KR102062865B1 - A gas separator and a method for manufacturing the same - Google Patents

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KR102062865B1 KR1020180141034A KR20180141034A KR102062865B1 KR 102062865 B1 KR102062865 B1 KR 102062865B1 KR 1020180141034 A KR1020180141034 A KR 1020180141034A KR 20180141034 A KR20180141034 A KR 20180141034A KR 102062865 B1 KR102062865 B1 KR 102062865B1
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김종학
이재훈
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연세대학교 산학협력단
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Abstract

As one aspect of the present invention, provided are a manufacturing method of a gas separation membrane and a gas separation membrane manufactured thereby. The manufacturing method comprises the following steps: (a) mixing a first metal precursor, imidazole or imidazole derivatives, and a solvent to prepare solid particles; (b) mixing the solid particles, a second metal precursor, imidazole or imidazole derivative, and a solvent, heat-treating the same to grow crystals on a surface of the solid particles, and removing the solid particles to produce hollow particles; and (c) mixing the hollow particles and the polymer and molding the mixture. According to the present invention, the permeability and selectivity of the gas separation membrane can be realized in a balanced manner.

Description

기체 분리막 및 그 제조방법{A GAS SEPARATOR AND A METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}GAS SEPARATOR AND A METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME

본 발명은 기체 분리막 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, 유무기 복합 기체 분리막 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a gas separation membrane and a method for manufacturing the same, and more particularly, to an organic-inorganic composite gas separation membrane and a method for producing the same.

가속화되는 화석연료의 사용과 천연가스의 개발로 인해 온실효과의 주범인 이산화탄소의 배출이 늘어나고 있다. 이에 따라, 이산화탄소 분리 기술에 대한 관심 또한 늘어나고 있다.The accelerated use of fossil fuels and the development of natural gas are increasing the emissions of carbon dioxide, the culprit of the greenhouse effect. Accordingly, interest in carbon dioxide separation technology is also increasing.

천연가스 개발에서 이산화탄소/메탄 혼합물로부터 이산화탄소를 분리하는 것은 산성의 이산화탄소가 수송관을 부식시킬 수 있기 때문에 매우 중요한 공정으로 여겨지고 있다. 최근 들어, 분리막 기술은 기존의 전통적인 분리기술인 흡착, 흡수, 증류에 비해 높은 에너지 효율과 낮은 비용으로 각광받고 있다. 하지만 고분자 분리막 기술은 여전히 투과도와 선택도가 상충되는 문제가 있기 때문에 이를 극복하기 위한 많은 연구들이 진행되고 있다.Separation of carbon dioxide from carbon dioxide / methane mixtures in natural gas development is considered a very important process because acidic carbon dioxide can corrode the pipelines. Recently, the membrane technology has been spotlighted with high energy efficiency and low cost compared to the conventional separation technology of adsorption, absorption, and distillation. However, since the polymer membrane technology still has a problem in that the permeability and the selectivity are conflicted, many studies are being conducted to overcome this problem.

그 중, 무기 첨가제와 유기 고분자 매트릭스로 이루어진 혼합 매질 분리막, 즉, 유무기 복합 분리막은 새로운 형식의 기체 분리막으로 급부상하고 있다. 높은 투과선택도를 갖는 물질과 적절한 고분자 매트릭스와의 조합은 고분자 분리막의 한계를 뛰어넘을 수 있을 것으로 생각된다. 탄소나노튜브, 제올라이트, 다공성 금속산화물, 금속유기 구조체(MOF)와 같은 다양한 형식의 무기물들이 첨가제로 사용될 수 있다. 특히, 금속유기 구조체는 금속이온과 배위결합한 유기리간드로 이루어져 있으며 높은 표면적과 특정 기체와의 친밀도로 인해 적용가능성이 높다.Among them, a mixed medium separator composed of an inorganic additive and an organic polymer matrix, that is, an organic-inorganic composite separator has emerged as a new type of gas separator. It is thought that the combination of a material having a high permeability with an appropriate polymer matrix can overcome the limitations of the polymer membrane. Various types of inorganic materials such as carbon nanotubes, zeolites, porous metal oxides, and metal organic structures (MOFs) may be used as additives. In particular, the metal organic structure is composed of organic ligands coordinated with metal ions and is highly applicable due to high surface area and intimacy with a specific gas.

다만, 고분자 매트릭스와 무기물 간 상호작용이 충분히 고려되지 못한 경우, 분리막의 기공이 불균일해져 구조적 안정성이 저하되는 문제가 있으며, 분리막의 제조 시 첨가된 무기물로 인해 가공성이 저하되는 문제가 있다.However, when the interaction between the polymer matrix and the inorganic material is not sufficiently considered, there is a problem in that the pores of the separation membrane is uneven and structural stability is lowered, and the workability is reduced due to the inorganic material added during the manufacture of the separation membrane.

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 기체 분리막의 투과도 및 선택도 간 트레이드-오프(trade-off) 특성을 완화하여 이들을 상호 균형적으로 구현할 수 있는 기체 분리막 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.The present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, an object of the present invention is to mitigate the trade-off characteristics between the permeability and selectivity of the gas separation membrane (gas separation membrane) which can implement them in a mutually balanced manner And to provide a method for producing the same.

본 발명의 일 측면은, (a) 제1 금속 전구체, 이미다졸 또는 이미다졸 유도체, 및 용매를 혼합하여 솔리드 입자를 제조하는 단계; (b) 상기 솔리드 입자, 제2 금속 전구체, 이미다졸 또는 이미다졸 유도체, 및 용매를 혼합 및 열처리하여 상기 솔리드 입자의 표면에 결정을 성장시킨 후 상기 솔리드 입자를 제거하여 중공 입자를 제조하는 단계; 및 (c) 상기 중공 입자 및 고분자를 혼합 및 성형하는 단계;를 포함하는 기체 분리막의 제조방법을 제공한다.One aspect of the invention, (a) mixing the first metal precursor, imidazole or imidazole derivatives, and a solvent to prepare a solid particle; (b) mixing the solid particles, the second metal precursor, the imidazole or the imidazole derivatives, and the solvent to grow crystals on the surface of the solid particles, and then removing the solid particles to prepare hollow particles; And (c) mixing and molding the hollow particles and the polymer.

일 실시예에 있어서, 상기 제1 금속 전구체는 질산코발트(cobalt nitrate), 아세트산코발트(cobalt acetate), 염화코발트(cobalt chloride), 황산코발트(cobalt sulfate), 브롬화코발트(cobalt bromide), 요오드화코발트(cobalt iodide) 및 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있다.In one embodiment, the first metal precursor is cobalt nitrate, cobalt acetate, cobalt chloride, cobalt sulfate, cobalt sulfate, cobalt bromide, cobalt iodide (cobalt iodine). cobalt iodide) and a combination of two or more thereof.

일 실시예에 있어서, 상기 이미다졸 또는 이미다졸 유도체는 벤지미다졸(benzimidazole), 2-메틸이미다졸(2-methylimidazole), 4-메틸이미다졸(4-methylimidazole), 2-메틸벤지미다졸(2-methylbenzimidazole), 2-니트로이미다졸(2-nitroimidazole), 5-니트로벤지미다졸(5-nitrobenzimidazole), 5-클로로벤지미다졸(5-chlorobenzimidazole) 및 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있다.In one embodiment, the imidazole or imidazole derivatives are benzimidazole, 2-methylimidazole, 4-methylimidazole, 2-methylbenzimida 2-methylbenzimidazole, 2-nitroimidazole, 5-nitrobenzimidazole, 5-chlorobenzimidazole and combinations of two or more thereof It may be one selected from.

일 실시예에 있어서, 상기 솔리드 입자는 ZIF-67일 수 있다.In one embodiment, the solid particles may be ZIF-67.

일 실시예에 있어서, 상기 솔리드 입자의 평균 입도는 100~500nm일 수 있다.In one embodiment, the average particle size of the solid particles may be 100 ~ 500nm.

일 실시예에 있어서, 상기 제2 금속 전구체는 질산아연(zinc nitrate), 아세트산아연(zinc acetate), 염화아연(zinc chloride), 황산아연(zinc sulfate), 브롬화아연(zinc bromide), 요오드화아연(zinc iodide) 및 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있다.In one embodiment, the second metal precursor is zinc nitrate, zinc acetate, zinc chloride, zinc sulfate, zinc bromide, zinc iodide, and zinc iodide. zinc iodide) and a combination of two or more thereof.

일 실시예에 있어서, 상기 중공 입자는 ZIF-8일 수 있다.In one embodiment, the hollow particles may be ZIF-8.

일 실시예에 있어서, 상기 용매는 메탄올, 에탄올, 프로판올, iso-프로판올, tert-부탄올, n-부탄올, 메톡시에탄올, 에톡시에탄올, 디메틸아세트아마이드, 디메틸포름아마이드, n-메틸-2-피롤리돈(NMP), 포름산, 니트로메탄, 아세트산, 증류수 및 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있다.In one embodiment, the solvent is methanol, ethanol, propanol, iso-propanol, tert-butanol, n-butanol, methoxyethanol, ethoxyethanol, dimethylacetamide, dimethylformamide, n-methyl-2-pi It may be one selected from the group consisting of rolidone (NMP), formic acid, nitromethane, acetic acid, distilled water and a combination of two or more thereof.

일 실시예에 있어서, 상기 (a) 단계에서 상기 제1 금속 전구체, 및 상기 이미다졸 또는 이미다졸 유도체를 각각 1 : 1~5의 중량비로 혼합할 수 있다.In one embodiment, in the step (a), the first metal precursor and the imidazole or imidazole derivatives may be mixed in a weight ratio of 1: 1 to 5, respectively.

일 실시예에 있어서, 상기 (b) 단계에서 상기 솔리드 입자, 상기 제2 금속 전구체, 및 상기 이미다졸 또는 이미다졸 유도체를 각각 1 : 1~5 : 0.5~2의 중량비로 혼합할 수 있다.In one embodiment, in the step (b), the solid particles, the second metal precursor, and the imidazole or imidazole derivatives may be mixed in a weight ratio of 1: 1 to 5: 0.5 to 2, respectively.

일 실시예에 있어서, 상기 (b) 단계에서 상기 열처리는 80~150℃에서 5~20시간 동안 이루어질 수 있다.In one embodiment, the heat treatment in the step (b) may be performed for 5 to 20 hours at 80 ~ 150 ℃.

