KR102164259B1 - Copolymer, a process for producing the same, a gas separation membrane comprising the copolymer, and a composite membrane comprising the gas separation membrane - Google Patents

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김종학
박민수
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연세대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a copolymer, a method for producing the same, a gas separation membrane including the copolymer, and a composite membrane including the gas separation membrane. The copolymer of the present invention allows the produced gas separation membrane to maintain a stable structure through improved mechanical strength, prevents aggregation between monomers by introducing additives that selectively interact with functional groups in a copolymer chain, and can greatly improve gas selectivity by blocking the free volume. The copolymer is simply synthesized by free radical polymerization, and a synthesized solution can be used for coating a porous support without a separate precipitation or purification process, thereby enabling economical production of the gas separation membrane.

Description

공중합체, 이의 제조방법, 상기 공중합체를 포함하는 기체 분리막 및 상기 기체 분리막을 포함하는 복합막{Copolymer, a process for producing the same, a gas separation membrane comprising the copolymer, and a composite membrane comprising the gas separation membrane}Copolymer, a process for producing the same, a gas separation membrane comprising the copolymer, and a composite membrane comprising the gas separation membrane}

본 발명은 공중합체, 이의 제조방법, 상기 공중합체를 포함하는 기체 분리막 및 상기 기체 분리막을 포함하는 복합막에 관한 것이다.The present invention relates to a copolymer, a method for preparing the same, a gas separation membrane including the copolymer, and a composite membrane including the gas separation membrane.

지구 온난화가 가속되면서 온실가스에서 가장 큰 비중을 차지하는 이산화탄소 기체 포집은 중요한 문제로 대두되고 있다. 이산화탄소 포집에는 크게 2 가지 방법이 있는데, 연소 전 포집과 연소 후 포집이 있다. 연소 전 포집은 천연가스의 순도를 높이는 과정으로, 메탄과 이산화탄소를 분리하는 과정이고, 연소 후 포집은 질소와 이산화탄소를 분리하는 과정이다. 이러한 기체 분리는 수십 년간 지속적으로 연구되어 왔다.As global warming accelerates, the capture of carbon dioxide gas, which accounts for the largest portion of greenhouse gases, has emerged as an important problem. There are two main methods of carbon dioxide capture, one before combustion and one after combustion. Capture before combustion is a process of increasing the purity of natural gas, and is a process of separating methane and carbon dioxide, and capture after combustion is a process of separating nitrogen and carbon dioxide. This gas separation has been studied continuously for decades.

이러한 연구 중 고분자 분리막은 풍부한 원소인 탄소를 기반으로 하는 물질로 높은 활용 가능성을 보였다. 이 중, 이산화탄소와 화학적인 상호작용을 통해 높은 이산화탄소 용해도를 갖는 고분자 분리막에 대한 다양한 연구가 진행되었으나, 대다수의 이산화탄소 친화도가 높은 고분자의 경우 고분자가 유체의 성질을 가지므로 형상을 유지하지 못하고 안정한 구조를 유지할 수 없으며 막의 결함을 초래하는 문제가 있다. 따라서 기계적 강도를 확보하여 안정한 구조를 장시간 유지할 수 있는 고분자 기체 분리막의 개발이 요구되고 있다.Among these studies, polymer membranes showed high applicability as materials based on carbon, an abundant element. Among them, various studies have been conducted on polymer membranes having high carbon dioxide solubility through chemical interaction with carbon dioxide, but most of the polymers with high carbon dioxide affinity cannot maintain their shape and are stable. There is a problem that the structure cannot be maintained and the film is defective. Therefore, there is a need to develop a polymer gas separation membrane capable of maintaining a stable structure for a long time by securing mechanical strength.

대한민국 등록특허 제10-1576052호Korean Patent Registration No. 10-1576052

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 안정적 구조를 유지할 수 있는 기체 분리막의 제조가 가능하고, 기체 선택도가 향상된 공중합체 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.Accordingly, the technical problem to be solved by the present invention is to provide a copolymer and a method for producing a gas separation membrane capable of maintaining a stable structure and improved gas selectivity.

또한, 상기 공중합체를 포함하는 기체 분리막 및 복합막을 제공하는 것이다.In addition, it is to provide a gas separation membrane and a composite membrane comprising the copolymer.

본 발명의 일 측면은 이산화탄소 친화성 단량체 및 양쪽성 이온(zwitter ion) 단량체의 공중합체를 제공한다. One aspect of the present invention provides a copolymer of a carbon dioxide affinity monomer and a zwitter ion monomer.

본 발명의 다른 측면은 상기 공중합체를 포함하는 기체 분리막을 제공한다. Another aspect of the present invention provides a gas separation membrane comprising the copolymer.

본 발명의 또 다른 측면은 상기 기체 분리막이 다공성 지지체 상에 형성되는 복합막을 제공한다.Another aspect of the present invention provides a composite membrane in which the gas separation membrane is formed on a porous support.

본 발명의 또 다른 측면은 이산화탄소 친화성 단량체 및 양쪽성 이온 단량체를 개시제의 존재 하에 중합하는 단계; 및 Fe3+ 이온을 포함하는 첨가제를 투입하는 단계;를 포함하는 공중합체의 제조방법을 제공한다. Another aspect of the present invention is a step of polymerizing a carbon dioxide affinity monomer and a zwitterionic monomer in the presence of an initiator; And it provides a method for producing a copolymer comprising; and adding an additive containing Fe 3+ ions.

본 발명의 공중합체는 향상된 기계적 강도를 통해 제조되는 기체 분리막이 안정한 구조를 유지할 수 있도록 하며, 공중합체 사슬 내의 작용기와 선택적 상호작용을 하는 첨가제 도입하여 단량체 간의 응집을 방지하고, 자유 부피를 막아 기체 선택도를 크게 향상시킬 수 있다. 상기 공중합체는 자유 라디칼 중합에 의해 간단하게 합성되며, 별도의 침전이나 정제 과정 없이 합성된 용액을 다공성 지지체 코팅에 활용할 수 있어 경제적인 기체 분리막 제조가 가능하다.The copolymer of the present invention allows the gas separation membrane produced through improved mechanical strength to maintain a stable structure, prevents aggregation between monomers by introducing additives that selectively interact with functional groups in the copolymer chain, and blocks free volume Selectivity can be greatly improved. The copolymer is simply synthesized by free radical polymerization, and the synthesized solution can be used for coating a porous support without a separate precipitation or purification process, thereby enabling economical gas separation membrane production.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합막의 개념도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 공중합체 제조방법의 개략도이고, 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합막의 제조방법을 나타낸 모식도이다.
도 3a은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 공중합체 PS31의 1H-NMR 분석 결과이고, 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 공중합체 PS41의 1H-NMR 분석 결과이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 공중합체의 FT-IR 스펙트럼이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 첨가제를 포함하는 공중합체의 FT-IR 스펙트럼이다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따라 단량체의 비율을 달리하여 제조한 복합막의 DSC 분석 결과이며, 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따라 첨가제의 비율을 달리하여 제조한 복합막의 DSC 분석 결과이다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따라 단량체의 비율을 달리하여 제조한 복합막의 TGA 분석 결과이며, 도 7b는 상기 도 7a의 변화량을 의미하고, 도 7c는 본 발명의 일 실시예에 따라 첨가물의 양을 달리하여 제조한 복합막의 TGA 분석 결과이며, 도 7d는 상기 도 7c의 변화량을 의미한다.
도 8a는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 PS31_0.0, 도 8b는 PS31_2.5, 도 8c는 PS31_5.0, 도 8d는 PS31_10의 TEM 분석 결과이다.
도 9a는 본 발명의 일 실시예에 따라 단량체의 비율을 달리하여 제조한 복합막의 SAXS 분석 결과이고, 도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따라 첨가물의 양을 달리하여 제조한 복합막의 SAXS 분석 결과이다.
도 10a는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조한 PS31_5.0 막이 액체 질소에 의해 수축된 경계면을 나타내며, 도 10b는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조한 PS31_0.0, 도 10c는 PS31_2.5, 도 10d는 PS31_5.0, 도 10e는 PS31_7.5, 도 10f는 PS31_10의 단면의 SEM 분석 결과이다.
도 11a는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 복합막의 시간에 따른 이산화탄소 흡착 곡선을 나타낸 결과이고, 도 11b는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 복합막의 시간에 따른 이산화탄소 투과도를 측정한 결과이다.
도 12a는 본 발명의 일 실시예에 따라 단량체의 비율을 달리하여 제조한 복합막의 단일 기체 투과도를 측정한 결과이며, 도 12b는 본 발명의 일 실시예에 따라 단량체의 비율을 달리하여 제조한 복합막의 이상적인 선택도를 측정한 결과이다.
도 13a는 본 발명의 일 실시예에 따라 첨가제의 양을 달리하여 제조한 복합막의 단일 기체 투과도를 측정한 결과이며, 도 13b는 본 발명의 일 실시예에 따라 첨가제의 양을 달리하여 제조한 복합막의 이상적인 선택도를 측정한 결과이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조한 복합막의 혼합 기체 분리 성능을 측정한 결과이다.
도 15a는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 복합막의 CO2/N2 Robeson Upper bound 그래프이며, 도 15b는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 복합막의 CO2/CH4 Robeson Upper bound 그래프이다.
1 is a conceptual diagram of a composite film according to an embodiment of the present invention.
2A is a schematic diagram of a method for manufacturing a copolymer according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2B is a schematic diagram showing a method for manufacturing a composite film according to an embodiment of the present invention.
3A is a 1 H-NMR analysis result of a copolymer PS31 prepared according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3B is a 1 H-NMR analysis result of a copolymer PS41 prepared according to an embodiment of the present invention.
4 is an FT-IR spectrum of a copolymer prepared according to an embodiment of the present invention.
5 is an FT-IR spectrum of a copolymer including an additive according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6A is a DSC analysis result of a composite film prepared by varying the ratio of monomers according to an embodiment of the present invention, and FIG. 6B is a DSC analysis result of a composite film prepared by varying the ratio of additives according to an embodiment of the present invention. to be.
7A is a TGA analysis result of a composite membrane prepared by varying the ratio of monomers according to an embodiment of the present invention, FIG. 7B means the amount of change in FIG. 7A, and FIG. 7C is an additive according to an embodiment of the present invention. It is the result of TGA analysis of the composite film prepared by varying the amount of, and FIG. 7D refers to the amount of change in FIG. 7C.
FIG. 8A is a TEM analysis result of PS31_0.0 manufactured according to an embodiment of the present invention, FIG. 8B is PS31_2.5, FIG. 8C is PS31_5.0, and FIG. 8D is PS31_10.
9A is a SAXS analysis result of a composite membrane prepared by varying the ratio of monomers according to an embodiment of the present invention, and FIG. 9B is a SAXS analysis result of a composite membrane prepared by varying the amount of additives according to an embodiment of the present invention. to be.
FIG. 10A shows an interface surface of a PS31_5.0 film manufactured according to an embodiment of the present invention contracted by liquid nitrogen, and FIG. 10B is a PS31_0.0 manufactured according to an embodiment of the present invention, and FIG. 10C is a PS31_2.5. , FIG. 10D is a result of SEM analysis of a cross section of PS31_5.0, FIG. 10E is PS31_7.5, and FIG. 10F is PS31_10.
11A is a result of a carbon dioxide adsorption curve over time of a composite membrane manufactured according to an embodiment of the present invention, and FIG. 11B is a result of measuring carbon dioxide permeability over time of a composite membrane manufactured according to an embodiment of the present invention. to be.
12A is a result of measuring a single gas permeability of a composite membrane prepared by varying the ratio of monomers according to an embodiment of the present invention, and FIG. 12B is a composite prepared by varying the ratio of monomers according to an embodiment of the present invention. This is the result of measuring the ideal selectivity of the membrane.
13A is a result of measuring a single gas permeability of a composite membrane manufactured by varying the amount of additives according to an embodiment of the present invention, and FIG. 13B is a composite manufactured by varying the amount of additives according to an embodiment of the present invention. This is the result of measuring the ideal selectivity of the membrane.
14 is a result of measuring the mixed gas separation performance of the composite membrane prepared according to an embodiment of the present invention.
15A is a CO 2 /N 2 Robeson Upper bound graph of the composite membrane manufactured according to an embodiment of the present invention, and FIG. 15B is a CO 2 /CH 4 Robeson Upper bound graph of the composite membrane manufactured according to an embodiment of the present invention. to be.

