkoxysilane compound having an amine end group (aka aminosilane) is crosslinked together with a silica precursor.
상기 미세기공의 표면적은 사용한 실리케이트 및 아미노실란의 종류에 따라 다르지만, 1 내지 1,000 m2/g일 수 있으며, 바람직하게는 5 내지 500 m2/g 이다. 표면적이 상기 범위 미만에서는 비표면적이 부족하여 이산화탄소의 흡착량이 낮게 나타날 수 있고, 상기 범위 초과에서는 기공 크기가 작아질 수 있어서 이산화탄소의 기공 내 확산이 늦어지므로 흡착이 원활하게 일어나지 않을 수 있다.The surface area of the micropores may vary from 1 to 1,000 m 2 / g, preferably from 5 to 500 m 2 / g, depending on the type of silicate and aminosilane used. If the surface area is less than the above range, the specific surface area may be insufficient and the adsorption amount of carbon dioxide may be low. If the surface area is above the above range, the pore size may be small, so that diffusion of carbon dioxide into the pores is delayed.
상기 미세기공의 평균 공극직경은 사용한 실케이트 및 아미노실란의 종류와 정제수의 양 및 알콜류의 양과 종류에 따라 다르지만, 0.01 내지 200 nm일 수 있으며, 바람직하게는 1 내지 100 nm이다. 평균 공극직경이 상기 범위 미만에서는 기공 저항에 따른 자유로운 흡착물질의 출입이 어렵고, 상기 범위 초과에서는 표면적이 감소되어 흡착량이 감소될 수 있다. The average pore diameter of the micropores may be 0.01 to 200 nm, preferably 1 to 100 nm, depending on the type of silicate and aminosilane used, the amount of purified water, and the amount and type of alcohols. If the average pore diameter is less than the above range, it is difficult to freely enter and exit the adsorbent material depending on the pore resistance. If the average pore diameter is less than the above range, the surface area may be decreased and the adsorption amount may be decreased.
상기 다공성 유무기 복합체는 우수한 CO2 흡수능을 가질 수 있다. 그리하여, 본 발명의 일 구현 예에 따르면, 상기 다공성 유무기 복합체를 포함하는 이산화탄소 흡착제가 제공된다. 예를 들어 상기 이산화탄소 흡착제의 경우 1 bar의 압력 및 25에서 열중량분석기로 측정한 CO2 흡착량이 18 중량% 이상일 수 있다. 또한 상기 이산화탄소 흡착제에 흡착된 CO2의 탈착온도가 170℃ 이하일 수 있다.The porous organic-inorganic hybrid material may have excellent CO 2 absorption capacity. Thus, according to one embodiment of the present invention, there is provided a carbon dioxide adsorbent comprising the porous organic-inorganic hybrid material. For example, the carbon dioxide adsorbent may have a pressure of 1 bar and an adsorption amount of CO 2 measured at 25 at a thermogravimetric analyzer of 18 wt% or more. The desorption temperature of CO 2 adsorbed on the carbon dioxide adsorbent may be 170 ° C or less.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 화학식 1로 나타나는 가교 결합구조를 가지며, 아민기가 분포된 미세기공을 구비한 다공성 유무기 복합체를 포함하는 이산화탄소 흡착제가 제공된다.According to one embodiment of the present invention, there is provided a carbon dioxide adsorbent comprising a porous organic-inorganic hybrid material having micropores having a cross-linking structure represented by Chemical Formula 1 and having amine groups distributed therein.
일 구현예에 따르면, 상술한 화학구조의 가교 결합구조를 가지는 다공성 가교결합 구조체는 다음과 같은 방법으로 제조될 수 있다. 도 1은 아민기가 분포된 미세기공을 구비한 다공성 고분자의 제조방법을 나타내는 공정흐름도이다. 도 1을 참조하면, 단계 S1에서 아민 말단기를 구비한 알콕시실란 화합물, 실리카 전구체, 물 및 알코올 용매를 혼합하여 혼합용액을 형성한다.According to one embodiment, the porous cross-linking structure having the above-mentioned chemical structure cross-linking structure can be produced by the following method. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a process flow chart showing a method for producing a porous polymer having micropores in which amine groups are distributed. Referring to FIG. 1, in step S1, a mixed solution is formed by mixing an alkoxysilane compound having an amine terminal group, a silica precursor, water, and an alcohol solvent.
상기 알콕시실란 화합물, 실리카 전구체, 물의 몰비 및 용매인 알콜의 양과 종류를 조절함에 따라 상기 다공성 복합체의 표면적 및 공극부피 등이 조절될 수 있으며, 복합체 합성반응속도를 조절하여 형상화를 할 수 있다.By adjusting the molar ratio of the alkoxysilane compound, the silica precursor, water, and the amount and type of alcohol as a solvent, the surface area and the void volume of the porous composite can be controlled and the formation speed can be controlled.
상기 실리카 전구체는 유무기 복합체의 골격을 구성하는 -Si-O- 결합을 이루는 기초 원료로서, 상기 실리카 전구체로서 실리케이트가 바람직하다. 상기 실리카 전구체는 탄소수 3 내지 200, 바람직하게는 탄소수 3 내지 50, 더욱 바람직하게는 탄소수 3 내지 12의 실리케이트를 포함할 수 있다. 좀더 구체적으로, 상기 실리카 전구체는 테트라메톡시실란(Tetramethoxysilane), 테트라메틸오르토규산(Tetramethyl Orthosilicate), 테트라에톡시실란(Tetraethoxysilane), 테트라에틸오르토규산(Tetraethyl Orthosilicate), 테트라-n-프로필 규산(Tetra-n-propyl Silicate) 및 테트라부틸글리콜 규산(Tetrabutylglycol Silicate)으로 이루어진 군 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.The silica precursor is preferably a silicate as the silica precursor, as a base material constituting the -Si-O- bond constituting the skeleton of the organic-inorganic hybrid material. The silica precursor may comprise a silicate of 3 to 200 carbon atoms, preferably 3 to 50 carbon atoms, more preferably 3 to 12 carbon atoms. More specifically, the silica precursor may be selected from the group consisting of tetramethoxysilane, tetramethyl orthosilicate, tetraethoxysilane, tetraethyl orthosilicate, tetra-n-propyl silicate -n-propyl silicate) and tetrabutylglycol silicate.
상기 알콕시실란 화합물은 이산화탄소의 흡착점을 부여하는 아민기를 제공하는 역할을 하며, 상기 실리카 전구체 100 중량부를 기준으로 상기 알콕시실란 화합물 50 내지 600 중량부를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 알콕시실란 화합물이 50 중량부 미만인 경우 아민기가 충분하지 않으므로 아민에 의한 표면 특성이 적어질 수 있으며, 600 중량부 초과인 경우 가교결합 구조체가 형성되기 어려울 수 있다.The alkoxysilane compound serves to provide an amine group to give an adsorption point of carbon dioxide, and it is preferable to use 50 to 600 parts by weight of the alkoxysilane compound based on 100 parts by weight of the silica precursor. When the amount of the alkoxysilane compound is less than 50 parts by weight, the amine group may not be sufficient, so that the surface properties of the amine may be reduced. When the amount of the alkoxysilane compound is more than 600 parts by weight, the crosslinking structure may be difficult to form.