일 실시예에 있어서, 상기 (c) 단계에서 상기 중공 입자를 포함하는 용액 및 상기 고분자를 포함하는 용액을 습식 혼합할(wet mixing) 수 있다.In one embodiment, the step (c) may be wet mixing (wet mixing) the solution containing the hollow particles and the solution containing the polymer.

일 실시예에 있어서, 상기 고분자는 양친성 공중합체일 수 있다.In one embodiment, the polymer may be an amphiphilic copolymer.

일 실시예에 있어서, 상기 양친성 공중합체는 소수성 고분자와 친수성 고분자의 그래프트 공중합체일 수 있다.In one embodiment, the amphiphilic copolymer may be a graft copolymer of a hydrophobic polymer and a hydrophilic polymer.

일 실시예에 있어서, 상기 양친성 공중합체는 원자전달 라디칼 중합반응으로 합성된 것일 수 있다.In one embodiment, the amphiphilic copolymer may be synthesized by atomic transfer radical polymerization.

일 실시예에 있어서, 상기 소수성 고분자는 폴리비닐클로라이드, 폴리클로로트리플루오로에틸렌, 폴리디클로로디플루오로메탄, 폴리비닐리덴클로라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드-co-클로로트리플루오로에틸렌 및 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있다.In one embodiment, the hydrophobic polymer is polyvinylchloride, polychlorotrifluoroethylene, polydichlorodifluoromethane, polyvinylidenechloride, polyvinylidene fluoride-co-chlorotrifluoroethylene and two of them It may be one selected from the group consisting of the above combination.

일 실시예에 있어서, 상기 친수성 고분자는 폴리옥시에틸렌메타크릴레이트, 폴리히드록시에틸메타크릴레이트, 폴리t-부틸메타크릴레이트, 폴리아크릴아미드, 폴리N-비닐피롤리돈, 폴리아미노스티렌, 폴리스티렌술폰산, 폴리메틸프로펜술폰산, 폴리술포프로필메타크릴레이트, 폴리술포에틸메타크릴레이트, 폴리술포부틸메타크릴레이트 및 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있다.In one embodiment, the hydrophilic polymer is polyoxyethylene methacrylate, polyhydroxyethyl methacrylate, polyt-butyl methacrylate, polyacrylamide, polyN-vinylpyrrolidone, polyaminostyrene, polystyrene It may be one selected from the group consisting of sulfonic acid, polymethylpropenesulfonic acid, polysulfopropyl methacrylate, polysulfoethyl methacrylate, polysulfobutyl methacrylate, and a combination of two or more thereof.

본 발명의 다른 일 측면은, 상기 방법으로 제조된 기체 분리막을 제공한다.Another aspect of the present invention provides a gas separation membrane prepared by the above method.

일 실시예에 있어서, 상기 기체 분리막 중 상기 중공 입자의 함량은 1~30중량%일 수 있다.In one embodiment, the content of the hollow particles in the gas separation membrane may be 1 to 30% by weight.

일 실시예에 있어서, 상기 기체 분리막은 35℃ 및 1bar에서 시차 방법을 사용하여 측정한, (i) 이산화탄소의 투과도는 50Barrer 이상이고, (ii) 메탄에 대한 이산화탄소의 투과선택도는10 이상일 수 있다.In one embodiment, the gas separation membrane is measured using a differential method at 35 ℃ and 1bar, (i) the permeability of carbon dioxide is 50 Barrer or more, (ii) the permeability of carbon dioxide per methane may be 10 or more. .

본 발명의 일 측면에 따른 기체 분리막은, 일정 량의 다면체형 중공 입자를 포함함으로써 고분자 매트릭스 및 중공 입자 사이에 필요한 상호작용을 유발하고, 그에 따른 투과도 및 선택도 간 트레이드-오프 특성을 완화할 수 있다.Gas separation membrane according to an aspect of the present invention, by including a certain amount of polyhedral hollow particles to induce the necessary interaction between the polymer matrix and the hollow particles, thereby reducing the trade-off characteristics between the permeability and selectivity have.

또한, 본 발명의 일 측면에 따른 기체 분리막의 제조방법은, 다면체형 솔리드 입자를 주형으로 사용한 용매열 합성법을 통해 다면체형 중공 입자를 간단하고 쉽게 제조할 수 있고, 이를 기체 분리막에 대한 필러로 사용함으로써 기체 분리막의 투과도 및 선택도를 균형적으로 구현할 수 있다.In addition, the method of manufacturing a gas separation membrane according to an aspect of the present invention, through the solvent thermal synthesis method using a polyhedral solid particles as a template, it is possible to simply and easily produce a polyhedral hollow particles, it is used as a filler for the gas separation membrane As a result, the permeability and selectivity of the gas separation membrane may be balanced.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.It is to be understood that the effects of the present invention are not limited to the above effects, and include all effects deduced from the configuration of the invention described in the detailed description or claims of the present invention.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 H-ZIF의 제조공정 및 기체 분리막을 도식화한 것이고;
도 2는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 기체 분리막의 사진이고;
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 H-ZIF 입자의 SEM 이미지(a), TEM 이미지(b, c), H-ZIF 입자 및 주형(ZIF-67) 입자의 XRD 분석결과(d) 및 N2 physisorption isotherm(e)이고;
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 PVC-g-POEM의 화학 구조식(a), 및 실시예 및 비교예에 따른 기체 분리막의 FT-IR 분석결과이고;
도 5는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 기체 분리막의 시차주사열량곡선(Differential scanning calorimeter, DSC) 분석결과이고;
도 6은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 기체 분리막의 XRD 분석결과이고;
도 7은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 기체 분리막의 열중량분석계(Thermogravimetric analysis, TGA) 분석결과이고;
도 8은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 기체 분리막의 단면에 대한 SEM 이미지이고;
도 9는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 기체 분리막의 기체투과도와 이산화탄소/메탄 투과선택도 측정결과이고;
도 10은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 기체 분리막의 이산화탄소 투과도와 이산화탄소/메탄 투과선택도의 관계를 나타낸다.
1 is a diagram illustrating a manufacturing process and a gas separation membrane of H-ZIF according to an embodiment of the present invention;
2 is a photograph of a gas separation membrane according to Examples and Comparative Examples of the present invention;
Figure 3 is a SEM image (a), TEM image (b, c), H-ZIF particles and template (ZIF-67) of the XRD analysis results of the H-ZIF particles according to an embodiment of the present invention (d) and N 2 physisorption isotherm (e);
4 is chemical structural formula (a) of PVC-g-POEM according to an embodiment of the present invention, and FT-IR analysis results of gas separation membranes according to Examples and Comparative Examples;
5 is a differential scanning calorimeter (DSC) analysis result of a gas separation membrane according to Examples and Comparative Examples of the present invention;
6 is an XRD analysis result of a gas separation membrane according to Examples and Comparative Examples of the present invention;
7 is a thermogravimetric analysis (TGA) analysis result of a gas separation membrane according to Examples and Comparative Examples of the present invention;
8 is an SEM image of the cross section of the gas separation membrane according to the Examples and Comparative Examples of the present invention;
9 shows gas permeability and carbon dioxide / methane permeability measurement results of gas separation membranes according to Examples and Comparative Examples of the present invention;
10 shows the relationship between the carbon dioxide permeability and the carbon dioxide / methane permeability of the gas separation membrane according to the examples and comparative examples of the present invention.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention. In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted in order to clearly describe the present invention, and like reference numerals designate like parts throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is "connected" to another part, it includes not only "directly connected" but also "indirectly connected" with another member in between. . In addition, when a part is said to "include" a certain component, this means that it may further include other components, without excluding the other components unless otherwise stated.

기체 분리막의 제조방법Manufacturing method of gas separation membrane

도1은 본 발명의 실시예에 따른 H-ZIF의 제조공정 및 기체 분리막을 도식화한 것이다.1 is a diagram illustrating a manufacturing process and a gas separation membrane of H-ZIF according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참고하면, 본 발명의 일 측면은, (a) 제1 금속 전구체, 이미다졸 또는 이미다졸 유도체, 및 용매를 혼합하여 솔리드 입자를 제조하는 단계; (b) 상기 솔리드 입자, 제2 금속 전구체, 이미다졸 또는 이미다졸 유도체, 및 용매를 혼합 및 열처리하여 상기 솔리드 입자의 표면에 결정을 성장시킨 후 상기 솔리드 입자를 제거하여 중공 입자를 제조하는 단계; 및 (c) 상기 중공 입자 및 고분자를 혼합 및 성형하는 단계;를 포함하는 기체 분리막의 제조방법을 제공한다.Referring to FIG. 1, an aspect of the present invention includes the steps of: (a) preparing a solid particle by mixing a first metal precursor, an imidazole or imidazole derivative, and a solvent; (b) mixing the solid particles, the second metal precursor, the imidazole or the imidazole derivatives, and the solvent to grow crystals on the surface of the solid particles, and then removing the solid particles to prepare hollow particles; And (c) mixing and molding the hollow particles and the polymer.

상기 (a) 단계에서, 제1 금속 전구체, 이미다졸 또는 이미다졸 유도체, 및 용매를 혼합하여 솔리드 입자를 제조할 수 있다.In step (a), the solid particles may be prepared by mixing the first metal precursor, imidazole or imidazole derivative, and a solvent.

상기 제1 금속 전구체는 코발트염일 수 있고, 예를 들어, 질산코발트(cobalt nitrate), 아세트산코발트(cobalt acetate), 염화코발트(cobalt chloride), 황산코발트(cobalt sulfate), 브롬화코발트(cobalt bromide), 요오드화코발트(cobalt iodide) 및 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나, 바람직하게는, 질산코발트, 더 바람직하게는, 질산코발트 수화물일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The first metal precursor may be cobalt salt, for example, cobalt nitrate, cobalt acetate, cobalt chloride, cobalt chloride, cobalt sulfate, cobalt bromide, Cobalt iodide (cobalt iodide) and one selected from the group consisting of two or more thereof, preferably cobalt nitrate, more preferably cobalt nitrate hydrate, but is not limited thereto.