이하에서, 본 발명의 여러 측면 및 다양한 구현예에 대해 더욱 구체적으로 설명한다.Hereinafter, various aspects and various embodiments of the present invention will be described in more detail.

본 발명의 일 측면은 이산화탄소 친화성 단량체 및 양쪽성 이온(zwitter ion) 단량체의 공중합체를 제공한다. 이산화탄소 친화성 단량체만으로 이루어진 고분자는 이산화탄소 분리 성능이 우수한 장점이 있으나, 형상을 유지하지 못하는 유체의 성질에 의해 장시간 기체 분리 성능을 유지하지 못하는 문제가 있었다. 따라서 본 발명의 공중합체는 음이온과 양이온을 동시에 가지는 양쪽성 이온 단량체를 이산화탄소 친화성 단량체와 공중합하여 이온결합을 통한 기계적 강도를 확보하였다. One aspect of the present invention provides a copolymer of a carbon dioxide affinity monomer and a zwitter ion monomer. A polymer composed of only a carbon dioxide affinity monomer has an advantage of excellent carbon dioxide separation performance, but there is a problem in that the gas separation performance cannot be maintained for a long time due to the property of a fluid that cannot maintain its shape. Therefore, the copolymer of the present invention secured mechanical strength through ionic bonding by copolymerizing a zwitterionic monomer having both anions and cations with a carbon dioxide affinity monomer.

상기 이산화탄소 친화성 단량체란 중합되어 이산화탄소와 화학적인 상호작용을 하는 화합물을 의미한다. 상기 이산화탄소 친화성 단량체는 폴리(에틸렌글리콜) 메틸에테르 메타크릴레이트(poly(ethylene glycol) methyl ether methacrylate), 4-비닐피리딘(4-vinylpyridine), 에틸렌 옥사이드(ethylene oxide), 프로필렌 옥사이드(propylene oxide), 비닐 알코올(vinyl alcohol), 비닐이미다졸(vinyl imidazole), 비닐피롤리돈(vinyl pyrrolidone) 및 아크릴로니트릴(acrylonitrile) 중에서 선택되는 어느 하나일 수 있다. 상기 폴리(에틸렌글리콜) 메틸에테르 메타크릴레이트는 상기한 이산화탄소 친화성 단량체 가운데 이산화탄소와의 상호작용이 가장 우수하다는 점에서 바람직하다.The carbon dioxide affinity monomer refers to a compound that is polymerized and chemically interacts with carbon dioxide. The carbon dioxide affinity monomer is poly (ethylene glycol) methyl ether methacrylate (poly (ethylene glycol) methyl ether methacrylate), 4-vinylpyridine (4-vinylpyridine), ethylene oxide (ethylene oxide), propylene oxide (propylene oxide) , Vinyl alcohol (vinyl alcohol), vinyl imidazole (vinyl imidazole), vinyl pyrrolidone (vinyl pyrrolidone) and may be any one selected from acrylonitrile (acrylonitrile). The poly(ethylene glycol) methyl ether methacrylate is preferable in that it has the best interaction with carbon dioxide among the carbon dioxide affinity monomers described above.

상기 이산화탄소 친화성 단량체는 하기 화학식 2로 표시되는 것일 수 있다.The carbon dioxide affinity monomer may be represented by the following formula (2).

[화학식 2][Formula 2]

Figure 112019040842462-pat00001
Figure 112019040842462-pat00001

상기 화학식 2에서 R1 및 R2는 서로 같거나 상이하며 각각 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬기이고, n은 1 내지 20의 정수이다.In Formula 2, R 1 and R 2 are the same as or different from each other, and each independently hydrogen or an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, and n is an integer of 1 to 20.

더욱 바람직하게는, 상기 이산화탄소 친화성 단량체는 수평균 분자량(Mn)이 300 내지 700 g mol-1인 폴리(에틸렌글리콜) 메틸에테르 메타크릴레이트일 수 있다. 상기 수평균 분자량이 300 g mol-1 미만인 경우 단량체가 갖는 에테르 작용기의 비율이 낮기 때문에 바람직하지 못하고, 700 g mol-1 초과의 경우 단량체의 반복단위가 길어져 포함된 에테르 작용기가 구조를 형성하므로, 이산화탄소의 용해도가 감소할뿐더러 상기 에테르 작용기가 형성한 구조 사이의 공간을 통해서 원하지 않는 기체도 통과하는 문제가 있을 수 있다.More preferably, the carbon dioxide affinity monomer may be poly(ethylene glycol) methyl ether methacrylate having a number average molecular weight (M n ) of 300 to 700 g mol -1 . If the number average molecular weight is less than 300 g mol -1, it is not preferable because the ratio of the ether functional group of the monomer is low, and if the number average molecular weight is more than 700 g mol -1, the repeating unit of the monomer is lengthened to form a structure, In addition to decreasing the solubility of carbon dioxide, there may be a problem in that unwanted gas also passes through the space between the structures formed with the ether functional groups.

상기 양쪽성 이온 단량체는 하기 화학식 3로 표시되는 것일 수 있다.The zwitterionic monomer may be represented by the following formula (3).

[화학식 3][Formula 3]

Figure 112019040842462-pat00002
Figure 112019040842462-pat00002

상기 화학식 3에서 R1 수소 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬기이고, R2 및 R3은 서로 같거나 상이하며 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 6의 알킬기이고, 상기 X는 SO3 -, COO- 중에서 선택되고, n은 0 내지 4의 정수이고, m은 0 내지 4의 정수이다.In Formula 3, R 1 is Is hydrogen or alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, R 2 and R 3 is the same as or different from each other and the alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, each independently, wherein X is SO 3 -, COO - is selected from, n is 0 to 4; And m is an integer of 0 to 4.

상기 양쪽성 이온 단량체는 설포베테인메타크릴레이트(sulfobetaine methacrylate), 카복시베테인 메타크릴레이트(carboxynetaine methacrylate) 및 2-메타크릴로일록시에틸 포스포릴콜린(2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine) 중에서 선택되는 어느 하나일 수 있다. 상기 양쪽성 이온 단량체는 음이온과 양이온을 동시에 갖는 단량체를 의미하는 것으로, 음이온 및 양이온을 동시에 갖는 특성으로 분리막의 기계적 강도를 확보할 수 있다. 상기 설포베테인메타크릴레이트는 음이온과 양이온을 함께 포함하는 동시에 친수성이므로 무기물과의 혼화성 및 상호작용이 우수하기 때문에 무기물 첨가제를 첨가할 수 있으며, 상기한 다른 양쪽성 이온 단량체에 비해 생산 비용 및 과정이 저렴한 점에서 바람직하다.The zwitterionic monomer is any one selected from sulfobetaine methacrylate, carboxynetaine methacrylate, and 2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine. Can be The zwitterionic monomer refers to a monomer having an anion and a cation at the same time, and the mechanical strength of the separator may be secured by having an anion and a cation at the same time. Since the sulfobetaine methacrylate contains both anions and cations and is hydrophilic, an inorganic additive can be added because it has excellent miscibility and interaction with inorganic substances. It is preferable because the process is inexpensive.

상기 공중합체는 하기 화학식 1로 표시되는 것일 수 있다.The copolymer may be represented by the following formula (1).

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112019040842462-pat00003
Figure 112019040842462-pat00003

상기 화학식 1에서 x 및 y는 각각 독립적으로 1 내지 500의 정수이고, n은 5 내지 15의 정수이다.In Formula 1, x and y are each independently an integer of 1 to 500, and n is an integer of 5 to 15.

상기 화학식 1은 폴리(에틸렌글리콜) 메틸에테르 메타크릴레이트와 설포베테인메타크릴레이트의 공중합체를 랜덤 공중합체에 해당한다.Formula 1 corresponds to a copolymer of poly(ethylene glycol) methyl ether methacrylate and sulfobetaine methacrylate as a random copolymer.