상기 알콕시 실란 화합물의 구체적인 예로서, 3-아미노프로필트리에톡시실란(3-Aminopropyltriethoxy silane), 아미노실란 가수 분해물(Aminosilane Hydrolysate), 3-아미노프로필트리메톡시실란(3-Aminopropyltrimethoxysilane), 2-아미노에틸-3-아미노프로필트리메톡시실란(2-Aminoethyl-3-aminopropyltrimethoxysilane), 2-아미노에틸-3-아미노프로필트리에톡시실란(2-Aminoethyl-3-aminopropyltriethoxysilane), 2-아미노에틸-3-아미노프로필메틸다이메톡시실란(2-Aminoethyl-3-aminopropyl methyldimethoxysilane), 3-아미노프로필메틸다이에톡시실란(3-Aminopropylmethyldiethoxysilane), 비스(트리메톡시실리프로필)아민[Bis(trimethoxysilypropyl)amine], 비스(트리에톡시실리프로필)아민[Bis(triethoxysilypropyl)amine]으로 이루어진 군 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다. 바람직하게는 경제성을 고려하여 3-아미노프로필트리에톡시실란(3-Aminopropyltriethoxysilane), 또는 2-아미노에틸-3-아미노프로필트리메톡시실란(2-Aminoethyl-3-aminopropyltrimethoxysilane) 등을 들 수 있다.Specific examples of the alkoxysilane compound include 3-aminopropyltriethoxy silane, aminosilane hydrolyzate, 3-aminopropyltrimethoxysilane, 2-amino Aminoethyl-3-aminopropyltrimethoxysilane, 2-aminoethyl-3-aminopropyltriethoxysilane, 2-aminoethyl- Aminopropylmethyldiethoxysilane, bis (trimethoxysilylpropyl) amine, bis (trimethoxysilylpropyl) amine, 2-aminopropylmethyldimethoxysilane, (Triethoxysilylpropyl) amine] can be used. Preferably, 3-aminopropyltriethoxysilane or 2-aminoethyl-3-aminopropyltrimethoxysilane is taken into consideration, considering economical efficiency.
한편 혼합용액을 구성하는 성분 중 물(바람직하게는 정제수)은 알콕시 실란 화합물의 가수분해를 통해 실리카 전구체와 알콕시 실란이 반응을 개시하게 된다. 알콕시 실란 중 3-아미노프로필트리에톡시실란을 예로 들면, 에톡시기와 물이 반응하여 에탄올 형태로 분해 제거되고 실리콘 분자에 세 개의 수산화기가 생성된 상태를 유발시켜 실리케이트의 실리콘과 반응 결합하게 된다. 즉, 에톡시실란의 가수분해를 개시하는 역할을 한다. 상기 물의 양은 상기 실리카 전구체 100 중량부를 기준으로 10 내지 500 중량부, 바람직하게는 30 내지 300 중량부가 사용될 수 있다. 상기 물의 양이 상기 범위를 벗어나면 반응속도가 느리거나 빠르게 진행되어 가교결합이 완전하지 않고, 비표면적 및 기공구조가 발달하지 않으므로 정해진 양을 사용하는 것이 바람직하다.On the other hand, water (preferably purified water) constituting the mixed solution causes the silica precursor and the alkoxysilane to react with each other through hydrolysis of the alkoxysilane compound. For example, 3-aminopropyltriethoxysilane in alkoxysilane reacts with silicate silicon by reacting ethoxy group with water, decomposing into ethanol form and generating three hydroxyl groups in silicon molecule. That is, it functions to initiate the hydrolysis of ethoxysilane. The amount of water may be 10 to 500 parts by weight, preferably 30 to 300 parts by weight based on 100 parts by weight of the silica precursor. When the amount of water is out of the above range, the reaction rate is slow or rapidly proceeded, the crosslinking is not complete, and the specific surface area and pore structure are not developed, so it is preferable to use a predetermined amount.
상기 알코올 용매는 반응속도를 조절하여 가교결합 구조 복합체의 기공 및 표면 구조를 형성시키는 구조배양제의 역할을 한다. 상기 알코올 용매는 상기 실리카 전구체 100 중량부를 기준으로 0.0001 내지 500 중량부, 바람직하게는 0.001내지 200 중량부를 사용될 수 있다. 상기 알코올 용매의 양이 상기 범위 미만이면 다공성 구조가 형성되지 않고, 상기 범위 초과이면 반응시간과 건조시간이 길어지고 구조체 형성이 되지 않을 수 있다. 상기 알코올 용매는 합성단위 증가에 따른 액체 반응물의 겔화와 고체화 되는 속도의 조절 및 현재 사출시 겔 상태의 유지를 위하여 사용될 수 있다. 상기 알코올 용매의 구체적인 예로 메탄올(Methanol), 에탄올(Ethanol), 이소프로필알코올(Isopropyl alcohol), 부틸알코올(Butyl alcohol), 이소부탄올(Isobutanol), 펜타놀(Pentanol), 이소펜타놀(Isopentanol), 헥사데칸-1-올(Hexadecan-1-ol), 에탄-1,2-다이올(Ethane-1,2-diol), 프로판-1,2-다이올(Propane-1,2-diol), 프로판-1,2,3-트리올(Propane-1,2,3-triol), 부탄-1,2,3,4-테트라올(Butane-1,2,3,4-tetraol),펜탄-1,2,3,4,5-펜톨(Pentane-1,2,3,4,5-pentol), 헥산-1,2,3,4,5,6-헥솔(Hexane-1,2,3,4,5,6-hexol), 헵탄-1,2,3,4,5,6,7-헵톨(Heptane-1,2,3,4,5,6,7-heptol), 프로프-2-엔-1-올(Prop-2-ene-1-ol), 3,7-다이메톡시옥타-2,6-다이엔-1-올(3,7-Dimethylocta-2,6-dien-1-ol), 프로프-2-인-1-올(Prop-2-in-1-ol), 시클로헥산-1,2,3,4,5,6-헥솔(Cyclohexane-1,2,3,4,5,6-hexol), 2-(2-프로필)-5-메틸-시클로헥산-1-올[2-(2-propyl)-5-methyl-cyclohexane-1-ol] 등에서 선택되는 1종 이상을 들 수 있으며, 반드시 이에 국한되지 않는다. 바람직하게는 상기 알코올로서 혼합도, 분자크기 및 증기압 측면에서 부탄올이 사용될 수 있다.The alcohol solvent serves as a structural culture agent for controlling the reaction rate to form pores and surface structure of the crosslinked structure complex. The alcohol solvent may be used in an amount of 0.0001 to 500 parts by weight, preferably 0.001 to 200 parts by weight, based on 100 parts by weight of the silica precursor. If the amount of the alcohol solvent is less than the above range, a porous structure is not formed. If the amount is less than the above range, the reaction time and drying time become long and the structure may not be formed. The alcohol solvent can be used to control the gelation and solidification rate of the liquid reactant as the synthesis unit increases, and to maintain the gel state at the time of injection. Specific examples of the alcohol solvent include methanol, ethanol, isopropyl alcohol, butyl alcohol, isobutanol, pentanol, isopentanol, isopentanol, Hexadecan-1-ol, Ethane-1,2-diol, Propane-1,2-diol, Propane-1,2,3-triol, butane-1,2,3,4-tetraol, pentane- 1,2,3,4,5-pentol, hexane-1,2,3,4,5,6-hexol (Hexane-1,2,3 , 4,5,6-hexol), heptane-1,2,3,4,5,6,7-heptol (Heptane-1,2,3,4,5,6,7-heptol) Prop-2-ene-1-ol, 3,7-dimethoxyocta-2,6-dien- 1-ol, Prop-2-in-1-ol, Cyclohexane-1,2 2- (2-propyl) -5-methyl-cyclohexane-1-ol] or the like One or more selected, and half When it not so limited. Preferably, butanol can be used as the alcohol in terms of mixing degree, molecular size and vapor pressure.