또한, 상기 이미다졸 또는 이미다졸 유도체는 벤지미다졸(benzimidazole), 2-메틸이미다졸(2-methylimidazole), 4-메틸이미다졸(4-methylimidazole), 2-메틸벤지미다졸(2-methylbenzimidazole), 2-니트로이미다졸(2-nitroimidazole), 5-니트로벤지미다졸(5-nitrobenzimidazole), 5-클로로벤지미다졸(5-chlorobenzimidazole) 및 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나, 바람직하게는, 2-메틸이미다졸일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In addition, the imidazole or imidazole derivatives are benzimidazole, 2-methylimidazole, 4-methylimidazole, 2-methylbenzimidazole (2- methylbenzimidazole), 2-nitroimidazole, 5-nitrobenzimidazole, 5-chlorobenzimidazole and combinations of two or more thereof, Preferably, it may be 2-methylimidazole, but is not limited thereto.

상기 (a) 단계에서 상기 제1 금속 전구체, 및 상기 이미다졸 또는 이미다졸 유도체를 각각 1 : 1~5, 바람직하게는, 1 : 1.5~2.5의 중량비로 혼합할 수 있다. 상기 제1 금속 전구체 및 상기 이미다졸 또는 이미다졸 유도체가 각각 질산코발트 수화물 및 2-메틸이미다졸인 경우, 상기 (a) 단계에서 합성된 상기 솔리드 입자는 ZIF-67일 수 있다. 본 명세서에 사용된 용어, "솔리드 입자"는 입자의 내부가 비어있지 않고 고체 및/또는 액체로 채워져 있는 상태의 입자를 의미한다. 상기 솔리드 입자의 평균 입도는 100~500nm, 바람직하게는, 200~300nm일 수 있다. 상기 솔리드 입자의 평균 입도가 100nm 미만이면 입자 간에 불필요한 응집이 발생할 수 있고, 500nm 초과이면 상기 중공 입자가 고분자 매트릭스와 구조적으로 적절히 상호작용하기 어렵기 때문에 기체 분리막에 필요한 수준의 투과도를 부여할 수 없다.In the step (a), the first metal precursor and the imidazole or imidazole derivatives may be mixed in a weight ratio of 1: 1 to 5, preferably, 1: 1.5 to 2.5, respectively. When the first metal precursor and the imidazole or imidazole derivative are cobalt nitrate hydrate and 2-methylimidazole, respectively, the solid particles synthesized in the step (a) may be ZIF-67. As used herein, the term "solid particles" means particles in which the interior of the particles is not empty and filled with solids and / or liquids. The average particle size of the solid particles may be 100 ~ 500nm, preferably, 200 ~ 300nm. When the average particle size of the solid particles is less than 100 nm, unnecessary aggregation may occur between the particles, and when the average particle size is more than 500 nm, the hollow particles may not be able to impart the required level of permeability to the gas separation membrane because it is difficult to structurally properly interact with the polymer matrix. .

상기 용매는 메탄올, 에탄올, 프로판올, iso-프로판올, tert-부탄올, n-부탄올, 메톡시에탄올, 에톡시에탄올, 디메틸아세트아마이드, 디메틸포름아마이드, n-메틸-2-피롤리돈(NMP), 포름산, 니트로메탄, 아세트산, 증류수 및 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있고, 바람직하게는, 상업적 구득 용이성과 용질과의 친화도를 고려하여 알코올계 용매인 메탄올, 에탄올, iso-프로판올, tert-부탄올, 또는 n-부탄올일 수 있으며, 필요에 따라 이들 중 2 이상이 혼합된 혼합 용매를 사용할 수도 있다. 특히, 메탄올은 아연염과 이미다졸이 모두 용해될 수 있으며, 끓는점이 약 65℃로서 반응기를 과도하게 가열하지 않고도 기화시킬 수 있으므로 유리하다.The solvent is methanol, ethanol, propanol, iso-propanol, tert-butanol, n-butanol, methoxyethanol, ethoxyethanol, dimethylacetamide, dimethylformamide, n-methyl-2-pyrrolidone (NMP), Formic acid, nitromethane, acetic acid, distilled water, and one selected from the group consisting of two or more thereof, preferably, in consideration of the ease of commercial acquisition and affinity with the solute alcohol solvents methanol, ethanol, iso- Propanol, tert-butanol, or n-butanol may be used, and if necessary, a mixed solvent in which two or more of them are mixed may be used. In particular, methanol is advantageous because both zinc salts and imidazoles can be dissolved, and the boiling point is about 65 ° C., which allows vaporization without excessive heating of the reactor.

상기 (b) 단계에서, 상기 솔리드 입자, 제2 금속 전구체, 이미다졸 또는 이미다졸 유도체, 및 용매를 혼합 및 열처리하여 상기 솔리드 입자의 표면에 결정을 성장시킨 후 상기 솔리드 입자를 제거하여 중공 입자를 제조할 수 있다. 즉, 상기 (a) 단계에서 합성된 상기 솔리드 입자는 상기 중공 입자의 코어부에 빈 공간(void)를 형성하기 위한 주형(mold)으로 사용되며, 상기 주형의 표면에 필요한 수준으로 결정이 성장한 다음 적절한 방법으로 제거될 수 있다.In step (b), the solid particles, the second metal precursor, imidazole or imidazole derivatives, and a solvent are mixed and heat treated to grow crystals on the surface of the solid particles, and then the solid particles are removed to obtain hollow particles. It can manufacture. That is, the solid particles synthesized in the step (a) are used as a mold for forming voids in the core portion of the hollow particles, and after the crystals are grown to the required level on the surface of the mold, Can be removed in a suitable way.

상기 제2 금속 전구체는 질산아연(zinc nitrate), 아세트산아연(zinc acetate), 염화아연(zinc chloride), 황산아연(zinc sulfate), 브롬화아연(zinc bromide), 요오드화아연(zinc iodide) 및 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있고, 바람직하게는, 질산아연, 더 바람직하게는, 질산아연 수화물일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The second metal precursor is zinc nitrate, zinc acetate, zinc chloride, zinc sulfate, zinc sulfate, zinc bromide, zinc iodide, and zinc iodide. It may be one selected from the group consisting of two or more combinations, preferably zinc nitrate, more preferably zinc nitrate hydrate, but is not limited thereto.

또한, 상기 이미다졸 또는 이미다졸 유도체는 벤지미다졸(benzimidazole), 2-메틸이미다졸(2-methylimidazole), 4-메틸이미다졸(4-methylimidazole), 2-메틸벤지미다졸(2-methylbenzimidazole), 2-니트로이미다졸(2-nitroimidazole), 5-니트로벤지미다졸(5-nitrobenzimidazole), 5-클로로벤지미다졸(5-chlorobenzimidazole) 및 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나, 바람직하게는, 2-메틸이미다졸일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In addition, the imidazole or imidazole derivatives are benzimidazole, 2-methylimidazole, 4-methylimidazole, 2-methylbenzimidazole (2- methylbenzimidazole), 2-nitroimidazole, 5-nitrobenzimidazole, 5-chlorobenzimidazole and combinations of two or more thereof, Preferably, it may be 2-methylimidazole, but is not limited thereto.

상기 (b) 단계에서 상기 솔리드 입자, 상기 제2 금속 전구체, 및 상기 이미다졸 또는 이미다졸 유도체를 각각 1 : 1~5 : 0.5~2, 바람직하게는, 1 : 2~4 : 0.8~1.2의 중량비로 혼합할 수 있다. 상기 솔리드 입자, 상기 제2 금속 전구체, 및 상기 이미다졸 또는 이미다졸 유도체가 각각 ZIF-67, 질산아연 수화물 및 2-메틸이미다졸인 경우, 상기 솔리드 입자의 표면에 성장한 결정은 ZIF-8일 수 있고, 상기 솔리드 입자가 제거된 후 상기 ZIF-8은 내부에 빈 공간이 형성된 중공 입자로 존재할 수 있다.In step (b), the solid particles, the second metal precursor, and the imidazole or imidazole derivatives are respectively 1: 1 to 5: 0.5 to 2, preferably, 1: 2 to 4: 0.8 to 1.2. It can mix by weight ratio. When the solid particles, the second metal precursor, and the imidazole or imidazole derivatives are ZIF-67, zinc nitrate hydrate and 2-methylimidazole, respectively, the crystal grown on the surface of the solid particles may be ZIF-8. After the solid particles are removed, the ZIF-8 may exist as hollow particles having an empty space therein.

제올라이트 이미다졸레이트 구조체(zeolite imidazolate frameworks, ZIFs)는 높은 열적, 화학적 안정성과 독특한 구조를 지니고 있어 기체 분리막의 첨가제로 사용될 수 있다. 상기 제올라이트 이미다졸레이트 구조체는 일반적으로 전이금속 이온과 배위결합된 이미다졸레이트 링커로 이루어져 있으며 4면체의 구조를 가지고 있다. 상기 제올라이트 이미다졸레이트 구조체의 금속이온과 이미다졸 링커의 결정성 결합각이 제올라이트의 Si-O-Si 결합각인 145°와 비슷하여 제올라이트와 등정형을 이루고 있다. 특히, 제올라이트 이미다졸레이트 구조체의 한 종류인 ZIF-8 입자는 아연이온과 2-메틸이미다졸 링커로 이루어져 있으며 넓은 케이지 크기(약 11ÅA)와 분자체 효과에 적합한 기공 크기로 기체 분리막에 효과적일 수 있다.Zeolite imidazolate frameworks (ZIFs) have high thermal, chemical stability and unique structures and can be used as additives in gas separation membranes. The zeolite imidazolate structure generally consists of an imidazolate linker coordinated with transition metal ions and has a tetrahedral structure. The crystalline bonding angle between the metal ion of the zeolite imidazoleate structure and the imidazole linker is similar to that of 145 °, which is the Si-O-Si bonding angle of the zeolite, thus forming an isoform of zeolite. In particular, ZIF-8 particles, which are a type of zeolite imidazoleate structure, consist of zinc ions and 2-methylimidazole linkers, and are effective in gas separation membranes with a wide cage size (about 11ÅA) and pore sizes suitable for molecular sieve effect. Can be.

상기 열처리는 80~150℃에서 5~20시간 동안 이루어질 수 있다. 상기 열처리 조건이 상기 범위를 벗어나면 결정이 과도하게 성장하거나, 반대로 중공 입자의 쉘 두께가 불충분하여 중공 입자가 쉽게 파괴될 수 있다.The heat treatment may be performed for 5 to 20 hours at 80 ~ 150 ℃. If the heat treatment condition is out of the above range, crystals may grow excessively, or conversely, the shell thickness of the hollow particles may be insufficient and the hollow particles may be easily destroyed.