상기 이산화탄소 친화성 단량체는 폴리에틸렌글리콜메틸에테르메타크릴레이트(poly(ethylene glycol) methyl ether methacrylate)이고, 상기 양쪽성 이온 단량체는 설포베테인메타크릴레이트(sulfobetaine methacrylate)이며, 상기 이산화탄소 친화성 단량체 및 양쪽성 이온 단량체는 2 내지 5 : 1의 중량비로 중합될 수 있다. 상기 이산화탄소 친화성 단량체 및 양쪽성 이온 단량체는 2 내지 5 : 1의 중량비, 더욱 바람직하게는 2.5 내지 3.5 : 1의 중량비로 중합될 수 있다. 상기 2 내지 5 : 1의 중량비를 벗어나 양쪽성 이온 단량체가 적게 중합될 경우, 공중합체를 기체 분리막에 활용함에 있어서, 기계적 강도를 확보하기 어려울 수 있으며, 양쪽성 이온 단량체가 많이 중합될 경우, 양쪽성 이온 단량체 간의 응집이 발생하여 자유 부피를 증가시키며, 양쪽성 이온 단량체의 고유 성질인 깨지기 쉬운 성질을 가질 수 있기 때문에 바람직하지 못하다.The carbon dioxide affinity monomer is polyethylene glycol methyl ether methacrylate, the zwitterionic monomer is sulfobetaine methacrylate, the carbon dioxide affinity monomer and both The sex ionic monomer may be polymerized in a weight ratio of 2 to 5: 1. The carbon dioxide affinity monomer and the zwitterionic monomer may be polymerized in a weight ratio of 2 to 5: 1, more preferably 2.5 to 3.5: 1. When the zwitterionic monomer is polymerized less than the weight ratio of 2 to 5: 1, it may be difficult to secure mechanical strength when using the copolymer in a gas separation membrane, and when a large amount of zwitterionic monomer is polymerized, both Aggregation between sex ionic monomers occurs to increase the free volume, and it is not preferable because it can have a fragile property, which is an inherent property of zwitterionic monomers.

상기 이산화탄소 친화성 단량체는 폴리(에틸렌글리콜) 메틸에테르 메타크릴레이트, 에틸렌 옥사이드, 프로필렌 옥사이드 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이고, 상기 공중합체는 Fe3+ 이온을 추가적으로 포함할 수 있다. 공중합체 내에는 자유 부피(free volume)가 존재하는데, 상기 자유 부피는 비활성 기체의 투과도를 증가시켜 결과적으로 이산화탄소 선택도를 감소시키는 원인이 된다. 상기 Fe3+ 이온은 이산화탄소 친화성 단량체에 존재하는 에테르 작용기와 선택적으로 상호작용을 하기 때문에 효과적으로 상기 자유 부피를 막을 수 있다. 상기 Fe3+ 이온이 첨가됨에 따라 비활성 기체의 투과도는 급격하게 줄어들게 되며, 이산화탄소 용해도 및 선택도는 증가한다.The carbon dioxide affinity monomer is any one or a mixture of two or more selected from poly(ethylene glycol) methyl ether methacrylate, ethylene oxide, and propylene oxide, and the copolymer may additionally include Fe 3+ ions. A free volume exists in the copolymer, which increases the permeability of the inert gas and consequently decreases the carbon dioxide selectivity. Since the Fe 3+ ion selectively interacts with the ether functional group present in the carbon dioxide affinity monomer, the free volume can be effectively blocked. As the Fe 3+ ions are added, the permeability of the inert gas decreases rapidly, and the solubility and selectivity of carbon dioxide increase.

상기 Fe3+ 이온은 상기 공중합체 전체 중량 대비 0.5 내지 4 중량% 포함될 수 있다. 0.5 중량% 미만의 경우 자유 부피를 막아 이산화탄소 용해도와 선택도를 향상시키는 효과를 기대하기 어려우며, 4 중량%를 초과의 경우 상기 Fe3+ 이온 간의 응집이 발생하여 이산화탄소 투과도를 감소시키는 동시에 막의 기계적 성질을 악화시킨다. 상기 Fe3+ 이온은 더욱 바람직하게는 1.5 내지 3 중량% 포함될 수 있는데, 후술하는 실시예에서 확인할 수 있는 바와 같이, Fe3+ 이온이 1.5 내지 3 중량% 포함되는 범위에서 이산화탄소 선택도가 급격하게 상승하며, 기계적 강도가 더욱 향상되는 효과를 갖는다는 점에서 더욱 바람직하다.The Fe 3+ ion may be included in an amount of 0.5 to 4% by weight based on the total weight of the copolymer. In the case of less than 0.5% by weight, it is difficult to expect the effect of improving the carbon dioxide solubility and selectivity by blocking the free volume, and in the case of more than 4% by weight, aggregation between the Fe 3+ ions occurs to reduce the carbon dioxide permeability and the mechanical properties of the membrane. Worsens. The Fe 3+ ions may more preferably be included in 1.5 to 3% by weight, and as can be seen in the examples to be described later, carbon dioxide selectivity rapidly in the range containing 1.5 to 3% by weight of Fe 3+ ions. It is more preferable in that it increases and has an effect of further improving the mechanical strength.

상기 공중합체는 FT-IR 스펙트럼 상에서, 1089 내지 1109 cm-1에서 피크를 갖지 않으며, 1066 내지 1086 cm-1에서 피크를 가질 수 있다. 즉, 상기 공중합체에 Fe3+ 이온이 추가적으로 포함될 경우, 1089 내지 1109 cm-1에서 존재하던 피크는, 1066 내지 1086 cm-1 범위로 이동한다. FT-IR 스펙트럼에서 상기 1089 내지 1109 cm-1 범위에 존재하는 피크는 이산화탄소 친화성 단량체의 에테르 결합의 피크에 해당한다. 상술한 바와 같이, 상기 Fe3+ 이온이 에테르 결합과 선택적으로 상호작용함에 따라 에테르 결합의 결합 에너지를 약화시키기 때문에, 1089 내지 1109 cm-1에서 피크를 갖지 않게 되며, 피크는 1066 내지 1086 cm-1 범위로 이동한다. The copolymer does not have a peak at 1089 to 1109 cm -1 on the FT-IR spectrum, and may have a peak at 1066 to 1086 cm -1 . That is, when Fe 3+ ions are additionally included in the copolymer, the peak existing at 1089 to 1109 cm -1 moves to a range of 1066 to 1086 cm -1 . The peak present in the range of 1089 to 1109 cm -1 in the FT-IR spectrum corresponds to the peak of the ether bond of the carbon dioxide affinity monomer. As described above, since the Fe 3+ ion to weaken the binding energy of an ether bond as the ether bond and selectively interacting, and not having a peak at 1089 to 1109 cm -1, peaks 1066 to 1086 cm - Move to range 1 .

본 발명의 다른 측면은 상기 공중합체를 포함하는 기체 분리막을 제공한다. Another aspect of the present invention provides a gas separation membrane comprising the copolymer.

일 구현예에 따르면, 상기 공중합체는 하기 화학식 1로 표시되는 것이고, Fe3+ 이온을 추가적으로 포함하고, 상기 기체 분리막의 이산화탄소 단일 기체 투과도 값을 메탄 단일 기체 투과도 값으로 나눈 이상적인 이산화탄소 선택도(CO2/CH4)가 이산화탄소와 메탄을 1 : 1의 부피비로 혼합한 혼합 기체를 사용하여 측정한 혼합 기체 이산화탄소 선택도(CO2/CH4)에 비해 작을 수 있다.According to one embodiment, the copolymer is represented by the following formula (1), additionally contains Fe 3+ ions, and the ideal carbon dioxide selectivity (CO) obtained by dividing the carbon dioxide single gas permeability value of the gas separation membrane by the methane single gas permeability value (CO 2 /CH 4 ) may be smaller than the mixed gas carbon dioxide selectivity (CO 2 /CH 4 ) measured using a mixed gas obtained by mixing carbon dioxide and methane in a volume ratio of 1: 1.

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112019040842462-pat00004
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상기 화학식 1에서 x 및 y는 각각 독립적으로 1 내지 500의 정수이고, n은 5 내지 15의 정수이다.In Formula 1, x and y are each independently an integer of 1 to 500, and n is an integer of 5 to 15.

이산화탄소를 분리하는 기체 분리막의 성능을 평가할 수 있는 중요한 지표 중 하나로 기체 선택도가 있다. 기체 선택도는 이산화탄소 단일 기체 투과도 값을 비활성기체 단일 기체 투과도 값으로 나눈 값인 ‘이상적인 이산화탄소 선택도’와 혼합 기체에서 측정한 ‘혼합 기체 이산화탄소 선택도’로 구분된다. 일반적으로 ‘이상적인 이산화탄소 선택도’에 비해 ‘혼합 기체 이산화탄소 선택도’는 기체 분리막의 실제 기체 분리 공정의 활용에서 발휘되는 성능을 잘 반영하는 것으로 알려져 있다. ‘이상적인 이산화탄소 선택도’는 ‘혼합 기체 이산화탄소 선택도’에 비해 큰 값을 가진다. Gas selectivity is one of the important indicators for evaluating the performance of a gas separation membrane that separates carbon dioxide. The gas selectivity is divided into'ideal carbon dioxide selectivity', which is a value obtained by dividing the carbon dioxide single gas permeability value by the inert gas single gas permeability value, and the'mixed gas carbon dioxide selectivity' measured in the mixed gas. In general, the'mixed gas carbon dioxide selectivity' compared to the'ideal carbon dioxide selectivity' is known to reflect the performance exhibited in the actual gas separation process of a gas separation membrane. 'Ideal carbon dioxide selectivity' has a larger value than'mixed gas carbon dioxide selectivity'.

한편, 상기한 본 발명의 일 구현예에 따른 상기 화학식 1로 표시되고, Fe3+ 이온을 추가적으로 포함하는 공중합체를 포함하는 기체 분리막은 기체 분리막 분야의 일반적인 측정 방법에 따라, 이산화탄소 단일 기체 투과도 값을 메탄 단일 기체 투과도 값으로 나눈 값을 ‘이상적인 이산화탄소 선택도’라 정의하고, 이산화탄소와 메탄을 1 : 1의 부피비로 혼합한 혼합 기체를 사용하여 측정한 선택도를 ‘혼합 기체 이산화탄소 선택도’라 정의할 때, 혼합 기체 이산화탄소 선택도가 이상적인 이산화탄소 선택도에 비하여 큰 값을 가진다. On the other hand, the gas separation membrane represented by Chemical Formula 1 according to the embodiment of the present invention and including the copolymer additionally containing Fe 3+ ions is a carbon dioxide single gas permeability value according to a general measurement method in the gas separation membrane field. The value divided by the methane single gas permeability value is defined as'ideal carbon dioxide selectivity', and the selectivity measured using a mixed gas in which carbon dioxide and methane are mixed in a volume ratio of 1: 1 is called'mixed gas carbon dioxide selectivity'. When defined, the mixed gas carbon dioxide selectivity has a larger value than the ideal carbon dioxide selectivity.