상기 알코올 용매에 의하여 가교결합시 미세 기공이 형성될 수 있다. 이렇게 생성된 가교 결합구조는 실리케이트의 실리콘을 중심으로 알콕시실란의 산소분자가 가교결합된 구조를 갖는다. Micropores may be formed upon crosslinking by the alcohol solvent. The crosslinked structure thus formed has a structure in which oxygen molecules of the alkoxysilane are crosslinked around the silicon of the silicate.
각 원료들을 혼합하여 혼합용액을 형성할 때 혼합시간은 5초 이상 및 10시간 이하로 조절될 수 있다. 상기 혼합시간이 5초 미만에서는 혼합이 잘 이루어지지 않으며, 10시간 초과에서는 겔화가 진행되고 건조가 되지 않은 상태에서 반응이 진행되어 형성된 구조체의 표면적이 작아지며, 치밀한 공간을 형성하여 효율이 급격히 감소할 수 있다.When mixing the raw materials to form a mixed solution, the mixing time can be adjusted to 5 seconds or more and 10 hours or less. When the mixing time is less than 5 seconds, the mixing is not performed well. On the other hand, when the mixing time is longer than 10 hours, the gelation proceeds and the reaction proceeds in a state where the drying is not carried out to reduce the surface area of the formed structure, can do.
몇몇 구현예에서 단계 S1의 혼합 용액에 가교제가 더 추가될 수 있다. 상기 가교제는 복합체의 입자크기를 증대시키는 역할을 한다. 상기 가교제는 디메톡시메탄, 1,3,5-트리옥산, 파라포름알데히드 α,α'-디클로로-o-자일렌 및 α,α'-디클로로-p-자일렌으로 이루어진 군 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다. 바람직하게는 경제성을 고려하여 1,3,5-트리옥산 또는 파라포름알데히드를 사용할 수 있다.In some embodiments, a cross-linking agent may be added to the mixed solution of step S1. The crosslinking agent serves to increase the particle size of the composite. Wherein the crosslinking agent is selected from the group consisting of dimethoxymethane, 1,3,5-trioxane, paraformaldehyde?,? '-Dichloro-o-xylene and?,? Or more. Preferably, 1,3,5-trioxane or paraformaldehyde can be used in view of economical efficiency.
단계 S2에서, 상기 혼합용액을 반응시켜 가교 결합구조를 갖는 다공성 구조체를 형성한다. 반응 시간은 5초 이상 및 50 시간 이하인 것이 바람직하다. 상기 반응시간이 5초 미만에서는 반응이 잘 이루어지지 않으며, 50시간 초과에서는 완전한 반응이 진행되어 이상의 반응은 무의미하다. 통상 10초 내지 1시간 반응시키는 것이 바람직하다. 반응 온도는 0 내지 70 일 수 있으며, 통상 구조체의 반응속도 및 생성 부산물 및 미반응 원료의 확산 속도에 따른 표면구조 형성 측면에서 실온 이상 50 이하 정도가 바람직하다.In step S2, the mixed solution is reacted to form a porous structure having a crosslinked structure. The reaction time is preferably 5 seconds or more and 50 hours or less. When the reaction time is less than 5 seconds, the reaction is not performed well, and when the reaction time exceeds 50 hours, the complete reaction proceeds and the reaction is meaningless. It is usually preferable to carry out the reaction for 10 seconds to 1 hour. The reaction temperature may be from 0 to 70, and usually from room temperature to about 50 or less in terms of formation of the surface structure depending on the reaction rate of the structure and by-products generated and the diffusion rate of the unreacted raw material.
다음 단계 S3에서, 상기 가교결합 구조체를 정제 및 건조하여 최종 생성물을 얻는다. 반응 종료후 상기 가교결합 구조체를 여과하여 고체상의 최종 생성물과 액체상의 미반응물 및 부반응물들을 분리해낼 수 있다. 여과분리 후 적절한 유기 용매를 이용하여 세척할 수 있다. 다음 세척 후 수시간동안 실온에서 최종 생성물을 건조할 수 있으나, 대부분의 부산물이 건조에 의하여 제거되므로 고순도의 원료를 사용한 경우 건조만으로 충분하다. 대체로 실온 근방의 온도에서 건조시키는 것이 바람직하며 경우에 따라 실온 이상의 온도로 승온하여 건조시 구조체가 파괴될 수도 있다. In the next step S3, the crosslinking structure is purified and dried to obtain the final product. After completion of the reaction, the cross-linked structure may be filtered to separate the solid end product and the liquid non-reactant and side reactants. After filtration, it can be washed with an appropriate organic solvent. The final product can be dried at room temperature for several hours after the next washing, but most of the by-products are removed by drying. Therefore, drying using high purity raw materials is sufficient. In general, it is preferable to dry at a temperature near the room temperature, and in some cases, the structure may be destroyed during drying by raising the temperature to room temperature or higher.
다른 구현예에서, 다공성 유무기 복합체의 제조시 상술한 단계 S2에서 상기 반응에 의해 겔화가 진행되는 반응 혼합물을 사출할 수 있다. 원하는 형상의 구조체를 만들기 위해 바람직하게는, 직경 0.05 내지 10mm의 노즐을 통해 상기 반응 혼합물을 사출할 수 있다. 사출과정에서 노즐의 직경이 0.05 mm 미만에서는 원활한 사출이 일어나지 않으며, 빠른 건조로 인해 반응 완결도가 낮아질 수 있다. 또한 10 mm 초과에서는 사출 생성된 구조체의 내부 건조과정이 느리게 이루어질 수 있으므로 원하는 표면 특성을 얻기 어렵다. 건조시간이 1시간 미만에서는 건조과정과 반응 완결도가 낮아지므로 원하는 특성을 얻을 수 없다. 상기 사출 방식에 의하여 세척 및 여과 단계없이 건조만으로 제조할 수 있는 장점이 있다. In another embodiment, in the preparation of the porous organic-inorganic hybrid material, the reaction mixture in which gelation proceeds by the above-mentioned reaction in step S2 described above can be injected. The reaction mixture can preferably be injected through a nozzle having a diameter of 0.05 to 10 mm in order to make the structure of the desired shape. If the diameter of the nozzle is less than 0.05 mm in the injection process, the injection does not occur smoothly, and the completion of the reaction may be lowered due to the quick drying. In addition, if it exceeds 10 mm, the internal drying process of the injection-molded structure may be slow, and it is difficult to obtain desired surface characteristics. If the drying time is less than 1 hour, the desired properties can not be obtained because the drying process and the completion degree of the reaction are lowered. It is advantageous in that it can be manufactured only by drying without washing and filtration step by the injection method.
상술한 제조방법의 구체적인 예로 에탄올 용매에서 3-아미노프로필트리에톡시실란 또는 3-아미노프로필트리메톡시실란과 같은 아미노실란을 정제수와 테트라에틸오르토규산과 반응시켜 가교 반응을 수행하는 방법이 있다. 이 경우 최종 가교결합된 다공체는 아민기 함유 다공성으로 18 중량% 이상의 우수한 CO2 흡착, 흡수능을 가질 수 있다. 생성된 다공성 유무기 복합체는 상기 화학식 1에 나타난 바와 같이 실리콘을 중심으로 입체형의 견고한 결합구조를 가질 수 있다. 그 결과 처음엔 무색이었던 원료 혼합물이 최종 유무기 복합체의 생성 후에는 하얀색을 나타낸다.As a specific example of the above-mentioned production method, there is a method in which an aminosilane such as 3-aminopropyltriethoxysilane or 3-aminopropyltrimethoxysilane is reacted with purified water and tetraethylorthosilicate in an ethanol solvent to perform a crosslinking reaction. In this case, the final crosslinked porous body may have an excellent CO 2 adsorption / absorption capacity of 18% by weight or more with an amine group-containing porosity. The resulting porous organic-inorganic hybrid material may have a rigid bonding structure of three-dimensional shape around the silicon as shown in the above formula (1). As a result, the initially colorless raw material mixture becomes white after the final organic / inorganic composite is formed.