상기 (c) 단계에서, 상기 중공 입자 및 고분자를 혼합 및 성형하여 기체 분리막을 얻을 수 있다.In the step (c), a gas separation membrane may be obtained by mixing and molding the hollow particles and the polymer.

상기 고분자는 양친성 공중합체일 수 있다. 본 명세서에 사용된 용어, "양친성 공중합체(Amphiphilic copolymer)"는 2종 이상의 단위체를 구성 단위로 하여 소수성 부위와 친수성 부위를 모두 가지는 공중합체를 의미한다.The polymer may be an amphiphilic copolymer. As used herein, the term "amphiphilic copolymer" refers to a copolymer having both a hydrophobic portion and a hydrophilic portion by using two or more units as structural units.

상기 중공 입자는 친수성이므로 상기 양친성 공중합체의 친수성 부위와 선택적 및 특이적으로 상호작용하여 양친성 공중합체-중공 입자 복합체를 형성할 수 있다. 구체적으로, 상기 중공 입자는 친수성 고분자의 나노구조 단위체 크기를 증가시켜 결과적으로 기공 크기와 그에 따른 기체 투과도를 증가시킬 수 있다.Since the hollow particles are hydrophilic, they may selectively and specifically interact with a hydrophilic portion of the amphiphilic copolymer to form an amphiphilic copolymer-hollow particle composite. Specifically, the hollow particles may increase the nanostructure unit size of the hydrophilic polymer and consequently increase the pore size and thus the gas permeability.

상기 양친성 공중합체는 소수성 고분자와 친수성 고분자의 그래프트 공중합체일 수 있다. 또한, 상기 양친성 공중합체는 원자전달 라디칼 중합반응으로 합성된 것일 수 있다.The amphiphilic copolymer may be a graft copolymer of a hydrophobic polymer and a hydrophilic polymer. In addition, the amphiphilic copolymer may be synthesized by an atomic transfer radical polymerization reaction.

상기 소수성 고분자는 폴리비닐클로라이드, 폴리클로로트리플루오로에틸렌, 폴리디클로로디플루오로메탄, 폴리비닐리덴클로라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드-co-클로로트리플루오로에틸렌 및 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나, 바람직하게는, 폴리비닐클로라이드일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The hydrophobic polymer is selected from the group consisting of polyvinyl chloride, polychlorotrifluoroethylene, polydichlorodifluoromethane, polyvinylidene chloride, polyvinylidene fluoride-co-chlorotrifluoroethylene, and combinations of two or more thereof. The selected one, preferably, may be polyvinyl chloride, but is not limited thereto.

상기 친수성 고분자는 폴리옥시에틸렌메타크릴레이트, 폴리히드록시에틸메타크릴레이트, 폴리t-부틸메타크릴레이트, 폴리아크릴아미드, 폴리N-비닐피롤리돈, 폴리아미노스티렌, 폴리스티렌술폰산, 폴리메틸프로펜술폰산, 폴리술포프로필메타크릴레이트, 폴리술포에틸메타크릴레이트, 폴리술포부틸메타크릴레이트 및 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나, 바람직하게는, 폴리옥시에틸렌메타크릴레이트일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The hydrophilic polymer is polyoxyethylene methacrylate, polyhydroxyethyl methacrylate, polyt-butyl methacrylate, polyacrylamide, polyN-vinylpyrrolidone, polyamino styrene, polystyrene sulfonic acid, polymethylpropene It may be one selected from the group consisting of sulfonic acid, polysulfopropyl methacrylate, polysulfoethyl methacrylate, polysulfobutyl methacrylate, and a combination of two or more thereof, preferably polyoxyethylene methacrylate, but It is not limited.

상기 소수성 고분자 및 친수성 고분자가 각각 폴리비닐클로라이드 및 폴리옥시에틸렌메타크릴레이트인 경우, 상기 양친성 공중합체는 하기 화학식 1로 표시될 수 있다.When the hydrophobic polymer and the hydrophilic polymer are polyvinyl chloride and polyoxyethylene methacrylate, respectively, the amphiphilic copolymer may be represented by the following Chemical Formula 1.

<화학식 1><Formula 1>

Figure 112018113874591-pat00001
Figure 112018113874591-pat00001

상기 친수성 고분자와 상기 소수성 고분자의 중량비는 1 : 0.1~1, 바람직하게는, 1 : 0.2~0.5일 수있다. 상기 친수성 고분자의 비율이 늘어나는 경우, 수분에 의한 분리막의 팽창 때문에 분리막의 기계적 강도가 저하될 수 있다.The weight ratio of the hydrophilic polymer and the hydrophobic polymer may be 1: 0.1-1, preferably 1: 0.2-0.5. When the proportion of the hydrophilic polymer is increased, the mechanical strength of the separator may be lowered due to expansion of the separator by water.

또한, 상기 (c) 단계에서 상기 중공 입자를 포함하는 용액 및 상기 고분자를 포함하는 용액을 습식 혼합(wet mixing)할 수 있다. 상기 용액에서 용매로는 테트라하이드로퓨란이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 용액 중 상기 중공 입자 및 상기 고분자의 분산성을 개선하기 위해 상기 용액을 교반하거나 초음파 처리할 수 있다. 또한, 상기 습식 혼합에 의해 생성된 혼합물을 초음파 처리하여 상기 혼합물에 잔류하는 기포를 제거하여 제조된 기체 분리막의 기계적 물성, 균일성을 확보할 수 있다.In addition, in the step (c), the solution containing the hollow particles and the solution containing the polymer may be wet mixed. Tetrahydrofuran may be used as the solvent in the solution, but is not limited thereto. In addition, the solution may be stirred or sonicated to improve the dispersibility of the hollow particles and the polymer in the solution. In addition, it is possible to secure the mechanical properties, uniformity of the gas separation membrane prepared by removing the bubbles remaining in the mixture by ultrasonic treatment of the mixture produced by the wet mixing.

기체 분리막Gas separation membrane

본 발명의 다른 일 측면은, 상기 방법으로 제조된 기체 분리막을 제공한다.Another aspect of the present invention provides a gas separation membrane prepared by the above method.

상기 기체 분리막은 고분자 매트릭스, 및 복수의 기공을 포함하는 다면체형 중공 입자를 포함할 수 있다. 상기 중공 입자는 이산화탄소 친화성이 좋은 이미다졸 작용기와 속이 빈 구조로 인해 고분자 매트릭스 내에서 양호한 분산성을 가짐과 동시에 이산화탄소 분리 성능을 향상시킬 수 있다.The gas separation membrane may include a polymer matrix and polyhedral hollow particles including a plurality of pores. The hollow particles have good dispersibility in the polymer matrix due to the imidazole functional group and the hollow structure having good carbon dioxide affinity, and at the same time improve carbon dioxide separation performance.

상기 고분자 매트릭스는 양친성 공중합체로 이루어질 수 있고, 상기 중공 입자는 상기 양친성 공중합체 중 친수성 고분자로 이루어진 곁사슬과 상호작용할 수 있다. 구체적으로, 상기 중공 입자는 상호 인접한 곁사슬 사이에 고정되어 상기 곁사슬의 이동성과 자유도를 경감시킴으로써 이산화탄소가 선택적으로 통과할 수 있는 크기의 공간, 즉, 기공 또는 채널을 제공할 수 있다.The polymer matrix may be made of an amphiphilic copolymer, and the hollow particles may interact with a side chain made of a hydrophilic polymer in the amphiphilic copolymer. Specifically, the hollow particles may be fixed between side chains adjacent to each other to reduce the mobility and the degree of freedom of the side chains, thereby providing a space, that is, a pore or channel, through which carbon dioxide may selectively pass.

상기 기체 분리막 중 상기 중공 입자의 함량은 1~30중량%, 바람직하게는, 5~20중량%, 더 바람직하게는, 10~20중량%일 수 있다. 상기 중공 입자의 함량이 1중량% 미만이면 기체 분리막의 이산화탄소 투과도가 저하될 수 있고, 30중량% 초과이면 기체 분리막의 기계적 물성이 저하될 수 있다.The content of the hollow particles in the gas separation membrane may be 1 to 30% by weight, preferably, 5 to 20% by weight, more preferably 10 to 20% by weight. If the content of the hollow particles is less than 1% by weight, the carbon dioxide permeability of the gas separation membrane may be lowered, and if it is more than 30% by weight, the mechanical properties of the gas separation membrane may be reduced.

상기 기체 분리막은 35℃ 및 1bar에서 시차 방법을 사용하여 측정한, (i) 이산화탄소의 투과도는 50Barrer 이상이고, (ii) 메탄에 대한 이산화탄소의 투과선택도는10 이상일 수 있다. 바람직하게는, 동일 조건에서 측정한, (i) 이산화탄소의 투과도는 200Barrer 이상이고, (ii) 메탄에 대한 이산화탄소의 투과선택도는11 이상일 수 있다. 더 바람직하게는, 동일 조건에서 측정한, (i) 이산화탄소의 투과도는 210Barrer 이상이고, (ii) 메탄에 대한 이산화탄소의 투과선택도는14 이상일 수 있다.The gas separation membrane may be measured using a differential method at 35 ° C. and 1 bar, and (i) the permeability of carbon dioxide is 50 Barrer or more, and (ii) the permeation selectivity of carbon dioxide to methane may be 10 or more. Preferably, the permeability of (i) carbon dioxide measured at the same conditions may be 200 Barrer or more, and (ii) the permeability of carbon dioxide to methane may be 11 or more. More preferably, the permeability of (i) carbon dioxide measured at the same conditions may be 210 Barrer or more, and (ii) the permeability of carbon dioxide to methane may be 14 or more.

이하, 본 발명의 실시예에 관하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.

이하의 실험결과는 폴리비닐클로라이드(polyvinyl chloride, PVC)와 폴리옥시에틸렌메타크릴레이트(polyoxyethylene methacrylate, POEM)를 통해 양친성 공중합체인 폴리비닐클로라이드-그래프트-폴리옥시에틸렌메타크릴레이트(polyvinylchloride-graft-polyoxyethylene methacrylate, PVC-g-POEM)를 합성하고, 상기 양친성 공중합체와 다면체형 중공 입자인 H-ZIF를 혼합하여 PVC-g-POEM/H-ZIF 복합체를 만들어 기체 분리막을 만드는 과정이다.The following experimental results were obtained from polyvinyl chloride (PVC) and polyoxyethylene methacrylate (POEM) as an amphiphilic copolymer polyvinylchloride-graft-polyoxyethylene methacrylate (polyvinylchloride-graft- polyoxyethylene methacrylate, PVC-g-POEM) and the amphiphilic copolymer and H-ZIF, a polyhedral hollow particle, are mixed to form a PVC-g-POEM / H-ZIF composite to make a gas separation membrane.