즉, 일반적인 기체 분리막에서 ‘이상적인 이산화탄소 선택도’가 ‘혼합 기체 이산화탄소 선택도’에 비해 큰 값을 갖는 성질과는 정반대의 성질을 지닌다. 이러한 경우는 지금까지 보고된 바가 없는데, 이를 통해 상기한 본 발명의 일 구현예에 따른 기체 분리막은 실제 이산화탄소 분리 공정에서 더욱 우수한 성능을 발휘할 수 있음을 의미한다.That is, in a general gas separation membrane, the'ideal carbon dioxide selectivity' has a property opposite to that of having a larger value than the'mixed gas carbon dioxide selectivity'. This case has not been reported so far, and this means that the gas separation membrane according to the embodiment of the present invention can exhibit more excellent performance in the actual carbon dioxide separation process.

본 발명의 또 다른 측면은 상기 기체 분리막이 다공성 지지체 상에 형성되는 복합막을 제공한다. 상기 다공성 지지체는 다공성 구조의 폴리설폰, 폴리 아닐린, 폴리 비닐리덴 플루오라이드 등이 있을 수 있다. Another aspect of the present invention provides a composite membrane in which the gas separation membrane is formed on a porous support. The porous support may be polysulfone having a porous structure, polyaniline, polyvinylidene fluoride, or the like.

본 발명의 또 다른 측면은 이산화탄소 친화성 단량체 및 양쪽성 이온 단량체를 개시제의 존재 하에 중합하는 단계; 및 Fe3+ 이온을 포함하는 첨가제를 투입하는 단계;를 포함하는 공중합체의 제조방법을 제공한다. 상기 공중합체의 제조방법은 이산화탄소 친화성 단량체만을 중합할 경우 발생하는 부족한 기계적 강도의 문제를 양쪽성 이온 단량체와의 공중합체를 제조하여 해결할 수 있다. 개시제의 존재 하에 자유 라디칼 중합을 통해 진행되기 때문에 제조 공정이 매우 간단하며, 스케일업(scale-up)이 가능하다는 장점을 가진다. Another aspect of the present invention is a step of polymerizing a carbon dioxide affinity monomer and a zwitterionic monomer in the presence of an initiator; And it provides a method for producing a copolymer comprising; and adding an additive containing Fe 3+ ions. The manufacturing method of the copolymer can solve the problem of insufficient mechanical strength that occurs when only the carbon dioxide affinity monomer is polymerized by preparing a copolymer with a zwitterionic monomer. Since it proceeds through free radical polymerization in the presence of an initiator, the manufacturing process is very simple and has the advantage that scale-up is possible.

상기 양쪽성 이온 단량체를 포함하는 공중합체는 양쪽성 이온 간의 응집이 일어날 수 있다. 응집이 일어날 경우 양쪽성 이온 단량체에 의해 기계적 강도 향상 효과를 기대하기 어려울 수 있다는 문제가 존재한다. 상기 Fe3+ 이온을 포함하는 첨가제는 공중합체에 첨가되어 양쪽성 이온 단량체의 응집을 방지하고 이산화탄소 친화성 단량체의 에테르 작용기와 상호작용을 통해 자유 부피를 효과적으로 막을 수 있다.In the copolymer containing the zwitterionic monomer, aggregation between zwitterions may occur. When aggregation occurs, there is a problem that it may be difficult to expect an effect of improving mechanical strength by the zwitterionic monomer. The additive containing Fe 3+ ions may be added to the copolymer to prevent aggregation of the zwitterionic monomer and effectively block the free volume through interaction with the ether functional group of the carbon dioxide affinity monomer.

또한, 본 발명의 공중합체 제조방법은 별도의 침전이나 정제 과정 없이 제조한 용액을 곧바로 다공성 지지체의 표면에 코팅하여 경제적인 기체 분리막을 제조할 수 있다는 장점이 있다.In addition, the method for preparing the copolymer of the present invention has the advantage that an economical gas separation membrane can be manufactured by directly coating the prepared solution on the surface of the porous support without a separate precipitation or purification process.

상기 이산화탄소 친화성 단량체는 폴리(에틸렌글리콜) 메틸에테르 메타크릴레이트(poly(ethylene glycol) methyl ether methacrylate), 4-비닐피리딘(4-vinylpyridine), 에틸렌 옥사이드(ethylene oxide), 프로필렌 옥사이드(propylene oxide), 비닐 알코올(vinyl alcohol), 비닐이미다졸(vinyl imidazole), 비닐피롤리돈(vinyl pyrrolidone) 및 아크릴로니트릴(acrylonitrile) 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있다.The carbon dioxide affinity monomer is poly (ethylene glycol) methyl ether methacrylate (poly (ethylene glycol) methyl ether methacrylate), 4-vinylpyridine (4-vinylpyridine), ethylene oxide (ethylene oxide), propylene oxide (propylene oxide) , Vinyl alcohol (vinyl alcohol), vinyl imidazole (vinyl imidazole), vinyl pyrrolidone (vinyl pyrrolidone) and any one selected from acrylonitrile (acrylonitrile) Or it may be a mixture of two or more.

상기 이산화탄소 친화성 단량체는 하기 화학식 2로 표시되는 것일 수 있다.The carbon dioxide affinity monomer may be represented by the following formula (2).

[화학식 2][Formula 2]

Figure 112019040842462-pat00005
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상기 화학식 2에서 R1 및 R2는 서로 같거나 상이하며 각각 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬기이고, n은 1 내지 20의 정수이다.In Formula 2, R 1 and R 2 are the same as or different from each other, and each independently hydrogen or an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, and n is an integer of 1 to 20.

상기 양쪽성 이온 단량체는 하기 화학식 3로 표시되는 것일 수 있다.The zwitterionic monomer may be represented by the following formula (3).

[화학식 3][Formula 3]

Figure 112019040842462-pat00006
Figure 112019040842462-pat00006

상기 화학식 3에서 R1 수소 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬기이고, R2 및 R3은 서로 같거나 상이하며 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 6의 알킬기이고, 상기 X는 SO3 -, COO- 중에서 선택되고, n은 0 내지 4의 정수이고, m은 0 내지 4의 정수이다.In Formula 3, R 1 is Is hydrogen or alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, R 2 and R 3 is the same as or different from each other and the alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, each independently, wherein X is SO 3 -, COO - is selected from, n is 0 to 4; And m is an integer of 0 to 4.

상기 양쪽성 이온 단량체는 설포베테인메타크릴레이트(sulfobetaine methacrylate), 카복시베테인 메타크릴레이트(carboxynetaine methacrylate) 및 2-메타크릴로일록시에틸 포스포릴콜린(2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine) 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있다.The zwitterionic monomer is any one selected from sulfobetaine methacrylate, carboxynetaine methacrylate, and 2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine. Or it may be a mixture of two or more.

상기 이산화탄소 친화성 단량체 및 양쪽성 이온 단량체는 2 내지 5 : 1의 중량비로 포함될 수 있다.The carbon dioxide affinity monomer and the zwitterionic monomer may be included in a weight ratio of 2 to 5: 1.

상기 공중합체는 하기 화학식 1로 표시되는 것일 수 있다.The copolymer may be represented by the following formula (1).

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112019040842462-pat00007
Figure 112019040842462-pat00007

상기 화학식 1에서 상기 화학식 1에서 x 및 y는 각각 독립적으로 1 내지 500의 정수이고, n은 5 내지 15의 정수이다.In Formula 1, in Formula 1, x and y are each independently an integer of 1 to 500, and n is an integer of 5 to 15.

상기 개시제는 다이큐밀 퍼옥사이드(Dicumyl peroxide), 아조비스이소부티로니트릴(Azobisisobutyronitrile) 및 벤조일 퍼옥사이드(Benzoyl peroxide) 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있다.The initiator may be any one or a mixture of two or more selected from dicumyl peroxide, azobisisobutyronitrile, and benzoyl peroxide.

상기 Fe3+ 이온을 포함하는 첨가제는 FeCl3 및 FeF3 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있다. 상기 Fe3+ 이온을 포함하는 첨가제는 Fe3+ 이온을 포함하는 화합물이라면 제한 없이 적용되어 양쪽성 이온 단량체의 응집을 방지하고 자유 부피를 막아 이산화탄소 선택도를 높이는 역할을 할 수 있으나, 음이온의 크기가 지나치게 클 경우 공중합체 사슬 내에서 기체 선택도를 감소시킬 수 있기 때문에, 음이온의 크기가 작은 FeCl3 및 FeF3 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 것이 바람직하다.The additive containing Fe 3+ ions may be any one or a mixture of two or more selected from FeCl 3 and FeF 3 . Additives, including the Fe 3+ ions Fe 3+ is a compound containing ions is applied, without limitation, anti-aggregation of the zwitterion monomer, but may serve to increase the selectivity of carbon dioxide prevents the free volume, the size of the anion When is too large, it is possible to reduce the gas selectivity in the copolymer chain, and thus, it is preferable that the anion is selected from FeCl 3 and FeF 3 having a small size or a mixture of two or more.

상기 Fe3+ 이온을 포함하는 첨가제를 투입하는 단계는 상기 Fe3+ 이온이 상기 공중합체 전체 중량 대비 0.5 내지 4 중량% 포함되도록 투입할 수 있다. 상기 Fe3+ 이온이 상기 공중합체 전체 중량 대비 0.5 중량% 미만이 포함되도록 투입되는 제조되는 공중합체에서 양쪽성 이온 단량체의 응집을 방지하고 자유 부피를 막아 이산화탄소 선택도를 높이는 역할을 충분히 수행하지 못할 수 있으며, 4 중량%를 초과하도록 투입되는 경우 Fe3+ 이온을 포함하는 첨가제간의 응집이 일어날 수 있어 막의 기계적 강도를 약화시킬 수 있기 때문에 바람직하지 못하다.In the step of adding the additive containing Fe 3+ ions, the Fe 3+ ions may be added so that 0.5 to 4% by weight of the total weight of the copolymer is included. In a copolymer prepared so that the Fe 3+ ions are added to contain less than 0.5% by weight of the total weight of the copolymer, it cannot sufficiently play a role of increasing carbon dioxide selectivity by preventing aggregation of zwitterionic monomers and blocking free volume. In addition, if it is added in an amount exceeding 4% by weight, aggregation between additives containing Fe 3+ ions may occur, which may weaken the mechanical strength of the membrane, which is not preferable.