도 2는 3-아미노프로필트리에톡시실란(APTS)과 테트라에틸오르토규산(SiO2)을 이용하여 합성된 본 발명이 제공하는 다공성 유무기 복합체로서 각 원료의 혼합비에 따른 다양한 복합체의 FT-IR 분석결과를 나타낸 것이다. 각각의 혼합비는 (a) APTS, (b) 5% SiO2/APTS (c) 10% SiO2/APTS (d) 20% SiO2/APTS (e) 30% SiO2/APTS (f) 40% SiO2/APTS (g) 50% SiO2/APTS 이다. 상기 SiO2에 백분율 표기는 반응 후 구조체에 존재하는 SiO2의 중량을 나타낸 것으로 반응원료인 테트라에틸오르토규산의 양에 따라 변화된 수치이다. 즉, 테트라에틸오르토규산과 3-아미노프로필트리에톡시실란의 에탄기가 반응시 분리되므로 반응 완료시 두 원료의 에탄기가 제거된 후 무게비율을 나타낸다. 따라서 두 성분의 혼합비에 따른 적외선 흡수특성을 나타낸다. 도 2에서 1620 cm-1의 파장은 -OH 결합을 나타내며, 산화규소의 양이 증가됨에 따라 피크 세기가 증가되는 것으로 나타났다. 1300 cm-1의 파장은 -CN을 나타내며 APTS의 함량이 감소함에 따라 피크 세기가 감소하는 것으로 나타났다. 1000~1200 cm-1의 파장은 Si-O-Si를 나타내며, 피크의 폭이 증대됨에 따라 흡수도도 증대되는 것으로 나타난다. 또한 960 cm-1의 파장은 Si-OH를 나타낸다. 따라서 본 발명의 아민기 함유 다공성 유무기 복합체는 원료물질과 정제수가 반응하여 생성된 것임을 알 수 있다.FIG. 2 is a porous organic-inorganic hybrid composite prepared by using 3-aminopropyltriethoxysilane (APTS) and tetraethyl orthosilicate (SiO 2 ) according to the present invention. The FT-IR The results of the analysis are shown. Each of the mixing ratio (a) APTS, (b) 5
도 3은 본 발명의 일 구현예에 다른 다공성 유무기 복합체의 형상을 나타낸 주사전자현미경 사진이다. 도 3을 참조하면, 상기 다공성 유무기 복합체는 화학식 1과 같이 실리콘을 중심으로 아민기가 결합된 형태를 가지는 실리카 유사구조임을 알 수 있다.3 is a scanning electron microscope (SEM) image of a porous organic-inorganic hybrid material according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3, it can be seen that the porous organic-inorganic hybrid material is a silica-like structure having a structure in which an amine group is bonded around silicon as shown in Formula 1.
상술한 바와 같이 본 발명의 일 구현예에 따른 다공성 유무기 복합체는 종래 흡착제의 단점을 보완하고 흡착 분리효율을 높힐 수 있는 흡착제로 사용가능하다. 또한 상술한 다공성 유무기 복합체는 이산화탄소의 분리만이 아닌 다양한 용도로 사용이 가능하다. 미세기공을 이용하여 휘발성 유기화합물, 산성 및 알칼리 가스, 불소화합물 가스, 중금속 등의 흡착 및 분리가 가능하며, 이는 기상과 액상 환경에서 작동될 수 있다. 또한 유기물과 무기물의 복합 구조체를 지니고 있으므로 마모에 강하므로 다양한 분체공정에 사용이 가능하고, 기존에 제시된 흡착제보다 0에서 150의 온도범위에서 높은 흡착효율을 나타낸다.As described above, the porous organic-inorganic hybrid material according to one embodiment of the present invention can be used as an adsorbent capable of improving the disadvantages of the conventional adsorbent and increasing the efficiency of adsorbing and separating. In addition, the porous organic-inorganic hybrid material described above can be used for various purposes other than separation of carbon dioxide. It is possible to adsorb and separate volatile organic compounds, acidic and alkali gases, fluorine compound gases, heavy metals, etc. using micropores, which can be operated in the gas and liquid environments. In addition, it has a composite structure of organic and inorganic materials. Therefore, it can be used for various powder processes because it is resistant to abrasion, and exhibits high adsorption efficiency in a temperature range of 0 to 150 than that of the existing adsorbent.
또한, 복합체의 구조 내에 존재하는 아민기와 미세기공에서 발생되는 흡착과정에서 본 발명의 일 구현예에 따른 다공성 유무기 복합체의 표면의 아민기와 이산화탄소의 결합에너지가 액체상 아민과 이산화탄소의 결합에너지보다 작게 나타나므로 탈착에너지 양도 액상 아민과 비교하여 낮게 나타날 수 있다. 따라서 이산화탄소 분리 공정에서 적은 에너지 소모량 및 높은 분리능과 우수한 선택성으로 인하여 타 고체흡착제 및 고체 흡수제에 비하여 우수한 성능이 나타난다. 또한 산성가스인 SOx, NOx에 대한 높은 흡착량을 나타내며, 가역적 흡착과 탈착이 일어나며, 휘발성 유기화합물과 CF4 등에 대하여도 높은 흡착량과 재생성을 지니고 있다.Also, in the adsorption process occurring in the amine groups and micropores existing in the structure of the complex, the binding energy between the amine group and carbon dioxide on the surface of the porous organic-inorganic hybrid material according to one embodiment of the present invention is smaller than the binding energy between the liquid amine and carbon dioxide So the desorption energy transfer can be lower compared to the liquid amine. Therefore, the carbon dioxide separation process shows better performance than other solid adsorbents and solid absorbents due to low energy consumption, high resolution, and excellent selectivity. In addition, it exhibits a high adsorption amount for SOx and NOx which are acid gases, reversible adsorption and desorption occur, and volatile organic compounds and CF 4 And also has a high adsorption amount and regeneration ability.
종래 기술에 의하면, 메조구조체를 합성하고 아민기 화합물을 그라프팅하여 실리카 기반 아민부여 화합물을 제조하므로 공정이 복잡하고 비용이 많이 든다. 반면, 본 발명의 일 구현예에 따른 다공성 유무기 복합체의 제조방법에 따르면 단순한 공정으로 아민기 존재 실리카 화합물을 제조할 수 있으며 거대 기공에 의한 표면특성에 의하여 통상적 방법에 의하면 제조된 구조체보다 높은 흡착량과 빠른 속도를 얻을 수 있다.According to the prior art, the process is complicated and costly because the meso structure is synthesized and the amine group compound is grafted to produce the silica-based amine-imparting compound. On the other hand, according to the process for producing a porous organic-inorganic hybrid material according to an embodiment of the present invention, an amine group-containing silica compound can be produced by a simple process, and a high adsorption And the speed can be obtained.
이하 본 발명을 구체적인 실시예들을 들어 설명하고자 하나, 본 발명의 기술적 사상이 이하의 실시예들에 의해 제한되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described with reference to specific embodiments, but the technical idea of the present invention is not limited by the following embodiments.