실시예 1Example 1

1. H-ZIF의 제조1. Preparation of H-ZIF

주형으로 사용될 200~300nm 크기의 ZIF-67 나노결정을 합성하였다. 리간드 및 금속 용액은 2-메틸이미다졸 9.75g 및 코발트나이트레이트 6수화물(Co(NO3)2 6H2O) 4.32g을 메탄올 300mL에 용해시켜 제조하였다. 그 다음 두 용액을 3분 간 교반하여 격렬하게 혼합한 다음 교반하지 않고 실온에서 24 시간 숙성시켰다. 합성된 ZIF-67 나노결정을 7,000rpm에서 3회 원심분리하고 새로운 메탄올에서 5분 간 초음파 처리하여 세척한 다음, 80℃에서 12시간 동안 진공 건조시킨 후 H-ZIF 나노결정의 합성을 위한 주형으로 사용하였다.ZIF-67 nanocrystals having a size of 200-300 nm to be used as a template were synthesized. Ligand and metal solutions were prepared by dissolving 9.75 g of 2-methylimidazole and 4.32 g of cobalt nitrate hexahydrate (Co (NO 3 ) 2 6H 2 O) in 300 mL of methanol. The two solutions were then stirred vigorously for 3 minutes, then vigorously aged at room temperature for 24 hours without stirring. The synthesized ZIF-67 nanocrystals were centrifuged three times at 7,000 rpm, sonicated in fresh methanol for 5 minutes, washed in vacuum at 12O &lt; 0 &gt; C for 12 hours and then used as a template for the synthesis of H-ZIF nanocrystals Used.

H-ZIF 나노결정을 합성하기 위해 합성된 ZIF-67 나노결정 0.1g을 5분 간 초음파 처리하여 60mL의 메탄올에 분산시켰다. 이어서, ZIF-67 나노결정 분산액에 질산아연 6수화물(Zn(NO3)2 6H2O) 0.372g 및 2-메틸이미다졸 0.103g을 순차적으로 첨가하고, 10분 간 교반하였다. 혼합물을 100℃의 테프론으로 라이닝된 100ml의 오토클레이브에서 100℃에서 12시간 동안 용매열 처리한 후, ZIF-67 나노결정을 합성할 때와 동일한 프로토콜로 세척하고 건조시켜 H-ZIF 나노결정을 제조하였다.To synthesize H-ZIF nanocrystals, 0.1 g of the synthesized ZIF-67 nanocrystals were sonicated for 5 minutes and dispersed in 60 mL of methanol. Next, 0.372 g of zinc nitrate hexahydrate (Zn (NO 3 ) 2 6H 2 O) and 0.103 g of 2-methylimidazole were sequentially added to the ZIF-67 nanocrystal dispersion and stirred for 10 minutes. The mixture was subjected to solvent heat treatment at 100 ° C. for 12 hours in 100 ml autoclave lined with Teflon at 100 ° C., followed by washing and drying in the same protocol as for synthesizing ZIF-67 nanocrystals to prepare H-ZIF nanocrystals It was.

2. PVC-g-POEM의 제조2. Manufacture of PVC-g-POEM

PVC 6g을 NMP 50mL에 90℃에서 3시간 동안 교반하여 완전히 용해시켰다. 용액을 실온으로 냉각시킨 후, POEM 24mL(Mn=475g/mol), 염화구리(I)(CuCl) 0.1g 및 HMTETA(1,1,4,7,10,10-hexamethyltriethylenetetramine) 0.23mL를 첨가하였다. 질소 가스로 1 시간 동안 퍼징한 후, 혼합물을 오일 조에 넣었다. 중합반응은 90℃에서 20시간 동안 수행되었다. 중합 후, 생성된 혼합물을 THF(tetrahydrofuran)로 희석하고 활성화된 Al2O3로 충진된 컬럼을 통과시켜 촉매를 제거하였다. 중합물을 메탄올에 침전시켰다. 최종 생성물을 정제하기 위해, 상기 침전을 3 회 반복한 다음, PVC-g-POEM 공중합체를 50℃에서 진공 건조시켜 잔류 용매를 제거하였다.6 g of PVC was completely dissolved in 50 mL of NMP by stirring at 90 ° C. for 3 hours. After cooling the solution to room temperature, 24 mL of POEM (Mn = 475 g / mol), 0.1 g of copper (I) (CuCl) and 0.23 mL of HMTETA (1,1,4,7,10,10-hexamethyltriethylenetetramine) were added. . After purging with nitrogen gas for 1 hour, the mixture was placed in an oil bath. The polymerization reaction was carried out at 90 ° C. for 20 hours. After polymerization, the resulting mixture was diluted with tetrahydrofuran (THF) and passed through a column packed with activated Al 2 O 3 to remove the catalyst. The polymer was precipitated in methanol. To purify the final product, the precipitation was repeated three times and then the PVC-g-POEM copolymer was dried in vacuo at 50 ° C. to remove residual solvent.

3. 기체 분리막의 제조3. Preparation of gas separation membrane

H-ZIF 다면체 나노결정을 1시간 동안 초음파 처리하여 THF에 분산시켰다. 별도로, PVC-g-POEM 공중합체를 실온에서 격렬하게 교반하여 THF에 용해시켰다. 최종적으로 제조될 기체 분리막 중 H-ZIF의 함량이 5중량%가 되도록 혼합된 용액을 30분 간 초음파 처리하여 분산시키고 기포를 제거하였다. PVC-g-POEM/H-ZIF 용액을 둥근 테프론 접시에 붓고 구멍이 뚫린 알루미늄 호일로 덮어 증발 속도를 조절하였다. 분리막을 실온에서 1 일 동안 제조하였다. 분리막을 테프론 접시에서 분리하고 진공 오븐에서 밤새 건조시켜 잔류 용매를 제거하여 분리막을 제조하였다. 도 2를 참고하면, 분리막 중 H-ZIF의 비율이 증가함에 따라, 분리막의 색이 황색에서 갈색으로 변했다.H-ZIF polyhedron nanocrystals were sonicated for 1 hour and dispersed in THF. Separately, the PVC-g-POEM copolymer was stirred vigorously at room temperature and dissolved in THF. Finally, the mixed solution was dispersed by sonication for 30 minutes so that the H-ZIF content was 5% by weight in the gas separation membrane to be prepared, and bubbles were removed. The PVC-g-POEM / H-ZIF solution was poured into a round Teflon dish and covered with perforated aluminum foil to control the evaporation rate. Membranes were prepared for 1 day at room temperature. The separator was separated from a Teflon dish and dried overnight in a vacuum oven to remove residual solvent to prepare a separator. Referring to FIG. 2, as the ratio of H-ZIF in the separator increases, the color of the separator changes from yellow to brown.

실시예 2Example 2

기체 분리막 중 H-ZIF의 함량을 10중량%로 조절한 것을 제외하면 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 기체 분리막을 제조하였다.A gas separation membrane was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the H-ZIF content was adjusted to 10 wt% in the gas separation membrane.

실시예 3Example 3

기체 분리막 중 H-ZIF의 함량을 20중량%로 조절한 것을 제외하면 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 기체 분리막을 제조하였다.A gas separation membrane was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the H-ZIF content was adjusted to 20 wt% in the gas separation membrane.

비교예Comparative example

H-ZIF와 PVC-g-POEM를 혼합하지 않고, PVC-g-POEM만으로 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 기체 분리막을 제조하였다.A gas separation membrane was prepared in the same manner as in Example 1 using only PVC-g-POEM without mixing H-ZIF and PVC-g-POEM.

실험예 1Experimental Example 1

H-ZIF 입자의 표면적 및 기공도를 분석하기 위하여 MicrotracBEL 사의 BELSORP-max 장비를 이용하여 N2 adsorption-desorption을 측정하였다.In order to analyze the surface area and porosity of H-ZIF particles, N 2 adsorption-desorption was measured using a BELSORP-max device manufactured by MicrotracBEL.

고분자 매트릭스와 H-ZIF 첨가제와의 상호작용을 평가하기 위해 FT-IR(Fourier-transform infrared spectroscopy)은 DIGLAS Co., Hannover 사의 Excalibur series을 이용하였다.Fourier-transform infrared spectroscopy (FT-IR) was used as the Excalibur series of DIGLAS Co., Hannover to evaluate the interaction between the polymer matrix and the H-ZIF additive.

H-ZIF과 기체 분리막의 나노-구조 분석을 위해 SEM(Scanning electron microscope)는 Carl Zeiss 사의 Model MERLIN을 이용하였으며, 이 때의 사용 전압은 5kV이다.Scanning electron microscope (SEM) used Carl Zeiss's Model MERLIN for nano-structure analysis of H-ZIF and gas separation membranes.

기체 분리막의 열적 특성을 평가하기 위한 DSC(Differential scanning calorimetry)는 Perkin Elmer사의 DSC8000 기기를 이용하였으며, 측정은 질소 환경하에서 분당 10℃로 승온시켜 진행하였다.Differential scanning calorimetry (DSC) was used to evaluate the thermal characteristics of the gas separation membrane using a Perkin Elmer DSC8000 instrument, and the measurement was performed by raising the temperature to 10 ° C. per minute in a nitrogen environment.

기체 분리막의 결정성을 분석하기 위한 XRD (X-ray diffraction)은 RIGAKU사의 RINT2000 기기를 이용하였다.XRD (X-ray diffraction) for analyzing the crystallinity of the gas separation membrane was used RINT2000 instrument of RIGAKU.

기체 분리막의 열적 안정성을 측정하기 위해 TA instruments사의 DTA/TGA analyzer를 이용하였다.In order to measure the thermal stability of the gas separation membrane was used TA instruments DTA / TGA analyzer.