더욱 바람직하게는 상기 Fe3+ 이온을 포함하는 첨가제를 투입하는 단계는 상기 Fe3+ 이온이 상기 공중합체 전체 중량 대비 1.5 내지 3 중량% 포함되도록 투입할 수 있다. 상술한 바와 같이, 상기 Fe3+ 이온을 포함하는 첨가제는 기체 투과도 및 선택도에도 큰 영향을 미칠 수 있는데, 상기 Fe3+ 이온이 상기 공중합체 전체 중량 대비 1.5 내지 3 중량% 범위로 포함될 경우 이산화탄소 선택도가 급격하게 상승한다는 점에서 더욱 바람직할 수 있다. 또한, 후술하는 실시예에서 확인할 수 있는 바와 같이, 상기 농도 범위에서 제조한 공중합체를 이용하여 제조한 기체 분리막은 기계적 강도가 더욱 향상되는 효과를 기대할 수 있다.More preferably, the step of put the additive containing the Fe 3+ ions may be added so that the Fe 3+ ions contained 1.5 to 3% by weight total, based on the weight of the copolymer. As described above, the additive containing Fe 3+ ions may have a great influence on gas permeability and selectivity. When the Fe 3+ ions are included in the range of 1.5 to 3% by weight of the total weight of the copolymer, carbon dioxide It may be more preferable in that the selectivity rises rapidly. In addition, as can be seen in the examples to be described later, the gas separation membrane manufactured using the copolymer prepared in the above concentration range can be expected to have an effect of further improving mechanical strength.

상기 이산화탄소 친화성 단량체 및 양쪽성 이온 단량체를 개시제의 존재 하에 중합하는 단계에서 용매는 물, 디메틸설폭사이드(Dimethyl sulfoxide) 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있다. In the step of polymerizing the carbon dioxide affinity monomer and the zwitterionic monomer in the presence of an initiator, the solvent may be any one or a mixture of two or more selected from water and dimethyl sulfoxide.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않고, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.Hereinafter, a preferred embodiment is presented to aid the understanding of the present invention. However, these examples are for describing the present invention in more detail, and the scope of the present invention is not limited thereto, and various changes and modifications are possible within the scope and spirit of the present invention. It will be self-evident to those who have knowledge.

실시예. 기체 분리막의 제조Example. Preparation of gas separation membrane

사용 재료Materials used

폴리옥시에틸렌메타크릴레이트(poly(oxyethylene methacrylate), POEM, poly(ethylene glycol) ether methacrylate, Mn = 500 g mol-1) 단량체와 설포베테인메타크릴레이트(sulfobetaine methacrylate, SBMA, [2-(Methacryloyloxy)ethyl]dimethyl-(3-sulfopropyl)ammonium hydroxide, 95%)의 단량체, 염화철(Iron(Ⅲ) Chloride, FeCl3, reagent grade 97%), 다이큐밀 페록사이드(Dicumyl peroxide, DCP, 98%) 고분자 합성 개시제는 Sigma-Aldrich에서 구매하였다. 다공성 폴리설폰 지지체는 LG화학에서 구매하였다.Poly(oxyethylene methacrylate), POEM, poly(ethylene glycol) ether methacrylate, Mn = 500 g mol -1 ) Monomer and sulfobetaine methacrylate (sulfobetaine methacrylate, SBMA, [2-(Methacryloyloxy ) Monomer of ethyl]dimethyl-(3-sulfopropyl)ammonium hydroxide, 95%), iron chloride (Iron(III) Chloride, FeCl 3 , reagent grade 97%), dicumyl peroxide (DCP, 98%) polymer The synthesis initiator was purchased from Sigma-Aldrich. The porous polysulfone support was purchased from LG Chem.

POEM-co-SBMA 공중합체의 제조Preparation of POEM-co-SBMA copolymer

자유 라디칼 중합을 사용하여 고분자 공중합체를 제조하였다. 도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 공중합체 제조방법의 개략도이다. 먼저 SBMA를 물 100 mL에 녹인 후, 액체상의 POEM과 혼합하였다. DCP 0.02 g을 투입하고, 질소로 30 분 동안 퍼징하였다. 이 후 70 ℃에서 24 시간 동안 중합시켜 POEM-co-SBMA 고분자 용액을 완성하였다.Polymer copolymers were prepared using free radical polymerization. 2A is a schematic diagram of a method for preparing a copolymer according to an embodiment of the present invention. First, SBMA was dissolved in 100 mL of water, and then mixed with liquid POEM. Into the DCP 0.02 g, and purged with nitrogen for 30 minutes. Thereafter, polymerization was performed at 70° C. for 24 hours to complete a POEM-co-SBMA polymer solution.

POEM-co-SBMA/FeClPOEM-co-SBMA/FeCl 33 /폴리설폰 복합막 제조/Polysulfone composite membrane manufacturing

상기 POEM-co-SBMA 고분자 용액에 첨가제로 FeCl3 수용액을 첨가하고 균일하게 혼합하였다. 상기 FeCl3은 합성되는 공중합체 전체 중량 대비 각각 2.5 wt%, 5.0 wt%, 7.5 wt%, 10 wt%, 12.5 wt% 포함(합성되는 공중합체 전체 중량 대비 포함되는 Fe3+ 이온은 각각 0.86 wt%, 1.72 wt%, 2.58 wt%, 3.44 wt%, 4.30 wt% 포함됨)되도록 첨가하였다. 혼합된 용액을 다공성 폴리설폰(polysulfone) 지지체 상에 2 번 코팅하였으며, 코팅은 용액의 두께가 24 ㎛가 되도록 코팅하였다. 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합막의 제조방법을 나타낸 모식도이다. 코팅이 완료된 폴리설폰 지지체를 상온에서 24 시간 동안 건조하였다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합막의 개념도이다.FeCl 3 aqueous solution was added as an additive to the POEM-co-SBMA polymer solution, and the mixture was uniformly mixed. The FeCl 3 contains 2.5 wt%, 5.0 wt%, 7.5 wt%, 10 wt%, and 12.5 wt%, respectively, based on the total weight of the synthesized copolymer (Fe 3+ ions included in the total weight of the synthesized copolymer are 0.86 wt. %, 1.72 wt%, 2.58 wt%, 3.44 wt%, 4.30 wt% included). The mixed solution was coated twice on a porous polysulfone support, and the coating was coated so that the thickness of the solution was 24 μm. 2B is a schematic diagram showing a method of manufacturing a composite membrane according to an embodiment of the present invention. The coated polysulfone support was dried at room temperature for 24 hours. 1 is a conceptual diagram of a composite film according to an embodiment of the present invention.

공중합체 및 복합막의 명명Naming of copolymer and composite membrane

상기 제조된 공중합체는 사용된 POEM 단량체 및 SBMA 단량체의 사용량에 따라 명명하였으며, POEM 단량체가 4 g, SBMA 단량체가 4 g(중량비 1 : 1) 사용된 경우 PS11, POEM 단량체가 6 g, SBMA 단량체가 2 g(중량비 3 : 1) 사용된 경우 PS31, POEM 단량체가 4.8 g, SBMA 단량체가 3.2 g(중량비 3 : 2) 사용된 경우 PS32, POEM 단량체가 6.4 g, SBMA 단량체가 1.6 g(중량비 4 : 1) 사용된 경우, PS41이라 명명하였다.The prepared copolymer was named according to the amount of POEM monomer and SBMA monomer used, and when 4 g of POEM monomer and 4 g of SBMA monomer (weight ratio 1: 1) were used, PS11, POEM monomer 6 g, SBMA monomer 2 g (weight ratio 3: 1) PS31, POEM monomer 4.8 g, SBMA monomer 3.2 g (weight ratio 3: 2) PS32, POEM monomer 6.4 g, SBMA monomer 1.6 g (weight ratio 4) : 1) When used, it was named PS41.

상기 PS31 공중합체를 이용하여 제조된 복합막은 공중합체에 첨가제로 포함된 FeCl3의 wt%에 따라 구분하여 명명하였으며, 2.5 wt% FeCl3이 포함된 경우 PS31_2.5, 5.0 wt% FeCl3이 포함된 경우 PS31_5.0, 7.5 wt% FeCl3이 포함된 경우 PS31_7.5, 10 wt% FeCl3이 포함된 경우 PS31_10, 12.5 wt% FeCl3이 포함된 경우 PS31_12.5라 명명하였다. 또한, FeCl3이 포함되지 않은 경우 PS31_0.0이라 명명하였다.The composite membrane prepared using the PS31 copolymer was classified according to the wt% of FeCl 3 included as an additive in the copolymer, and when 2.5 wt% FeCl 3 was included, PS31_2.5 and 5.0 wt% FeCl 3 were included. It was named PS31_5.0 when it was used, PS31_7.5 when 7.5 wt% FeCl 3 was included, PS31_10 when 10 wt% FeCl 3 was included, and PS31_12.5 when 12.5 wt% FeCl 3 was included. In addition, when FeCl 3 was not included, it was named PS31_0.0.

비교예 1. P(POEM)Comparative Example 1. P (POEM)

수평균 분자량(Mn)이 500 g mol-1인 폴리(옥시에틸렌 메타크릴레이트)(poly(oxyethylene methacrylate), POEM)을 사용하였다.Poly(oxyethylene methacrylate) (POEM) having a number average molecular weight (M n ) of 500 g mol -1 was used.

실험예 1. 양성자 핵자기 공명(Proton nuclear magnetic resonance, Experimental Example 1. Proton nuclear magnetic resonance (Proton nuclear magnetic resonance, 1One H-NMR) 분석H-NMR) analysis

상기 합성된 공중합체 PS31 및 PS41 공중합체를 1H-NMR 분광법을 통해 분석하였다. 도 3a은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 공중합체 PS31의 1H-NMR 분석 결과이고, 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 공중합체 PS41의 1H-NMR 분석 결과이다. POEM 사슬의 경우 에틸렌 옥사이드 작용기를, SBMA의 경우 3차 아민 및 술폰 작용기를 통해 분석을 진행하였다. 상기 도 3a 및 3b에서 확인할 수 있는 바와 같이, PS31의 경우 25.2%, PS41의 경우 18.9%의 SBMA가 공중합체에 함유되어 있음을 확인할 수 있었다. 상기 결과를 통해 대부분의 단량체가 공중합체로 잘 합성되었음을 확인할 수 있었다.The synthesized copolymers PS31 and PS41 copolymer were analyzed through 1 H-NMR spectroscopy. 3A is a 1 H-NMR analysis result of a copolymer PS31 prepared according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3B is a 1 H-NMR analysis result of a copolymer PS41 prepared according to an embodiment of the present invention. The analysis was performed through ethylene oxide functional groups in the case of the POEM chain and tertiary amine and sulfone functional groups in the case of SBMA. As can be seen in FIGS. 3A and 3B, it was confirmed that SBMA of 25.2% for PS31 and 18.9% for PS41 was contained in the copolymer. Through the above results, it was confirmed that most of the monomers were well synthesized as a copolymer.