<실시예 1>≪ Example 1 >
3-아미노프로필트리에톡시실란과 테트라에틸오르토규산을 이용한 아민기 함유 유무기 복합체 제조(5% SiO2/APTES)Preparation of amine group-containing organic / inorganic composite (5% SiO 2 / APTES) using 3-aminopropyltriethoxysilane and tetraethylorthosilicate.
3-아미노프로필트리에톡시실란[알드리치화학, 미국] 1.0 g에 테트라에틸오르토규산[알드리치화학, 미국] 0.17 g, 정제수 0.3 g을 첨가하였다. 첨가 후 실온에서 완전혼합이 되도록 혼합하였다. 혼합시간은 5분으로 하였다.0.17 g of tetraethyl orthosilicate (Aldrich Chemical, USA) and 0.3 g of purified water were added to 1.0 g of 3-aminopropyltriethoxysilane (Aldrich Chemical Co., USA). After the addition, they were mixed so as to be completely mixed at room temperature. The mixing time was 5 minutes.
혼합되어 겔화가 진행되는 반응 혼합물을 지름 0.1 mm 이상 10 mm 이하의 노즐을 통하여 사출하였다. 사출된 혼합체는 반응에 의하여 투명한 색에서 흰색으로 변화하며, 실온 상태에서 10분에서 15분 사이에 반응이 완결되므로 반응과 동시에 건조된다. 건조시간은 1시간 이상을 유지하였다. 실온 건조 후 흰색 막대형 가교결합 구조체를 완성하였으며, 이를 분쇄하여 평균크기 200㎛, 밀도 1440kg/m3의 구조체를 제조하였다. The reaction mixture, which was mixed and gelled, was injected through a nozzle having a diameter of 0.1 mm or more and 10 mm or less. The injected mixture changes from transparent color to white by the reaction, and the reaction is completed within 10 to 15 minutes at room temperature, so it is dried at the same time as the reaction. Drying time was maintained at least 1 hour. After drying at room temperature, a white rod-like cross-linked structure was completed and pulverized to prepare a structure having an average size of 200 μm and a density of 1440 kg / m 3 .
이때 건조 온도는 0 이상 100이하이며, 0 미만이면 반응과 건조가 느려 가교결합이 충분히 일어나지 않고 반응부산물의 확산이 느려 가교결합 구조체를 얻을 수 없으며, 100℃ 초과 온도에서는 빠른 건조로 인하여 가교결합이 충분히 일어나지 않으므로 가교결합 구조체를 얻을 수 없다.
In this case, the drying temperature is from 0 to 100, and if it is less than 0, the reaction and drying are slow, the crosslinking is not sufficiently performed, the diffusion of reaction by-products is slow and the crosslinking structure can not be obtained. The crosslinking structure can not be obtained.
<실시예 2>≪ Example 2 >
3-아미노프로필트리에톡시실란과 테트라에틸오르토규산을 이용한 아민기 함유 유무기 복합체 제조(10% SiO2/APTES)Preparation of amine group-containing organic / inorganic composite (10% SiO 2 / APTES) using 3-aminopropyltriethoxysilane and tetraethylorthosilicic acid
3-아미노프로필트리에톡시실란[알드리치화학, 미국] 1.0 g에 테트라에틸오르토규산[알드리치화학, 미국] 0.24 g, 정제수 3.2 g을 첨가한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하였다. 하기 표 1에 다양한 시료의 조성을 나타내었다.
Except that 0.2 g of tetraethyl orthosilicate (Aldrich Chemical Co., USA) and 3.2 g of purified water were added to 1.0 g of 3-aminopropyltriethoxysilane (Aldrich Chemical Co., USA) . The composition of various samples is shown in Table 1 below.
<실시예 3>≪ Example 3 >
부탄올과 3-아미노프로필트리에톡시실란 및 테트라에틸오르토규산을 이용한 아민기 함유 유무기 복합체 제조(5% SiO2/APTES-1)(5% SiO 2 / APTES-1) using butanol, 3-aminopropyltriethoxysilane and tetraethylorthosilicic acid.
3-아미노프로필트리에톡시실란[알드리치화학, 미국] 1.0 g, 테트라에틸오르토규산[알드리치화학, 미국] 0.163 g, 부탄올[알드리치화학, 미국] 1.0 g을 첨가하여 완전 혼합한 후 정제수 0.42 g을 첨가하였다. 첨가 후 실온에서 7분 동안 교반 혼합하며 반응을 진행시켰다. 반응이 진행됨에 따라 흰색으로 색상이 변화하는 것을 확인하였다. 반응 종료후 여과를 수행하였다. 여과를 위해 반응생성물을 여과포를 이용하여 고체 생성물과 미량의 액체상 미반응물 및 부생성물을 분리하였다. 여과분리후 디에틸에테르(diethyl ether) [알드리치화학, 미국] 25ml을 이용하여 세척하였다. 세척 후 2시간 이상 실온에서 건조하였다. 다양한 샘플들의 원료 조성을 하기 표 2에 나타내었다.
1.0 g of 3-aminopropyltriethoxysilane (Aldrich Chemical Co., USA), 0.163 g of tetraethyl orthosilicate (Aldrich Chemical, USA) and 1.0 g of butanol [Aldrich Chemical Co., USA] were added and thoroughly mixed. . After the addition, the mixture was stirred at room temperature for 7 minutes to carry out the reaction. As the reaction proceeded, the color changed to white. After completion of the reaction, filtration was carried out. For filtration, the reaction product was separated from the solid product and a small amount of the liquid non-reactant and by-product using a filter cloth. After filtration, the mixture was washed with 25 ml of diethyl ether (Aldrich Chemical, USA). After washing, it was dried at room temperature for 2 hours or more. The raw material compositions of the various samples are shown in Table 2 below.
<실시예 4><Example 4>
에탄올과 3-아미노프로필트리에톡시실란 및 테트라에틸오르토규산을 이용한 아민기 함유 유무기 복합체 제조(5% SiO2/APTES-1)(5% SiO 2 / APTES-1) using ethanol, 3-aminopropyltriethoxysilane and tetraethylorthosilicic acid.
부탄올 대신에 에탄올을 사용하여 가교결합체를 제조한 점을 제외하고, 상기 실시예 3과 동일한 방법으로 유무기 복합체를 제조하였다. 에탄올[알드리치화학, 미국]은 1.0g 사용하였다.
An organic-inorganic hybrid material was prepared in the same manner as in Example 3, except that ethanol was used instead of butanol to prepare a crosslinked product. Ethanol (Aldrich Chemical, USA) was used in an amount of 1.0 g.
<실시예 5~7>≪ Examples 5 to 7 >
3-아미노프로필트리에톡시실란 및 테트라에틸오르토규산을 이용한 아민기 함유 유무기 복합체 제조(5% SiO2/APTES-2)(5% SiO 2 / APTES-2) with 3-aminopropyltriethoxysilane and tetraethylorthosilicic acid.
상기 실시예 3과 동일한 방법으로 수행하되, 실시예 5~7에 대해 각각 프로판올 1.0 g (실시예 5), 펜탄올 1.0 g(실시예 6), 메탄올 1.0 g (실시예 7)을 사용하고 각각 파라포름알데히드 0.06mol을 사용하여 가교결합 구조체를 제조하였다.
(Example 5), 1.0 g of pentanol (Example 6) and 1.0 g of methanol (Example 7) were used in the same manner as in Example 3, except that propanol 1.0 g (Example 5), 1.0 g 0.06 mol of paraformaldehyde was used to prepare a crosslinked structure.