H-ZIF는 ZIF-67 코어의 표면에 헤테로에피택셜(Heteroepitaxial) 구조로 ZIF-8이 성장하여 합성되었다. 도3을 참고하면, H-ZIF의 구조와 크기는 템플릿으로 사용된 ZIF-67과 비슷한 비등축 십이면체(rhombic dodecahedron) 구조를 나타내며 크기는 200~300nm로 관찰되었다. 또한, 도3의 TEM 사진에서 속이 빈 구조와 매우 얇은 두께의 외벽(~30nm)이 확연하게 관찰되었다. 도3의 XRD 패턴에서 H-ZIF의 결정구조는 ZIF-8의 결정구조와 동일하였으며 H-ZIF의 비어있는 공간에 존재하는 판 형태의 코발트 구조는 ZIF-67의 코어 에칭(core etching)의 결과로 형성되었다.H-ZIF was synthesized by growing ZIF-8 in a heteroepitaxial structure on the surface of the ZIF-67 core. Referring to Figure 3, the structure and size of H-ZIF shows a rhombic dodecahedron structure similar to ZIF-67 used as a template, the size was observed 200 ~ 300nm. In addition, in the TEM photograph of FIG. 3, a hollow structure and a very thin outer wall (˜30 nm) were clearly observed. The crystal structure of H-ZIF in the XRD pattern of FIG. 3 is the same as that of ZIF-8, and the plate-shaped cobalt structure in the empty space of H-ZIF is the result of core etching of ZIF-67. Was formed.

도 4에서는 PVC-g-POEM 매트릭스와 H-ZIF와의 상호작용을 알아보기 위해 FT-IR을 이용하였다. H-ZIF 입자에서 C=N, C-N 그리고 Zn-N 결합을 나타내는 1,584cm-1, 1,145cm-1, 421cm-1 밴드가 각각 관찰되었다. PVC-g-POEM과 혼합한 후 H-ZIF의 밴드 위치는 변하지 않았으나 첨가되는 양이 늘어날수록 밴드의 세기는 늘어남을 관찰할 수 있었다. POEM 곁사슬에 존재하는 카르보닐기(C=O)와 에테르기(C-O-C)를 나타내는 1,725cm-1 밴드와 1,097cm-1 밴드가 PVC-g-POEM에서 강하게 관찰되었다. 각각의 밴드는 H-ZIF의 도입에 따라 더 높은 파수(wavenumber)로 이동하였다. C=O를 나타내는 밴드는 1,725cm-1에서 1,728cm-1로, C-O-C를 나타내는 밴드는 1,096cm-1에서 1,101cm-1로 이동하였다. 높은 파수로의 이동은 결합의 길이가 감소되었음을 의미하며, 이는 H-ZIF와 고분자 사슬 간의 상호작용에 기인한 것이다. 아연 금속 이온에 배위결합하고 있는 이미다졸 유기 링커(Imidazole organic linker)가 POEM의 카르보닐기와 에테르기와의 상호작용할 수 있는 활성 부위(active sites)를 제공한 것으로 분석된다.In FIG. 4, FT-IR was used to examine the interaction between the PVC-g-POEM matrix and H-ZIF. In the H-ZIF particles C = N, CN and 1,584cm -1, 1,145cm -1, 421cm -1 band representing the Zn-N bond was observed, respectively. After mixing with PVC-g-POEM, the band position of H-ZIF did not change, but the intensity of the band increased as the amount added. -1 band and 1,097cm -1 band 1,725cm represents a carbonyl group (C = O) and ether (COC) present in the side chain POEM was observed strongly in the PVC-g-POEM. Each band shifted to a higher wavenumber following the introduction of H-ZIF. The band representing C = O shifted from 1,725 cm −1 to 1,728 cm −1 and the band representing COC moved from 1,096 cm −1 to 1,101 cm −1 . The shift to higher frequencies means that the length of the bonds is reduced, due to the interaction between H-ZIF and the polymer chain. The imidazole organic linker, which is coordinated to zinc metal ions, is believed to provide active sites for interacting with the carbonyl and ether groups of the POEM.

도 5는 기체 분리막의 열적 특성을 나타낸다. 도 5를 참고하면, PVC-g-POEM 가지형 고분자는 두 개의 유리전이온도(glass transition temperature, Tg)를 각각 -61.2℃와 95.8℃에서 나타내었다. 두 개의 유리전이온도는 각각 POEM 곁사슬과 PVC 주사슬에서 유래되었으며 이러한 두 개의 유리전이온도는 PVC-g-POEM이 미세 상분리 구조를 가지고 있음을 나타낸다. 이러한 미세 상분리 구조는 친수성의 POEM 곁사슬과 소수성의 PVC 주사슬의 용해도 차이에서 비롯되는 양친성 특성으로부터 유도된다. 이러한 미세 상분리 구조는 기체투과 통로를 고분자 내에서 형성하여 기체 분리막에 선호된다. FT-IR에서 확인한 것과 같이, 친수성의 POEM 곁사슬은 H-ZIF 입자와 선택적으로 상호작용하여 POEM/H-ZIF 복합체를 형성할 수 있다. 이산화탄소와 친화도가 좋은 POEM 곁사슬과 H-ZIF로 이루어진 미세 복합체는 이산화탄소 투과 저항을 감소시키며 보다 높은 이산화탄소 투과도 및 이산화탄소/메탄 투과선택도를 높이는 데 기여할 수 있다. H-ZIF의 도입 후 POEM 곁사슬의 유리전이온도는 -61.2℃에서 -57.2℃로 증가하였다. 이는 POEM 곁사슬과 H-ZIF의 상호작용으로 인해 POEM 사슬의 이동성과 자유도가 방해받은 결과이다. 반면, PVC 주사슬의 유리전이온도는 H-ZIF의 도입과 무관하게 일정하였고, 이러한 결과는 H-ZIF와 PVC-g-POEM간의 선택적 상호작용을 확인시켜준다.5 shows the thermal characteristics of the gas separation membrane. Referring to FIG. 5, the PVC-g-POEM branched polymer showed two glass transition temperatures (T g ) at −61.2 ° C. and 95.8 ° C., respectively. Two glass transition temperatures were derived from the POEM side chain and the PVC main chain, respectively. These two glass transition temperatures indicate that PVC-g-POEM has a fine phase separation structure. This microphase separation structure is derived from the amphiphilic properties resulting from the difference in solubility between the hydrophilic POEM side chain and the hydrophobic PVC main chain. Such a fine phase separation structure is preferred for the gas separation membrane by forming a gas permeation passage in the polymer. As confirmed by FT-IR, hydrophilic POEM side chains can selectively interact with H-ZIF particles to form POEM / H-ZIF complexes. Fine composites composed of POEM side chains and H-ZIF, which have good affinity with carbon dioxide, can reduce carbon dioxide permeation resistance and contribute to higher carbon dioxide permeability and carbon dioxide / methane permeability. After the introduction of H-ZIF, the glass transition temperature of POEM side chain increased from -61.2 ℃ to -57.2 ℃. This is the result of the mobility and freedom of the POEM chain being hampered by the interaction of the POEM side chain with H-ZIF. On the other hand, the glass transition temperature of PVC main chain was constant regardless of the introduction of H-ZIF, and this result confirms the selective interaction between H-ZIF and PVC-g-POEM.

도 6을 참고하면, PVC-g-POEM 가지형 고분자는 미세 상분리로 인한 18.9o 와 24.0o에 위치한 두 개의 넓은 무정형 피크를 나타내었다. 브래그 법칙(Bragg's law)를 통해 계산한 d-spacing은 각각 POEM 곁사슬 4.7Å과 PVC 주사슬 3.7Å로 계산되었다. PVC-g-POEM/H-ZIF 분리막에서는 뾰족한 H-ZIF의 결정성 피크가 여전히 관찰되었으며 첨가되는 양이 늘어날수록 피크가 점차 넓어지는 경향을 나타내는데, 이는 PVC-g-POEM 고분자 사슬이 H-ZIF의 결정구조로 일부 침투하기 때문에 나타나는 결과이다. H-ZIF를 20중량% 첨가한 비교예 1의 기체 분리막의 경우 결정성 피크의 상대적 세기가 달라진 것이 관찰되었다(011). 결정성 피크의 세기는 감소하였고 반대로 (002)와 (013) 결정성 피크의 세기는 증가하였다. 이는 고무상의 POEM 사슬과 H-ZIF 입자의 상호작용으로 인해 H-ZIF의 구조가 재결정화되었음을 나타낸다. 또한, 첨가되는 H-ZIF의 양이 늘어날수록 PVC-g-POEM의 무정형 피크의 세기 또한 감소하였다. 이러한 현상은 종래 복합 분리막의 단점인 고분자 매트릭스와 필러 사이에 선택성이 없는 미세 공동의 형성을 효과적으로 막아줄 수 있다. 다시 말해, 고분자 사슬이 H-ZIF로 침투하여 재결정화되는 과정에서 유기 매트릭스와 무기 필러 사이에 물리화학적 접촉을 향상시켜 높은 기체 분리성능을 기대할 수 있다.Referring to FIG. 6, the PVC-g-POEM branched polymer showed two broad amorphous peaks located at 18.9 o and 24.0 o due to fine phase separation. The d-spacing calculated using Bragg's law was calculated to be 4.7 Å of the POEM side chain and 3.7 PVC of the PVC main chain, respectively. In PVC-g-POEM / H-ZIF membranes, crystalline peaks of sharp H-ZIF are still observed, and the peaks gradually increase as the amount of H-ZIF added increases. This is because of the fact that it partially penetrates into the crystal structure. In the gas separation membrane of Comparative Example 1 to which 20 wt% of H-ZIF was added, it was observed that the relative intensity of the crystalline peak was changed (011). The intensity of the crystalline peaks decreased, whereas the intensity of the (002) and (013) crystalline peaks increased. This indicates that the structure of H-ZIF has been recrystallized due to the interaction of H-ZIF particles with rubbery POEM chains. In addition, as the amount of H-ZIF added increased, the intensity of the amorphous peak of PVC-g-POEM also decreased. This phenomenon can effectively prevent the formation of micro holes without selectivity between the polymer matrix and the filler, which is a disadvantage of the conventional composite separator. In other words, high gas separation performance can be expected by improving the physicochemical contact between the organic matrix and the inorganic filler in the process of the polymer chain penetrating into the H-ZIF recrystallization.