실험예 2. 푸리에 변환 적외선 분광(Fourier-transform infrared spectroscopy, FT-IR) 분석Experimental Example 2. Fourier-transform infrared spectroscopy (FT-IR) analysis

FT-IR 스펙트럼으로 추가적인 공중합체 합성 분석을 진행하였다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 공중합체의 FT-IR 스펙트럼이다. 상기 도 4에서 확인할 수 있는 바와 같이, 탄소 이중 결합 밴드(1620 cm-1)가 관찰되지 않았으며, 동시에 POEM에 포함되어 있는 에틸렌 옥사이드 작용기(1035 cm-1)와 SBMA에 포함되어 있는 술폰(523, 601 cm-1) 및 C-N 결합(1035 cm-1)이 동시에 관찰되었다. 또한 에스테르 작용기에 있는 C=O 이중결합 에너지가 합성 후 더욱 강하게 나타난 것으로 보아 공중합체 합성을 통해 구조적 방해 효과를 확인할 수 있었다. 상기 결과를 종합할 때, POEM-co-SBMA 공중합체 합성이 성공적으로 진행되었음을 확인할 수 있었다.Further analysis of the copolymer synthesis was performed using the FT-IR spectrum. 4 is an FT-IR spectrum of a copolymer prepared according to an embodiment of the present invention. As can be seen in FIG. 4, a carbon double bond band (1620 cm -1 ) was not observed, and at the same time, an ethylene oxide functional group (1035 cm -1 ) contained in POEM and a sulfone contained in SBMA (523 , 601 cm -1 ) and CN binding (1035 cm -1 ) were observed simultaneously. In addition, as the C=O double bond energy in the ester functional group appeared more strongly after synthesis, it was possible to confirm the structural interference effect through the synthesis of the copolymer. When synthesizing the above results, it was confirmed that the synthesis of the POEM-co-SBMA copolymer was successfully performed.

또한, FeCl3 첨가제를 포함한 공중합체의 FT-IR 분석을 진행하였다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 첨가제를 포함하는 공중합체의 FT-IR 스펙트럼이다. FeCl3 첨가제를 포함하였을 때, 다른 밴드의 변화는 없었으나 에틸렌 옥사이드 작용기에 있는 에테르 결합이 1099에서 1076 cm-1로 이동하였으며, 결합 에너지가 약해졌음을 확인하였다. 이를 통해 Fe3+ 이온이 에테르 결합의 산소와 선택적 상호작용을 통해 결합 에너지를 약화시킨 것을 확인할 수 있었다. In addition, FT-IR analysis of the copolymer containing the FeCl 3 additive was performed. 5 is an FT-IR spectrum of a copolymer including an additive according to an embodiment of the present invention. When the FeCl 3 additive was included, there was no change in other bands, but it was confirmed that the ether bond in the ethylene oxide functional group moved from 1099 to 1076 cm -1 , and the binding energy was weakened. Through this, it was confirmed that the Fe 3+ ion weakened the binding energy through the selective interaction with the oxygen of the ether bond.

실험예 3. 시차주사열계량법(Differential Scanning Calorimetry, DSC) 분석Experimental Example 3. Differential Scanning Calorimetry (DSC) analysis

SBMA 합성 비율 및 첨가제의 양에 따라 제조된 복합막의 DSC 분석을 실시하였다. 도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따라 단량체의 비율을 달리하여 제조한 복합막의 DSC 분석 결과이며, 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따라 첨가제의 비율을 달리하여 제조한 복합막의 DSC 분석 결과이다.DSC analysis of the composite membrane prepared according to the SBMA synthesis ratio and the amount of additives was performed. FIG. 6A is a DSC analysis result of a composite film prepared by varying the ratio of monomers according to an embodiment of the present invention, and FIG. 6B is a DSC analysis result of a composite film prepared by varying the ratio of additives according to an embodiment of the present invention. to be.

상기 도 6a에서 확인할 수 있는 바와 같이, POEM 단량체만으로 합성한 P(POEM)의 경우 POEM의 구조를 확인할 수 있으며, SBMA의 사용 비율이 증가할수록 이 구조는 점점 약해짐을 확인할 수 있었다.As can be seen in FIG. 6A, in the case of P (POEM) synthesized with only POEM monomers, the structure of the POEM can be confirmed, and it can be seen that the structure gradually weakens as the use ratio of SBMA increases.

또한 상기 도 6b에서 확인할 수 있는 바와 같이, FeCl3 첨가제의 양이 늘어날수록 DSC 곡선에서 관찰되지 않을 정도로 POEM 구조가 없어지는 것을 확인하였다. 이는 이산화탄소와 상호작용을 할 수 있는 에테르 작용기가 더욱 늘어났음을 의미하고, 이산화탄소의 용해도가 증가할 것으로 예측할 수 있었다.In addition, as can be seen in Fig. 6b, it was confirmed that the POEM structure disappeared so as not to be observed in the DSC curve as the amount of the FeCl 3 additive increased. This means that the ether functional groups capable of interacting with carbon dioxide further increased, and the solubility of carbon dioxide could be predicted to increase.

실험예 4. 열중량분석(Thermogravimetric Analysis, TGA)Experimental Example 4. Thermogravimetric Analysis (TGA)

SBMA 합성 비율 및 첨가물의 양에 따른 TGA 분석을 실시하였으며, 그 결과를 도 7에 나타내었다. 도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따라 단량체의 비율을 달리하여 제조한 복합막의 TGA 분석 결과이며, 도 7b는 상기 도 7a의 변화량을 의미한다. 또한 도 7c는 본 발명의 일 실시예에 따라 첨가물의 양을 달리하여 제조한 복합막의 TGA 분석 결과이며, 도 7d는 상기 도 7c의 변화량을 의미한다.TGA analysis was performed according to the SBMA synthesis ratio and the amount of additives, and the results are shown in FIG. 7. 7A is a TGA analysis result of a composite film prepared by varying the ratio of monomers according to an embodiment of the present invention, and FIG. 7B indicates the amount of change in FIG. 7A. In addition, FIG. 7C is a TGA analysis result of a composite film prepared by varying the amount of additives according to an embodiment of the present invention, and FIG. 7D indicates the amount of change in FIG. 7C.

상기 도 7에서 확인할 수 있는 바와 같이, P(POEM)의 경우 한 개의 특징적인 변곡점이 관찰되고, P(SBMA)의 경우, 고분자 내에 함유된 수분을 제외하고 두 개의 특징적인 변곡점이 관찰되었다. 이 두 단량체가 함께 중합된 PS31의 경우 P(POEM)과 P(SBMA)에서 나타난 변곡점이 합쳐진 개형을 보였으며, 이는 공중합체가 랜덤 공중합체의 성질을 보임을 확인할 수 있었다. 또한 첨가제가 첨가된 경우 한 가지의 뚜렷한 변곡점이 돋보이게 되었으며, 이를 통해 POEM과 FeCl3의 선택적 상호작용으로 나타난 하나의 상이 변곡점으로 표현되었음을 확인할 수 있었다.As can be seen in FIG. 7, in the case of P(POEM), one characteristic inflection point was observed, and in the case of P(SBMA), two characteristic inflection points were observed excluding moisture contained in the polymer. In the case of PS31 in which these two monomers were polymerized together, the inflection points shown in P(POEM) and P(SBMA) were combined to show a remodeling, which confirmed that the copolymer showed the properties of a random copolymer. In addition, when the additive was added, one distinct inflection point stood out, and through this, it was confirmed that one phase exhibited by the selective interaction of POEM and FeCl 3 was expressed as the inflection point.

실험예 5. 투과전자현미경(Transmission Electron Microscopy, TEM) 분석Experimental Example 5. Transmission Electron Microscopy (TEM) Analysis

상기 실시예에 따라 제조된 복합막의 TEM 분석을 실시하였으며, 그 결과를 도 8에 나타내었다. 도 8a는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 PS31_0.0, 도 8b는 PS31_2.5, 도 8c는 PS31_5.0, 도 8d는 PS31_10의 TEM 분석 결과이다.The TEM analysis of the composite film prepared according to the above example was performed, and the results are shown in FIG. 8. FIG. 8A is a TEM analysis result of PS31_0.0 manufactured according to an embodiment of the present invention, FIG. 8B is PS31_2.5, FIG. 8C is PS31_5.0, and FIG. 8D is PS31_10.

상기 도 8에서 확인할 수 있는 바와 같이, 검은색 나노 영역(응집된 SBMA 영역)을 관찰할 수 있었다. 도 8a의 순수 고분자의 경우 응집된 SBMA 영역이 가장 크게 관찰되었다. 그러나 도 8b 및 8c의 결과를 통해 FeCl3가 첨가량이 증가할수록 첨가물이 POEM 사슬과 선택적 상호작용을 함에 따라 응집된 SBMA 영역이 점점 감소함을 확인하였다. 상기 결과를 통해 POEM 구조가 붕괴됨과 동시에 이산화탄소와 상호작용할 수 있는 영역이 늘어남을 확인할 수 있었다. 다만, 도 8d를 통해 확인할 수 있는 바와 같이, FeCl3가 10 wt% 이상 포함될 경우, FeCl3의 응집이 발생하여 진한 검은색으로 뭉침 현상이 일어남을 확인할 수 있었다.As can be seen in FIG. 8, a black nano area (agglomerated SBMA area) could be observed. In the case of the pure polymer of FIG. 8A, the aggregated SBMA region was observed the largest. However, it was confirmed through the results of FIGS. 8b and 8c that as the addition amount of FeCl 3 increased, the aggregated SBMA region gradually decreased as the additive selectively interacted with the POEM chain. Through the above results, it was confirmed that the POEM structure collapsed and the region capable of interacting with carbon dioxide increased. However, as can be seen through FIG. 8D, when FeCl 3 was contained in an amount of 10 wt% or more, it was confirmed that aggregation of FeCl 3 occurred and the aggregation phenomenon occurred in dark black.

실험예 6. 소각 X선 회절 곡선(Small Angle X-ray Spectroscopy, SAXS)Experimental Example 6. Small Angle X-ray Spectroscopy (SAXS)

소각 X선 회절 곡선 분석을 통해 고분자 사슬 간의 거리를 확인할 수 있었다. 이 간격을 d-spacing이라 부르며 2π에 q의 극대값(peak)을 나눈 값으로 계산할 수 있다. 도 9a는 본 발명의 일 실시예에 따라 단량체의 비율을 달리하여 제조한 복합막의 SAXS 분석 결과이고, 도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따라 첨가물의 양을 달리하여 제조한 복합막의 SAXS 분석 결과이다.Small-angle X-ray diffraction curve analysis confirmed the distance between polymer chains. This interval is called d-spacing and can be calculated by dividing 2π by the peak of q. 9A is a SAXS analysis result of a composite membrane prepared by varying the ratio of monomers according to an embodiment of the present invention, and FIG. 9B is a SAXS analysis result of a composite membrane prepared by varying the amount of additives according to an embodiment of the present invention. to be.