<실시예 8~10>≪ Examples 8 to 10 >
다양한 실란 및 테트라에틸오르토규산을 이용한 아민기 함유 유무기 복합체 제조(5% SiO2/APTES-2)(5% SiO 2 / APTES-2) with various silanes and tetraethylorthosilicic acid.
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하되, 실시예 8~7에 대해 각각 3-아미노프로필트리에톡시실란 대신 3-아미노프로필트리메톡시실란(3-Aminopropyltrimethoxysilane) 1.0 g (실시예 8), 2-아미노에틸-3-아미노프로필트리메톡시실란(2-Aminoethyl-3-aminopropyltrimethoxysilane) 1.0 g (실시예 9), 3-아미노프로필메틸다이에톡시실란(3-Aminopropylmethyldiethoxysilane)올 1.0 g (실시예 10)을 사용하여 가교결합 구조체를 제조하였다.
Except that 1.0 g of 3-aminopropyltrimethoxysilane (Example 8) and 2 g of 3-aminopropyltrimethoxysilane were used in place of 3-aminopropyltriethoxysilane for Examples 8 to 7, respectively, 1.0 g of 3-aminopropylmethyldiethoxysilane (Example 10), 1.0 g of 2-aminoethyl-3-aminopropyltrimethoxysilane (Example 9) and 1.0 g of 3-aminopropylmethyldiethoxysilane ) Was used to prepare a crosslinked structure.
<실시예 11>≪ Example 11 >
부탄올과 3-아미노프로필트리에톡시실란 및 테트라에틸오르토규산을 이용한 아민기 함유 유무기 복합체 제조(5% SiO2/APTES-3)(5% SiO 2 / APTES-3) using butanol, 3-aminopropyltriethoxysilane and tetraethylorthosilicic acid.
상기 실시예 3과 동일한 방법으로 혼합반응 공정까지 수행하되 실시예 3의 방법을 이용하고 이후 여과세척공정을 수행하지 않고 실시예 1의 방법으로 사출하여 건조하는 방법으로 가교결합 구조체를 제조하였다. 또한 상기 표 2의 조성으로 제조가 가능하였으며, 유사한 이산화탄소 흡착능을 나타내었다.
The crosslinking structure was prepared by the same method as in Example 3 except that the mixing reaction step was carried out but the method of Example 3 was used and the filtration washing step was not carried out, followed by injection and drying by the method of Example 1. [ Also, it was possible to produce the composition of Table 2 and showed similar carbon dioxide adsorbing ability.
<실시예 12~15>≪ Examples 12 to 15 &
부탄올과 3-아미노프로필트리에톡시실란 및 테트라에틸오르토규산을 이용한 아민기 함유 유무기 복합체 제조(5% SiO2/APTES-3)(5% SiO 2 / APTES-3) using butanol, 3-aminopropyltriethoxysilane and tetraethylorthosilicic acid.
상기 실시예 11과 동일한 방법으로 수행하되, 실시예 12~15에 대해 각각 부탄올 대신 에탄올을 1.0 g (실시예 12), 프로판올 1.0 g (실시예 13), 펜탄올 1.0 g(실시예 14), 메탄올 1.0 g (실시예 15)을 사용하고 각각 파라포름알데히드 0.06mol을 추가로 사용하여 가교결합 구조체를 제조하였다.
Except that 1.0 g of ethanol (Example 12), 1.0 g of propanol (Example 13), 1.0 g of pentanol (Example 14), and 1.0 g of ethanol were used in place of butanol for Examples 12 to 15, respectively, A cross-linked structure was prepared using 1.0 g of methanol (Example 15) and 0.06 mol of paraformaldehyde, respectively.
<비교예><Comparative Example>
실리카(MCM-48, 비표면적 1012 /g, 세공경 3.1nm) 2g을 진공 건조한다. 알곤가스 분위기에서 건조된 실리카에 무수톨루엔[알드리치화학, 미국]을 30cc 첨가하고 진공을 이용하여 기공내로 톨루엔이 고르게 분사되게 한 후 아미노프로필트리에톡시실란[알드리치화학, 미국]을 실리카 몰비의 10배 첨가한다. 상온에서 알곤 분위기하에서 6시간 교반하여 고르게 분산되게 한다. 이를 냉각기가 설치된 환류장치에 장착하고 가열기의 표면온도를 150℃를 유지한 상태에서 12시간 교반 가열한다. 가열이 종료된 후 여과하여 아민기가 그라프팅된 실리카 흡착제와 미반응 반응물 및 반응생성물을 분리한다. 분리 과정 중에 메틸크로라이드[알드리치화학, 미국]를 이용하여 세척을 수행한다. 세척이 끝난 후 소렉스 형태의 세척기에 분리된 흡착제를 넣고 메틸크로라이드[알드리치화학, 미국]를 100cc 첨가하여 반응기 표면 온도를 80℃로 유지한 상태에서 3시간 교반한다. 교반이 종료된 후 에틸알콜[알드리치화학, 미국]을 이용하여 세척 여과한다. 여과된 흡착제를 110℃건조기에 24시간 건조하여 유기용매를 완전히 제거한다
2 g of silica (MCM-48, specific surface area 1012 / g, pore size 3.1 nm) is vacuum-dried. 30 cc of anhydrous toluene [Aldrich Chemical, USA] was added to the dried silica in an argon gas atmosphere, and toluene was evenly injected into the pores by using a vacuum. Aminopropyltriethoxysilane (Aldrich Chemical Co., USA) Add the pear. The mixture was stirred at room temperature in an argon atmosphere for 6 hours to be evenly dispersed. This was placed in a reflux apparatus equipped with a condenser, and the mixture was heated with stirring for 12 hours while maintaining the surface temperature of the heater at 150 占 폚. After the heating is completed, the silica adsorbent, in which the amine group is grafted, is separated by filtration, the unreacted reactant and the reaction product. Cleaning is carried out using methylchloride [Aldrich Chemical, USA] during the separation process. After the washing, the separated adsorbent is put in a Solex type washing machine and 100 cc of methyl chloride (Aldrich Chemical, USA) is added, and the reaction is continued for 3 hours while the surface temperature of the reactor is maintained at 80 ° C. After stirring is completed, the mixture is washed with ethyl alcohol (Aldrich Chemical, USA). The filtered adsorbent is dried in a 110 ° C drier for 24 hours to completely remove the organic solvent
<평가><Evaluation>
실시예에서 얻은 샘플들의 확산반사 자외선-가시광선 (DRS UV-Vis) 스펙트럼을 SCINCO Neosys 2000 분광기로 기록하였다. FT-IR 분광기(Nicolet IR 200)에서 4000 및 400cm-1 사이에서 4cm-1의 해상도로 실온에서 푸리에 변환 적외선(FT-IR) 스펙트럼을 기록하였다.The diffuse reflected ultraviolet-visible light (DRS UV-Vis) spectrum of the samples obtained in the examples was recorded with a