또한, PVC-g-POEM 가지형 고분자와 기체 분리막의 열적 안정성을 확인하기 위해 TGA 장비가 사용되었다. 도 7을 참고하면, 순수한 PVC-g-POEM 가지형 고분자로 이루어진 기체 분리막(비교예)의 경우 높은 열적 안정성으로 인해 250℃까지 뚜렷한 질량 감소를 나타내지 않았다. 일정 량의 H-ZIF를 포함하는 기체 분리막의 경우에도 동일한 열적 안정성을 나타내었는데, 분리막의 제조과정에서 진공 건조과정 동안 용매가 완전히 제거되었음을 간접적으로 확인할 수 있었다.In addition, TGA equipment was used to confirm the thermal stability of the PVC-g-POEM branched polymer and gas separation membrane. Referring to FIG. 7, the gas separation membrane (comparative example) composed of pure PVC-g-POEM branched polymer did not show a significant mass reduction up to 250 ° C. due to high thermal stability. In the case of the gas separation membrane containing a certain amount of H-ZIF showed the same thermal stability, it was indirectly confirmed that the solvent was completely removed during the vacuum drying process in the manufacturing process of the membrane.

도 8은 실시예 및 비교예에 따라 제조된 기체 분리막의 단면에 대한 SEM 이미지이다. 도 8을 참고하면, 순수한 PVC-g-POEM 분리막(비교예)의 경우 미세 균열이 없이 균일한 형태를 나타내었다. 일정 량의 H-ZIF를 포함하는 기체 분리막 또한 H-ZIF 입자가 분리막 전체에 걸쳐 균일하게 분산되어 있었으며 분리막의 두께는 H-ZIF 입자의 함량이 늘어남에 따라 증가하였다. 기체 분리막을 제조함에 있어서, 충분한 교반과 초음파 처리(sonication) 덕분에 H-ZIF이 뭉쳐있는 클러스터는 관찰되지 않았다. 또한, 미세 상분리 구조와 H-ZIF와 고분자 간의 선택적 상호작용 또한 입자의 뭉침을 방지하고 계면 접촉을 향상시킬 수 있었다. 만약, 무기 첨가제와 고분자 매트릭스간의 양립 가능성이 낮다면, 선택성이 없는 계면 공동이 형성되어 분리막의 선택도가 큰 폭으로 감소하였을 것이다.8 is an SEM image of a cross section of a gas separation membrane prepared according to Examples and Comparative Examples. Referring to FIG. 8, the pure PVC-g-POEM separator (comparative example) showed a uniform form without micro cracks. Gas separator containing a certain amount of H-ZIF In addition, H-ZIF particles were uniformly dispersed throughout the membrane, and the thickness of the membrane increased with increasing H-ZIF particle content. In preparing the gas separation membrane, clusters containing H-ZIF were not observed due to sufficient stirring and sonication. In addition, the microphase separation structure and the selective interaction between H-ZIF and the polymer also prevented aggregation of particles and improved interfacial contact. If the compatibility between the inorganic additives and the polymer matrix is low, an interface cavity without selectivity may be formed, and the selectivity of the separator may be greatly reduced.

실험예 2Experimental Example 2

도 9 및 하기 표 1에 제조된 혼합 매질 분리막들의 이산화탄소 투과도와 이산화탄소/메탄 투과선택도가 정리되어 있다.9 and Table 1 summarize the carbon dioxide permeability and the carbon dioxide / methane permeation selectivity of the mixed medium separation membranes prepared in Table 1 below.

구분division CH4 투과도 (barrer)CH 4 transmittance (barrer) CO2 투과도 (barrer)CO 2 permeability (barrer) 선택도 (CO2/CH4)Selectivity (CO 2 / CH 4 ) 비교예Comparative example 2.42.4 43.543.5 18.118.1 실시예 1Example 1 3.03.0 51.751.7 17.217.2 실시예 2Example 2 14.714.7 210.6210.6 14.314.3 실시예 3Example 3 18.918.9 224.7224.7 11.911.9

모든 기체 분리막에서 이산화탄소의 투과도는 메탄의 투과도에 비해 훨씬 높은 값을 나타낸다. 이는 이산화탄소 분자의 작은 운동 직경(kinetic diameter)과 높은 응축성에 의한 결과이다. 순수한 PVC-g-POEM 분리막은 약 43.5Barrer의 이산화탄소 투과도를 나타냈고, 이산화탄소/메탄 투과선택도는 18.1로 계산되었다. POEM 곁사슬의 극성 에테르 작용기가 이산화탄소 분자와 4중극-쌍극자(dipole-quadrupole) 결합을 이뤄 상대적으로 높은 이산화탄소 투과도를 나타낼 수 있었다. 10중량%의 H-ZIF 입자를 포함하는 기체 분리막(실시예 2)의 이산화탄소 투과도는 43.5Barrer에서 210.6Barrer로 약 484% 증가하였다.The permeability of carbon dioxide in all gas separation membranes is much higher than that of methane. This is the result of the small kinetic diameter and high condensation of the carbon dioxide molecules. Pure PVC-g-POEM membrane showed CO2 permeability of about 43.5 Barrer and CO2 / methane permeability was calculated to be 18.1. The polar ether functional groups in the POEM side chain formed a dipole-quadrupole bond with the carbon dioxide molecule, indicating a relatively high carbon dioxide permeability. The carbon dioxide permeability of the gas separation membrane (Example 2) containing 10% by weight of H-ZIF particles was increased by about 484% from 43.5 Barrer to 210.6 Barrer.

이러한 증가에는 크게 3가지 요인이 작용한 것으로 분석된다.Three factors contributed to this increase.

첫째, H-ZIF 입자가 분리막 내에서 추가적인 자유 부피를 제공하며 또한 고분자 사슬 간의 패킹을 방해하여 기체투과 저항을 감소시켜 이산화탄소의 투과도가 증가하였다. 추가적으로 H-ZIF 입자의 기공 크기는 약 3.4Å으로 이산화탄소의 크기(약 3.3Å)에 비해 커 이산화탄소의 투과에는 도움을 주지만 이보다 큰 기체는 흐름을 방해하여 높은 투과도와 선택도를 동시에 얻을 수 있을 것으로 예측되었다.First, H-ZIF particles provide additional free volume in the membrane and also impede the packing between polymer chains, reducing gas permeation resistance, thereby increasing the permeability of carbon dioxide. In addition, the pore size of H-ZIF particles is about 3.4Å, which is larger than the size of CO2 (about 3.3Å), which helps in permeation of carbon dioxide, but larger gases may impede the flow, resulting in high permeability and selectivity. It was predicted.

둘째, H-ZIF 입자의 이미다졸 링커는 이산화탄소와 4중극 상호작용을 할 수 있으며 이미다졸 링커의 아민 작용기는 이산화탄소와 고분자 매트릭스 모두와 상호작용하여 높은 이산화탄소 투과도뿐만 아니라 매트릭스와의 물리적 접촉 향상에도 큰 도움을 주었다.Second, the imidazole linker of H-ZIF particles can quadrupole interact with carbon dioxide, and the amine functionality of the imidazole linker interacts with both carbon dioxide and the polymer matrix, which is highly effective in improving physical contact with the matrix as well as high carbon dioxide permeability. Helped.

셋째, 속이 빈 H-ZIF의 구조의 내부는 Knudsen 확산으로 알려져 있는 원리가 지배적이며 이러한 Knudsen 확산의 경우 고분자 내에서의 확산에 비해 훨씬 높은 값을 갖는 것으로 알려져 있다. 따라서, 속이 빈 기공이 많을수록 적은 저항으로 기체가 투과할 수 있게 된다.Third, the internal structure of the hollow H-ZIF is dominated by the principle known as Knudsen diffusion, and this Knudsen diffusion is known to have a much higher value than diffusion in a polymer. Therefore, the more hollow pores, the more gas can pass through with less resistance.

메탄의 경우에도 H-ZIF의 양이 증가함에 따라 그 투과도가 함께 증가하였다. 이를 통해 비록 메탄의 크기(약 3.8Å가 H-ZIF 입자의 기공 크기에 비해 크지만 상대적으로 유연한 H-ZIF의 구조에 의해 일부가 투과되었음을 알 수 있다. 또한, 상기 Knudsen 확산의 경우 확산도는 투과되는 기체 분자의 분자량에 반비례하는데 메탄 분자의 무게가 이산화탄소 분자의 무게에 비해 훨씬 가벼워 H-ZIF 입자 내의 속이 빈 공간에서는 이산화탄소에 비해 메탄이 더 빨리 확산될 것으로 예상된다. 따라서, H-ZIF의 도입에 따라 이산화탄소와 메탄의 투과도가 모두 증가하지만 앞서 언급한 H-ZIF와 PVC-g-POEM의 장점들로 인해 일정 수준의 선택도를 유지하며 높은 이산화탄소 투과도를 얻을 수 있었다.In the case of methane, as the amount of H-ZIF increased, the permeability increased. This shows that although the size of methane (approximately 3.8 kPa is larger than the pore size of H-ZIF particles, some of the permeation is permeated by the relatively flexible structure of H-ZIF. The weight of the methane molecule is much lighter than that of the carbon dioxide molecule, which is inversely proportional to the molecular weight of the gas molecules, which is expected to diffuse methane faster than the carbon dioxide in the hollow space in the H-ZIF particles. Although the permeability of both carbon dioxide and methane increases, the advantages of H-ZIF and PVC-g-POEM mentioned above result in high CO2 permeability while maintaining a certain level of selectivity.

도 10은 이산화탄소 투과도와 이산화탄소/메탄 투과선택도 간의 관계를 나타낸 그래프이다. 상기 기체 분리막의 트레이드-오프(trade-off) 특성으로 인해 높은 투과도와 높은 선택도를 동시에 얻는 것은 한계가 있다. 일반적으로 2008년에 발표된 Robeson upper bound에 근접할수록 다른 분리막보다 더 좋은 성능을 나타내는 것으로 볼 수 있는데, 실시예에서 제조된 분리막의 경우 선택도가 일부 감소하지만 이산화탄소의 투과도가 큰 폭으로 증가하여 실시예 2의 기체 분리막은 비교예의 PVC-g-POEM 분리막에 비해 upper bound에 더욱 근접한 것을 확인할 수 있다.10 is a graph showing the relationship between carbon dioxide permeability and carbon dioxide / methane permeability. Due to the trade-off characteristics of the gas separation membrane, it is limited to simultaneously obtain high permeability and high selectivity. In general, the closer to the Robeson upper bound released in 2008, the better the performance than other separators. In the case of the separator prepared in Example, the selectivity was partially reduced, but the carbon dioxide permeability was greatly increased. It can be seen that the gas separation membrane of Example 2 is closer to the upper bound than the PVC-g-POEM separation membrane of the comparative example.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The foregoing description of the present invention is intended for illustration, and it will be understood by those skilled in the art that the present invention may be easily modified in other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are exemplary in all respects and not restrictive. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as distributed may be implemented in a combined form.