상기 도 9a에서 확인할 수 있는 바와 같이, SBMA를 단량체로 사용한 경우, 5.5 - 5.7 nm의 d-spacing 값을 가졌다. 이는 SBMA 이온 결합으로 인해 발생하는 사슬 간격을 의미한다. As can be seen in FIG. 9A, when SBMA was used as a monomer, d-spacing values of 5.5-5.7 nm were obtained. This refers to the chain spacing caused by SBMA ionic bonding.

또한 상기 도 9b에서 확인할 수 있는 바와 같이, 첨가물을 2.5 wt% 첨가한 경우, POEM과의 선택적 상호작용으로 구조적 붕괴가 일어나 일시적으로 증가한 6.2 nm의 d-spacing 값이 관찰되었으며, 첨가량이 증가할수록(5.0, 7.5 wt%) 5.7, 5.5 nm로 감소하였으며, 이는 구조적 붕괴로 발생한 공간을 첨가제가 채우는 것을 의미한다.In addition, as can be seen in FIG. 9B, when 2.5 wt% of an additive was added, structural collapse occurred due to selective interaction with POEM, and a temporarily increased d-spacing value of 6.2 nm was observed, and as the amount of addition increased ( 5.0, 7.5 wt%) decreased to 5.7 and 5.5 nm, which means that the space caused by structural collapse is filled with additives.

실험예 7. 복합막의 단면 주사전자현미경(Scanning Electron Microscopy, SEM) 분석Experimental Example 7. Cross-sectional Scanning Electron Microscopy (SEM) Analysis of Composite Membrane

복합막의 단면을 SEM 분석을 통해 관찰하였다. 도 10a는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조한 PS31_5.0 막이 액체 질소에 의해 수축된 경계면을 나타내며, 도 10b는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조한 PS31_0.0, 도 10c는 PS31_2.5, 도 10d는 PS31_5.0, 도 10e는 PS31_7.5, 도 10f는 PS31_10의 단면의 SEM 분석 결과이다.The cross section of the composite membrane was observed through SEM analysis. FIG. 10A shows an interface surface of a PS31_5.0 film manufactured according to an embodiment of the present invention contracted by liquid nitrogen, and FIG. 10B is a PS31_0.0 manufactured according to an embodiment of the present invention, and FIG. 10C is a PS31_2.5. , FIG. 10D is a result of SEM analysis of a cross section of PS31_5.0, FIG. 10E is PS31_7.5, and FIG. 10F is PS31_10.

복합막의 단면을 관찰할 때, 액체 질소를 사용하였는데, 이 때 사용된 액체 질소에 의해 복합막의 경계면이 수축하게 되며, 그 결과를 상기 도 10a에 나타내었다. 상기 도 10b 내지 10f는 제조된 복합막의 단면을 나타내며 제조된 막의 두께는 0.7 - 1 ㎛임을 확인할 수 있었다.When observing the cross section of the composite film, liquid nitrogen was used, and the interface of the composite film was contracted by the liquid nitrogen used at this time, and the result is shown in FIG. 10A. 10B to 10F show cross-sections of the prepared composite film, and it was confirmed that the prepared film had a thickness of 0.7-1 µm.

실험예 8. 시간에 따른 이산화탄소 용해도 및 투과도 측정Experimental Example 8. Measurement of carbon dioxide solubility and permeability over time

상기 실시예에 따라 제조된 복합막의 이산화탄소 용해도 및 투과도를 측정하였다. 도 11a는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 복합막의 시간에 따른 이산화탄소 흡착 곡선을 나타낸 결과이고, 도 11b는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 복합막의 시간에 따른 이산화탄소 투과도를 측정한 결과이다.Carbon dioxide solubility and transmittance of the composite membrane prepared according to the above example were measured. 11A is a result of a carbon dioxide adsorption curve over time of a composite membrane manufactured according to an embodiment of the present invention, and FIG. 11B is a result of measuring carbon dioxide permeability over time of a composite membrane manufactured according to an embodiment of the present invention. to be.

SBMA 단량체가 사용된 경우, 이산화탄소 친화성을 갖는 POEM 사슬을 대체하게 되며, SBMA는 이온 결합을 형성하게 된다. 상기 이온 결합은 결국 이산화탄소가 상호작용할 자리를 감소시키며, P(POEM)에 비해 낮은 용해도를 보이게 한다. 반면, 첨가제가 사용된 경우 상기 이온 결합이 대체한 부분보다 P(POEM)의 결정상을 무너뜨려 이산화탄소와 유리하게 상호작용하는 자리가 확보되는 효과가 월등하게 크므로, 가장 높은 용해도를 나타냄을 상기 도 11a로부터 확인할 수 있었다. When SBMA monomer is used, it replaces the POEM chain with carbon dioxide affinity, and SBMA forms ionic bonds. The ionic bonding eventually reduces the site where carbon dioxide interacts, and exhibits a lower solubility than P (POEM). On the other hand, when additives are used, the effect of destroying the crystal phase of P (POEM) than the portion replaced by the ionic bonds and securing a site for advantageous interaction with carbon dioxide is much greater, so that it shows the highest solubility. It could be confirmed from 11a.

또한, 상기 도 11b에서 확인할 수 있는 바와 같이, 시간에 따른 이산화탄소 투과도는 시간에 따른 이산화탄소 용해도 곡성과 비슷한 시간 경향성을 보이는데, 이는 흡착한 후 과용해 상태인 이산화탄소가 탈착되는 과정을 거치기 때문이다.In addition, as can be seen in FIG. 11B, the carbon dioxide permeability over time shows a time trend similar to that of the carbon dioxide solubility curve over time, because after adsorption, carbon dioxide in an overdissolved state undergoes a process of desorption.

실험예 9. 복합막의 기체 분리 성능 측정Experimental Example 9. Measurement of gas separation performance of composite membrane

상기 실시예에 따라 제조된 복합막의 기체 분리 성능을 측정하였다. 도 12a는 본 발명의 일 실시예에 따라 단량체의 비율을 달리하여 제조한 복합막의 단일 기체 투과도를 측정한 결과이며, 도 12b는 본 발명의 일 실시예에 따라 단량체의 비율을 달리하여 제조한 복합막의 이상적인 선택도를 측정한 결과이다. 이상적인 선택도는 단일 기체의 투과도를 서로 나눈 값이다. The gas separation performance of the composite membrane prepared according to the above example was measured. 12A is a result of measuring a single gas permeability of a composite membrane prepared by varying the ratio of monomers according to an embodiment of the present invention, and FIG. 12B is a composite prepared by varying the ratio of monomers according to an embodiment of the present invention. This is the result of measuring the ideal selectivity of the membrane. The ideal selectivity is the permeability of a single gas divided by each other.

도 12a 및 12b에서 확인할 수 있는 바와 같이, SBMA 비율이 증가할수록 자유 부피가 증가하게 되어 비활성 기체의 투과도가 증가하며, 동시에 이산화탄소의 용해도는 줄어들게 되므로, 이산화탄소의 투과도는 감소함을 확인할 수 있었다. SBMA가 50 wt% 이상 함유될 경우, 고분자의 고유 성질로 인하여 코팅한 얇은 필름이 쉽게 부서지게 되어 크누센 확산(Knudsen diffusion)의 경향성을 보였다.As can be seen in FIGS. 12A and 12B, as the SBMA ratio increases, the free volume increases, so that the permeability of the inert gas increases, and the solubility of carbon dioxide decreases, so that the permeability of carbon dioxide decreases. When SBMA was contained in an amount of 50 wt% or more, the coated thin film was easily broken due to the inherent properties of the polymer, and thus Knudsen diffusion tended to occur.

또한 도 13a는 본 발명의 일 실시예에 따라 첨가제의 양을 달리하여 제조한 복합막의 단일 기체 투과도를 측정한 결과이며, 도 13b는 본 발명의 일 실시예에 따라 첨가제의 양을 달리하여 제조한 복합막의 이상적인 선택도를 측정한 결과이다.13A is a result of measuring a single gas permeability of a composite membrane manufactured by varying the amount of additives according to an embodiment of the present invention, and FIG. 13B is a result of measuring the single gas permeability of the composite membrane manufactured by varying the amount of additives according to an embodiment of the present invention. This is the result of measuring the ideal selectivity of the composite membrane.

상기 도 13a 및 13b를 통해 확인할 수 있는 바와 같이, 첨가제를 첨가할 경우, POEM의 구조상을 붕괴시키며, 비활성 기체의 투과도가 급격하게 줄어들었다. 하지만, 이산화탄소의 경우 에테르 작용기의 증가로 인해 상호작용 자리가 늘어나기 때문에 용해도가 증가하였다. 이를 통해 매우 높은 이산화탄소와 질소, 이산화탄소와 메탄의 선택도 값을 가짐을 확인하였다.As can be seen from FIGS. 13A and 13B, when the additive is added, the structure of the POEM is collapsed, and the permeability of the inert gas is rapidly reduced. However, in the case of carbon dioxide, the solubility increased because the interaction site increased due to the increase of the ether functional group. Through this, it was confirmed that it has very high selectivity values of carbon dioxide and nitrogen, carbon dioxide and methane.

또한 상기 실시예에 의해 제조된 복합막의 혼합 기체 분리 성능을 측정하였다. 혼합기체 분리 성능 측정을 위해 이산화탄소와 메탄을 같은 비율로 혼합한 기체를 사용하였다. 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조한 복합막의 혼합 기체 분리 성능을 측정한 결과이다.In addition, the mixed gas separation performance of the composite membrane prepared according to the above example was measured. To measure the mixed gas separation performance, a gas mixed with carbon dioxide and methane at the same ratio was used. 14 is a result of measuring the mixed gas separation performance of the composite membrane prepared according to an embodiment of the present invention.