Belsorp mini II 수착 분석기를 이용하여 영하 196에서 질소 흡탈착 등온선을 측정하였다. 각 흡착도 측정 전에 샘플들은 10-5 mbar 미만의 진공에서 150℃에서 탈기하였다. Brunauer-Emmett-Teller(BET) 식의 직선 부분으로부터 표면적을 측정하였다.열중량분석기(Scinco TGA N1000)를 사용하여 각 샘플들에 대해 CO2(99.999% 순도) 및 N2를 이용하여 CO2 흡탈착 측정을 수행하였다. 약 10mg의 샘플을 백금 샘플 팬에 적재하여 N2 분위기에서 150℃로 초기 활성화를 수행하였다. 그리고 CO2 흡착을 위해 25℃로 낮추었다. 탈착은 N2를 흘려주면서 25 내지 150℃로 온도를 서서히 승온하여 수행하였다. 또한 탈착 분석기(Autochem II 2920)를 이용하여 이산화탄소에 대한 배기가스 모사 조건에서 이산화탄소에 대한 흡탈착 실험을 수행하였다. 실험 조건은 측정온도 : 55℃, 유량 : 80 mL/min(CO2 15%, H2O 3.8%, He 81.2%)인 수분이 존재하는 상태로 하여 흡착속도 및 흡착량을 검증하였다. 또한 흡탈착 실험의 대상 기체로서 이산화탄소 만이 아닌 휘발성유기화합물, SO2, NO 및 대표적인 불화가스인 CF4에 대한 흡착능을 측정하였다. The nitrogen adsorption / desorption isotherms were measured at-196 using a Belsorp mini II sorption analyzer. Before each adsorption measure, the samples were degassed at 150 ° C in a vacuum of less than 10 -5 mbar. The surface area from the Brunauer-Emmett-Teller (BET), the linear portion of the expression was measured. Thermogravimetric analysis (Scinco TGA N1000) the CO 2 absorbing and for each of the samples using a CO 2 (99.999% purity) and N 2 using Desorption measurements were performed. Approximately 10 mg of sample was loaded into a platinum sample pan and initial activation was performed at 150 캜 in an N 2 atmosphere. And lowered to 25 ° C for CO 2 adsorption. The desorption was carried out by gradually raising the temperature to 25 to 150 캜 while flowing N 2 . In addition, adsorption / desorption experiments on carbon dioxide were carried out under the exhaust gas simulation conditions for carbon dioxide using a desorption analyzer (Autochem II 2920). The experimental conditions were as follows: the adsorption rate and the amount of adsorption were verified in the presence of water at a measurement temperature of 55 ° C and a flow rate of 80 mL / min (
상기 실시예 및 비교예의 BET 표면적 및 CO2 수착능을 표 3에 나타내었다. 하기 표 3을 참조하면, 각 실시예에 따른 원료 물질에 의하여 표면적과 이산화탄소 흡착량은 차이를 나타내며, 이는 반응시간 및 실리콘 전구체와 알콕시실란 화합물의 혼합비에 의하여 조절이 가능하다. 상기 원료물질들의 다양한 조합에 의하여 우수한 흡착능을 나타내는 다공성 유무기 복합체를 얻을 수 있음을 알 수 있다. The BET surface area and CO 2 sorption capacity of the above Examples and Comparative Examples are shown in Table 3. Referring to Table 3, the surface area and the amount of carbon dioxide adsorption differ depending on the raw materials according to each example, which can be controlled by the reaction time and the mixing ratio of the silicon precursor and the alkoxysilane compound. It can be seen that a porous organic-inorganic hybrid material exhibiting excellent adsorptivity can be obtained by various combinations of the raw materials.
또한 이산화탄소의 분리공정 운전시 중요한 특성은 흡착속도이다. 측정된 흡착속도를 도 4에 나타내었다. 도 4는 15 부피% 이산화탄소와 3.8 부피% 수분이 존재하는 흐름에서 이산화탄소의 흡수특성을 나타낸 결과이다. 타 흡착제 또는 흡수제에 비하여 매우 빠른 흡수속도를 나타내는 것을 알 수 있다. 또한 도 5는 본 발명이 제공하는 아민기가 존재하는 다공성 유무기 복합체의 온도에 따른 흡수속도를 나타낸 것이다. 도 5는 다공성 유무기 복합체 중량의 8 wt.%가 흡수되는 시간을 나타낸 것으로 넓은 온도 범위에서 빠른 흡수속도를 나타내는 것을 알 수 있다. 도 6은 이산화탄소의 흡수와 재생을 반복운전으로 나타낸 것으로 본 발명의 일 구현예에 따른 다공성 유무기 복합체 사용시 가역적으로 운전이 가능함을 알 수 있다. 도 7은 본 발명의 일 구현예에 따른 다공성 유무기 복합체를 이용하여 이산화황가스에 대한 흡착 실험을 한 결과를 나타낸다. 이산화탄소에 비하여 높은 흡착량과 속도를 나타낸다. 도 8은 본 발명의 일 구현예에 따른 다공성 유무기 복합체를 이용하여 일산화질소에 대한 흡착 실험을 한 결과를 나타낸다. 도 9는 본 발명의 일 구현예에 따른 다공성 유무기 복합체를 이용하여 일산화탄소에 대한 흡착 실험을 한 결과를 나타낸다. 도 10은 본 발명의 일 구현예에 따른 다공성 유무기 복합체를 이용하여 휘발성유기화합물인 메틸에틸케톤(MEK)에 대한 흡착 실험을 한 결과를 나타낸다. 도 11은 본 발명의 일 구현예에 따른 다공성 유무기 복합체를 이용하여 황화수소에 대한 흡착 실험을 한 결과를 나타낸다.In addition, the adsorption rate is an important characteristic in the separation process of carbon dioxide. The measured adsorption rate is shown in Fig. FIG. 4 shows the absorption characteristics of carbon dioxide in the presence of 15 vol.% Carbon dioxide and 3.8 vol.% Water. It shows a very fast absorption rate as compared with other adsorbents or absorbents. FIG. 5 is a graph showing absorption rates of porous organic-inorganic hybrid materials having amine groups according to the present invention. FIG. 5 shows the absorption time of 8 wt.% Of the weight of the porous organic-inorganic hybrid material, indicating a rapid absorption rate over a wide temperature range. FIG. 6 shows the absorption and regeneration of carbon dioxide by repeated operation. It can be seen that the porous organic-inorganic hybrid material according to one embodiment of the present invention can be reversibly operated when using the porous organic-inorganic hybrid material. 7 shows the results of adsorption experiments on sulfur dioxide gas using porous organic-inorganic hybrid materials according to one embodiment of the present invention. It shows higher adsorption amount and rate than carbon dioxide. FIG. 8 shows the results of adsorption experiments on nitrogen monoxide using a porous organic-inorganic hybrid material according to an embodiment of the present invention. 9 shows the results of adsorption experiments on carbon monoxide using porous organic-inorganic hybrid materials according to one embodiment of the present invention. FIG. 10 shows the results of adsorption experiments on methyl ethyl ketone (MEK), a volatile organic compound, using porous organic-inorganic hybrid materials according to an embodiment of the present invention. 11 shows the results of adsorption experiments on hydrogen sulfide using porous organic-inorganic hybrid materials according to one embodiment of the present invention.
상술한 실험 결과로부터 본 발명의 일 구현예에 따른 다공성 유무기 복합체가 다양한 가스에 대하여 흡착능을 지니고 있으며, 특히 산성가스에 대하여 높은 가역적 흡착능을 지님을 알 수 있다.From the above-described experimental results, it can be seen that the porous organic-inorganic hybrid material according to one embodiment of the present invention has adsorbability to various gases, and particularly has a high reversible adsorbability against acid gas.