본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the invention is indicated by the following claims, and it should be construed that all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents are included in the scope of the invention.

Claims (20)

기체 분리막의 제조방법에 있어서,
(a) 제1 금속 전구체, 이미다졸 또는 이미다졸 유도체, 및 용매를 혼합하여 솔리드 입자를 제조하는 단계;
(b) 상기 솔리드 입자, 제2 금속 전구체, 이미다졸 또는 이미다졸 유도체, 및 용매를 혼합 및 열처리하여 상기 솔리드 입자의 표면에 결정을 성장시킨 후 상기 솔리드 입자를 제거하여 중공 입자를 제조하는 단계; 및
(c) 상기 중공 입자 및 고분자를 혼합 및 성형하는 단계;를 포함하고,
상기 중공 입자의 외벽 두께는 30nm 이하이고,
상기 기체 분리막 중 상기 중공 입자의 함량은 10~30중량%이고,
상기 기체 분리막을 35℃ 및 1bar에서 시차 방법을 사용하여 측정한, (i) 이산화탄소의 투과도는 200Barrer 이상이고, (ii) 메탄에 대한 이산화탄소의 투과선택도는 14 이상인, 기체 분리막의 제조방법.
In the manufacturing method of the gas separation membrane,
(a) mixing the first metal precursor, imidazole or imidazole derivative, and solvent to produce solid particles;
(b) mixing the solid particles, the second metal precursor, imidazole or imidazole derivatives, and a solvent to grow crystals on the surface of the solid particles, and then removing the solid particles to prepare hollow particles; And
(c) mixing and molding the hollow particles and the polymer;
The outer wall thickness of the hollow particles is 30nm or less,
The content of the hollow particles in the gas separation membrane is 10 to 30% by weight,
The gas separation membrane was measured using a differential method at 35 ° C. and 1 bar, and (i) the permeability of carbon dioxide was 200 Barrer or more, and (ii) the permeation selectivity of carbon dioxide to methane was 14 or more.
제1항에 있어서,
상기 제1 금속 전구체는 질산코발트(cobalt nitrate), 아세트산코발트(cobalt acetate), 염화코발트(cobalt chloride), 황산코발트(cobalt sulfate), 브롬화코발트(cobalt bromide), 요오드화코발트(cobalt iodide) 및 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나인 기체 분리막의 제조방법.
The method of claim 1,
The first metal precursor is cobalt nitrate, cobalt acetate, cobalt chloride, cobalt chloride, cobalt sulfate, cobalt bromide, cobalt iodide and cobalt iodide Method for producing a gas separation membrane which is one selected from the group consisting of two or more combinations.
제1항에 있어서,
상기 이미다졸 또는 이미다졸 유도체는 벤지미다졸(benzimidazole), 2-메틸이미다졸(2-methylimidazole), 4-메틸이미다졸(4-methylimidazole), 2-메틸벤지미다졸(2-methylbenzimidazole), 2-니트로이미다졸(2-nitroimidazole), 5-니트로벤지미다졸(5-nitrobenzimidazole), 5-클로로벤지미다졸(5-chlorobenzimidazole) 및 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나인 기체 분리막의 제조방법.
The method of claim 1,
The imidazole or imidazole derivatives may be benzimidazole, 2-methylimidazole, 4-methylimidazole, 2-methylbenzimidazole, or 2-methylbenzimidazole. , A gas separation membrane selected from the group consisting of 2-nitroimidazole, 5-nitrobenzimidazole, 5-chlorobenzimidazole, and a combination of two or more thereof. Manufacturing method.
제1항에 있어서,
상기 솔리드 입자는 ZIF-67인 기체 분리막의 제조방법.
The method of claim 1,
The solid particles are ZIF-67 manufacturing method of a gas separation membrane.
제4항에 있어서,
상기 솔리드 입자의 평균 입도는 100~500nm인 기체 분리막의 제조방법.
The method of claim 4, wherein
The average particle size of the solid particles is a method of producing a gas separation membrane 100 ~ 500nm.
제1항에 있어서,
상기 제2 금속 전구체는 질산아연(zinc nitrate), 아세트산아연(zinc acetate), 염화아연(zinc chloride), 황산아연(zinc sulfate), 브롬화아연(zinc bromide), 요오드화아연(zinc iodide) 및 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나인 기체 분리막의 제조방법.
The method of claim 1,
The second metal precursor is zinc nitrate, zinc acetate, zinc chloride, zinc sulfate, zinc sulfate, zinc bromide, zinc iodide, and zinc iodide. Method for producing a gas separation membrane which is one selected from the group consisting of two or more combinations.
제1항에 있어서,
상기 중공 입자는 ZIF-8인 기체 분리막의 제조방법.
The method of claim 1,
The hollow particle is a method of producing a gas separation membrane of ZIF-8.
제1항에 있어서,
상기 용매는 메탄올, 에탄올, 프로판올, iso-프로판올, tert-부탄올, n-부탄올, 메톡시에탄올, 에톡시에탄올, 디메틸아세트아마이드, 디메틸포름아마이드, n-메틸-2-피롤리돈(NMP), 포름산, 니트로메탄, 아세트산, 증류수 및 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나인 기체 분리막의 제조방법.
The method of claim 1,
The solvent is methanol, ethanol, propanol, iso-propanol, tert-butanol, n-butanol, methoxyethanol, ethoxyethanol, dimethylacetamide, dimethylformamide, n-methyl-2-pyrrolidone (NMP), A method for producing a gas separation membrane, which is one selected from the group consisting of formic acid, nitromethane, acetic acid, distilled water and a combination of two or more thereof.
제1항에 있어서,
상기 (a) 단계에서 상기 제1 금속 전구체, 및 상기 이미다졸 또는 이미다졸 유도체를 각각 1 : 1~5의 중량비로 혼합하는 기체 분리막의 제조방법.
The method of claim 1,
The method of claim 1, wherein the first metal precursor and the imidazole or imidazole derivative are mixed in a weight ratio of 1: 1 to 5, respectively.
제1항에 있어서,
상기 (b) 단계에서 상기 솔리드 입자, 상기 제2 금속 전구체, 및 상기 이미다졸 또는 이미다졸 유도체를 각각 1 : 1~5 : 0.5~2의 중량비로 혼합하는 기체 분리막의 제조방법.
The method of claim 1,
In the step (b), the solid particles, the second metal precursor, and the imidazole or imidazole derivatives are mixed in a weight ratio of 1: 1 to 5: 0.5 to 2, respectively.
제1항에 있어서,
상기 (b) 단계에서 상기 열처리는 80~150℃에서 5~20시간 동안 이루어지는 기체 분리막의 제조방법.
The method of claim 1,
In the step (b), the heat treatment is a method of producing a gas separation membrane made for 5 to 20 hours at 80 ~ 150 ℃.
제1항에 있어서,
상기 (c) 단계에서 상기 중공 입자를 포함하는 용액 및 상기 고분자를 포함하는 용액을 습식 혼합하는(wet mixing) 기체 분리막의 제조방법.
The method of claim 1,
The method of manufacturing a gas separation membrane (wet mixing) of the solution containing the hollow particles and the solution containing the polymer in the step (c).
제1항에 있어서,
상기 고분자는 양친성 공중합체인 기체 분리막의 제조방법.
The method of claim 1,
The polymer is a method of producing a gas separation membrane is an amphiphilic copolymer.
제13항에 있어서,
상기 양친성 공중합체는 소수성 고분자와 친수성 고분자의 그래프트 공중합체인 기체 분리막의 제조방법.
The method of claim 13,
The amphiphilic copolymer is a graft copolymer of a hydrophobic polymer and a hydrophilic polymer.
제13항에 있어서,
상기 양친성 공중합체는 원자전달 라디칼 중합반응으로 합성된 것인 기체 분리막의 제조방법.
The method of claim 13,
The amphiphilic copolymer is a method of producing a gas separation membrane synthesized by an atomic transfer radical polymerization.
제14항에 있어서,
상기 소수성 고분자는 폴리비닐클로라이드, 폴리클로로트리플루오로에틸렌, 폴리디클로로디플루오로메탄, 폴리비닐리덴클로라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드-co-클로로트리플루오로에틸렌 및 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나인 기체 분리막의 제조방법.
The method of claim 14,
The hydrophobic polymer is selected from the group consisting of polyvinyl chloride, polychlorotrifluoroethylene, polydichlorodifluoromethane, polyvinylidene chloride, polyvinylidene fluoride-co-chlorotrifluoroethylene, and combinations of two or more thereof. Method for producing a gas separation membrane is one selected.
제14항에 있어서,
상기 친수성 고분자는 폴리옥시에틸렌메타크릴레이트, 폴리히드록시에틸메타크릴레이트, 폴리t-부틸메타크릴레이트, 폴리아크릴아미드, 폴리N-비닐피롤리돈, 폴리아미노스티렌, 폴리스티렌술폰산, 폴리메틸프로펜술폰산, 폴리술포프로필메타크릴레이트, 폴리술포에틸메타크릴레이트, 폴리술포부틸메타크릴레이트 및 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나인 기체 분리막의 제조방법.
The method of claim 14,
The hydrophilic polymer is polyoxyethylene methacrylate, polyhydroxyethyl methacrylate, polyt-butyl methacrylate, polyacrylamide, polyN-vinylpyrrolidone, polyamino styrene, polystyrene sulfonic acid, polymethylpropene A method for producing a gas separation membrane, which is selected from the group consisting of sulfonic acid, polysulfopropyl methacrylate, polysulfoethyl methacrylate, polysulfobutyl methacrylate, and a combination of two or more thereof.
제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 제조되고,
상기 중공 입자의 외벽 두께는 30nm 이하이고,
상기 기체 분리막 중 상기 중공 입자의 함량이 10~30중량%이고,
상기 기체 분리막을 35℃ 및 1bar에서 시차 방법을 사용하여 측정한, (i) 이산화탄소의 투과도는 200Barrer 이상이고, (ii) 메탄에 대한 이산화탄소의 투과선택도는 14 이상인 기체 분리막.
Made by the method according to any one of claims 1 to 17,
The outer wall thickness of the hollow particles is 30nm or less,
The content of the hollow particles in the gas separation membrane is 10 to 30% by weight,
The gas separation membrane was measured using a differential method at 35 ° C. and 1 bar, (i) the permeability of carbon dioxide is 200 Barrer or more, and (ii) the permeation selectivity of carbon dioxide to methane is 14 or more.
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