Claims (14)
상기 골격을 구성하는 알콕시실란 화합물에 의하여 제공된 아민기가 도입된 미세 기공을 포함하되,
상기 -Si-O- 결합은 하기 화학식 2로 표시되는 삼중고리 및 하기 화학식 3으로 표시되는 이중고리 구조 중에서 선택된 1이상의 고리 구조를 포함하고,
상기 골격을 구성하는 알콕시실란 화합물에 포함되어있던 개수만큼의 아민기가 골격의 측쇄를 구성하고 남은 측쇄를 히드록시기가 구성하며,
여기서 아민 말단기를 구비한 알콕시실란 화합물과 실리카 전구체는 1: 0.01~0.5의 몰비로 포함되는 것인 다공성 유무기 복합체:
[화학식 2]
[화학식 3]
A skeleton having a cross-linked structure in which an alkoxysilane compound having an amine terminal group and a silica precursor are connected to each other by -Si-O- bond; And
And micropores into which an amine group provided by the alkoxysilane compound constituting the above skeleton is introduced,
The -Si-O- linkage includes at least one ring structure selected from a triple ring represented by the following formula (2) and a double ring structure represented by the following formula (3)
The number of the amine groups contained in the alkoxysilane compound constituting the skeleton constitutes the side chain of the skeleton and the remaining side chain constitutes the hydroxy group,
Wherein the alkoxysilane compound having an amine terminal group and the silica precursor are contained in a molar ratio of 1: 0.01 to 0.5:
(2)
(3)
상기 알콕시실란 화합물은 H2N-L-Si(OR)3의 구조를 가지되, 상기 L은 C1 내지 C12의 알킬렌 또는 C6 내지 C20의 아릴렌이거나 상기 알킬렌과 상기 아릴렌이 임의로 결합된 것이고, 상기 L의 주쇄의 일부가 0 내지 4개의 -NH-로 치환된 것이며, 상기 R은 수소 또는 C1 내지 C8의 알킬인 다공성 유무기 복합체.The method according to claim 1,
Wherein said alkoxysilane compound has a structure of H 2 NL-Si (OR) 3 , L is C 1 to C 12 alkylene or C 6 to C 20 arylene, or said alkylene and said arylene are optionally And wherein part of the backbone of L is substituted with 0 to 4 -NH-, wherein R is hydrogen or C 1 to C 8 alkyl.
상기 실리카 전구체는 실리케이트인 다공성 유무기 복합체.The method according to claim 1,
Wherein the silica precursor is a silicate.
상기 미세 기공의 표면적이 5 내지 500 m2/g인 다공성 유무기 복합체.The method according to claim 1,
And the surface area of the micropores is 5 to 500 m 2 / g.
상기 미세 기공의 평균 공극 직경이 1 내지 100nm인 다공성 유무기 복합체.The method according to claim 1,
Wherein the average pore diameter of the micropores is 1 to 100 nm.
상기 미세 기공이 상기 -Si-O- 결합으로 이루어진 고리 구조에 의해 형성되는 다공성 유무기 복합체.The method according to claim 1,
Wherein the micropores are formed by a ring structure composed of the -Si-O- bond.
상기 고리 구조에 아민 말단을 갖는 사슬이 그래프트된 다공성 유무기 복합체.9. The method of claim 8,
And a chain having an amine terminal in the ring structure is grafted.
[화학식 1]
A porous organic-inorganic hybrid material according to any one of claims 1 to 3 or 6 to 9, which is a carbon dioxide adsorbent comprising a composite having the following formula:
[Chemical Formula 1]
(b) 상기 혼합용액을 반응시켜 물의 알콕시실란 화합물 가수분해를 통해 알코올이 분해 제거되고 실리콘 분자에 수산화기가 생성된 상태로 실리카 전구체의 실리콘과 반응하여 Si-O- 결합에 의해 서로 연결되는 가교 결합구조로 이루어진 골격을 형성하고, 여기서 상기 -Si-O- 결합은 이중고리 및 삼중고리 구조 중에서 선택된 1이상의 고리 구조를 포함하며,
상기 알콕시실란 화합물에 포함되어있던 개수만큼의 아민기가 골격의 측쇄를 구성하고 남은 측쇄를 히드록시기가 구성하며 미세기공이 형성된 다공성 구조체를 형성하는 단계; 및
(c) 상기 다공성 구조체를 정제 및 건조하여 최종 생성물을 얻는 단계를 포함하는 다공성 유무기 복합체의 제조방법.(a) an alkoxysilane compound having an amine end group, a silica precursor, water and an alcohol solvent, wherein the alkoxysilane compound having an amine end group and the silica precursor are mixed in a molar ratio of 1: 0.01-0.5 in water and an alcohol Wherein the solvent comprises 10 to 500 parts by weight and in the range of 0.0001 to 500 parts by weight based on 100 parts by weight of the silica precursor;
(b) crosslinking in which the alcohol is decomposed and removed through the hydrolysis of alkoxysilane compound of water by reacting with the mixed solution, and the silicon is reacted with silicon of the silica precursor in the state where hydroxyl groups are generated in the silicon molecules and are connected to each other by Si- Structure, wherein the -Si-O- bond comprises at least one ring structure selected from a double ring and a triple ring structure,
Forming a porous structure in which a number of amine groups contained in the alkoxysilane compound constitutes the side chain of the backbone and the remaining side chain is composed of hydroxy groups and micropores are formed; And
(c) purifying and drying the porous structure to obtain a final product.
(b) 상기 혼합용액의 반응에 의해 겔화가 진행되는 반응 혼합물을 직경 0.05 내지 10mm의 노즐을 통해 사출하여 다공성 구조체를 형성하되, 상기 반응은 물의 알콕시실란 화합물 가수분해를 통해 알코올이 분해 제거되고 실리콘 분자에 수산화기가 생성된 상태로 실리카 전구체의 실리콘과 반응하여 Si-O- 결합에 의해 서로 연결되는 가교 결합구조로 이루어진 골격을 형성하고, 여기서 상기 -Si-O- 결합은 이중고리 및 삼중고리 구조 중에서 선택된 1이상의 고리 구조를 포함하며,
상기 알콕시실란 화합물에 포함되어있던 개수만큼의 아민기가 골격의 측쇄를 구성하고 남은 측쇄를 히드록시기가 구성하며 미세기공을 형성하는 단계; 및
(c) 상기 다공성 구조체를 건조하여 최종 생성물을 얻는 단계를 포함하는 다공성 유무기 복합체의 제조방법. (a) an alkoxysilane compound having an amine end group, a silica precursor, water and an alcohol solvent, wherein the alkoxysilane compound having an amine end group and the silica precursor are mixed in a molar ratio of 1: 0.01-0.5 in water and an alcohol Wherein the solvent comprises 10 to 500 parts by weight and in the range of 0.0001 to 500 parts by weight based on 100 parts by weight of the silica precursor;
(b) injecting the reaction mixture in which the gelation proceeds by the reaction of the mixed solution through a nozzle having a diameter of 0.05 to 10 mm to form a porous structure, wherein the alcohol is decomposed and removed through hydrolysis of the alkoxysilane compound of water, Wherein the -Si-O- linkages form a skeleton of a crosslinked structure in which hydroxyl groups are generated in the molecule and are reacted with silicon of the silica precursor and connected to each other by Si-O- ≪ RTI ID = 0.0 > 1, < / RTI >
Forming a side chain of the skeleton by the number of amine groups contained in the alkoxysilane compound and forming a microporosity of the remaining side chain by the hydroxyl group; And
(c) drying the porous structure to obtain a final product.
상기 혼합용액에 가교제가 더 함유된 다공성 유무기 복합체의 제조방법.13. The method according to claim 11 or 12,
Wherein the mixed solution further contains a crosslinking agent.
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Non-Patent Citations (1)
Title |
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이지윤, 2010년 한서대학교 석사학위논문* |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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