상기 도 14에서 확인할 수 있는 바와 같이, 혼합 기체 투과도는 이상 기체 투과도에 비해 절반 이하로 떨어지지만, 선택도는 급격하게 상승하였다. 이는 혼합 기체 투과 시 메탄이 확산할 수 있는 통로를 이산화탄소 기체 선택적 상호작용을 통해 막는 작용을 하기 때문이며, 이상적인 기체 분리 성능에 비해 더 높은 선택도를 얻을 수 있었다. As can be seen in FIG. 14, the mixed gas permeability falls to less than half compared to the ideal gas permeability, but the selectivity rapidly increases. This is because the passage through which methane can diffuse during the permeation of the mixed gas is blocked through the selective interaction of carbon dioxide gas, and a higher selectivity can be obtained than the ideal gas separation performance.

도 15a는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 복합막의 CO2/N2 Robeson Upper bound 그래프이며, 도 15b는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 복합막의 CO2/CH4 Robeson Upper bound 그래프이다. 상기 도 15에서 확인할 수 있는 바와 같이, CO2/N2 및 CO2/CH4 선택도 모두 우수한 기체 분리막 성능을 평가하는 기준의 하나인 Robeson upper bound 선을 초과하였으며, 이를 통해 상기 실시예의 분리막이 우수한 기체 분리 성능을 가짐을 확인할 수 있었다. 15A is a CO 2 /N 2 Robeson Upper bound graph of the composite membrane manufactured according to an embodiment of the present invention, and FIG. 15B is a CO 2 /CH 4 Robeson Upper bound graph of the composite membrane manufactured according to an embodiment of the present invention. to be. As can be seen in FIG. 15, both the CO 2 /N 2 and CO 2 /CH 4 selectivity exceeded the Robeson upper bound line, which is one of the criteria for evaluating excellent gas separation membrane performance, through which the separation membrane of the above example It was confirmed that it has excellent gas separation performance.

한편, 상기 도 15에서 확인할 수 있는 바와 같이, 실시예의 분리막은 이산화탄소 분리에 탁월한 성능을 보이는 고분자 재료 중 하나로 알려진 Pebax 1657와 비교에서도 월등히 우수한 성능을 가짐을 확인할 수 있었다. On the other hand, as can be seen in FIG. 15, it was confirmed that the separator of the Example had a remarkably excellent performance compared to Pebax 1657, which is known as one of the polymer materials exhibiting excellent performance in separating carbon dioxide.

실험예 10. 분리막의 안정성 및 기계적 강도 측정Experimental Example 10. Measurement of stability and mechanical strength of the separator

상기 실시예에 따라 제조한 분리막과 비교예 1의 P(POEM) 분리막을 이용하여 시간에 따른 이산화탄소 단일가스 기체 투과 성능을 측정하였다. 이를 통해 장시간 동안 분리막의 기계적 강도가 유지될 수 있는지 여부를 확인할 수 있었다. 도 16은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 분리막의 이산화탄소 투과도를 측정한 결과이다.The separation membrane prepared according to the above example and the P (POEM) separation membrane of Comparative Example 1 were used to measure carbon dioxide single gas gas permeation performance over time. Through this, it could be confirmed whether the mechanical strength of the separator could be maintained for a long time. 16 is a result of measuring carbon dioxide permeability of a separator manufactured according to an embodiment of the present invention.

상기 도 16에서 확인할 수 있는 바와 같이, 초기 성능과 최종 성능을 비교하였을 때, 실시예의 PS31_0.0 막은 초기 성능 31.4에서 최종 성능 25.1로 79.8%의 이산화탄소 투과 성능을 유지하였던 반면, 비교예 1의 막은 초기 성능 33.6에서 최종 성능 25.1로 74.7%의 이산화탄소 투과 성능을 유지하였다. 이를 통해 실시예의 분리막이 막의 안정성 및 기계적 강도가 우수함을 확인할 수 있었다.As can be seen in FIG. 16, when comparing the initial performance and the final performance, the PS31_0.0 membrane of Example maintained 79.8% carbon dioxide permeability from the initial performance 31.4 to the final performance 25.1, whereas the membrane of Comparative Example 1 The carbon dioxide permeation performance of 74.7% was maintained from the initial performance of 33.6 to the final performance of 25.1. Through this, it was confirmed that the separation membrane of the example has excellent stability and mechanical strength of the membrane.

한편, PS31_7.5 막의 경우, 도 11b에서 확인할 수 있는 바와 같이, 초기 성능 16.8에서 최종 성능 14.9로 88.4%의 성능 유지를 보여 첨가제의 추가에 의해 막의 안정성 및 기계적 강도가 극대화될 수 있음을 확인하였다.Meanwhile, in the case of the PS31_7.5 membrane, as can be seen in FIG. 11B, it was confirmed that the stability and mechanical strength of the membrane can be maximized by the addition of additives, showing 88.4% of performance maintenance from the initial performance 16.8 to the final performance 14.9. .

따라서, 본 발명의 공중합체는 향상된 기계적 강도를 통해 제조되는 기체 분리막이 안정한 구조를 유지할 수 있도록 하며, 공중합체 사슬 내의 작용기와 선택적 상호작용을 하는 첨가제 도입하여 단량체 간의 응집을 방지하고, 자유 부피를 막아 기체 선택도를 크게 향상시킬 수 있다. 상기 공중합체는 자유 라디칼 중합에 의해 간단하게 합성되며, 별도의 침전이나 정제 과정 없이 합성된 용액을 다공성 지지체 코팅에 활용할 수 있어 경제적인 기체 분리막 제조가 가능하다.Therefore, the copolymer of the present invention enables the gas separation membrane to maintain a stable structure through improved mechanical strength, prevents aggregation between monomers by introducing an additive that selectively interacts with functional groups in the copolymer chain, and increases free volume. By blocking, gas selectivity can be greatly improved. The copolymer is simply synthesized by free radical polymerization, and the synthesized solution can be used for coating a porous support without a separate precipitation or purification process, thereby enabling economical gas separation membrane production.

전술한 실시예 및 비교예는 본 발명을 설명하기 위한 예시로서, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양하게 변형하여 본 발명을 실시하는 것이 가능할 것이므로, 본 발명의 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.The above-described Examples and Comparative Examples are examples for explaining the present invention, and the present invention is not limited thereto. Since those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will be able to implement the present invention by various modifications therefrom, the technical protection scope of the present invention should be determined by the appended claims.

Claims (25)

이산화탄소 친화성 단량체 및 양쪽성 이온 단량체(zwitterionic polymer)의 공중합체로서,
상기 공중합체는 하기 화학식 1로 표시되고,
상기 공중합체는 Fe3+ 이온을 추가적으로 포함하고,
상기 공중합체는 FT-IR 스펙트럼 상에서, 1089 내지 1109 cm-1에서 피크를 갖지 않으며, 1066 내지 1086 cm-1에서 피크를 갖는 공중합체:
[화학식 1]
Figure 112020058089174-pat00031

상기 화학식 1에서 x 및 y는 각각 독립적으로 1 내지 500의 정수이고, n은 5 내지 15의 정수이다.
As a copolymer of carbon dioxide affinity monomer and zwitterionic polymer,
The copolymer is represented by the following formula (1),
The copolymer additionally contains Fe 3+ ions,
The copolymer does not have a peak at 1089 to 1109 cm -1 on the FT-IR spectrum, and has a peak at 1066 to 1086 cm -1 :
[Formula 1]
Figure 112020058089174-pat00031

In Formula 1, x and y are each independently an integer of 1 to 500, and n is an integer of 5 to 15.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 이산화탄소 친화성 단량체는 폴리(에틸렌글리콜) 메틸에테르 메타크릴레이트(poly(ethylene glycol) methyl ether methacrylate)이고,
상기 양쪽성 이온 단량체는 설포베테인메타크릴레이트(sulfobetaine methacrylate)이며,
상기 이산화탄소 친화성 단량체 및 양쪽성 이온 단량체는 2 내지 5 : 1의 중량비로 중합되는 공중합체.
The method of claim 1,
The carbon dioxide affinity monomer is poly(ethylene glycol) methyl ether methacrylate,
The zwitterionic monomer is sulfobetaine methacrylate,
The carbon dioxide affinity monomer and the zwitterionic monomer is a copolymer that is polymerized in a weight ratio of 2 to 5: 1.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 Fe3+ 이온은 상기 공중합체 전체 중량 대비 0.5 내지 4 중량% 포함되는 공중합체.
The method of claim 1,
The Fe 3+ ion is a copolymer containing 0.5 to 4% by weight based on the total weight of the copolymer.
삭제delete 제1항의 공중합체를 포함하는 기체 분리막.A gas separation membrane comprising the copolymer of claim 1. 제11항에 있어서,
상기 공중합체는 하기 화학식 1로 표시되는 것이고, Fe3+ 이온을 추가적으로 포함하고,
상기 기체 분리막의 이산화탄소 단일 기체 투과도 값을 메탄 단일 기체 투과도 값으로 나눈 이상적인 이산화탄소 선택도(CO2/CH4)가 이산화탄소와 메탄을 1 : 1의 부피비로 혼합한 혼합 기체를 사용하여 측정한 혼합 기체 이산화탄소 선택도(CO2/CH4)에 비해 작은 기체 분리막:
[화학식 1]
Figure 112019040842462-pat00011

상기 화학식 1에서 x 및 y는 각각 독립적으로 1 내지 500의 정수이고, n은 5 내지 15의 정수이다.
The method of claim 11,
The copolymer is represented by the following formula (1), and additionally contains Fe 3+ ions,
The ideal carbon dioxide selectivity (CO 2 /CH 4 ) obtained by dividing the carbon dioxide single gas permeability value of the gas separation membrane by the methane single gas permeability value is measured using a mixed gas obtained by mixing carbon dioxide and methane at a volume ratio of 1: 1. Small gas separation membrane compared to carbon dioxide selectivity (CO 2 /CH 4 ):
[Formula 1]
Figure 112019040842462-pat00011

In Formula 1, x and y are each independently an integer of 1 to 500, and n is an integer of 5 to 15.
제11항의 기체 분리막이 다공성 지지체 상에 형성되는 복합막.
A composite membrane in which the gas separation membrane of claim 11 is formed on a porous support.
이산화탄소 친화성 단량체 및 양쪽성 이온 단량체를 개시제의 존재 하에 중합하는 단계; 및
Fe3+ 이온을 포함하는 첨가제를 투입하는 단계;를 포함하는 공중합체의 제조방법으로서,
상기 공중합체는 하기 화학식 1로 표시되는 것이고,
상기 Fe3+ 이온을 포함하는 첨가제는 FeCl3 및 FeF3 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이고,
상기 Fe3+ 이온을 포함하는 첨가제를 투입하는 단계는 상기 Fe3+ 이온이 상기 공중합체 전체 중량 대비 1.5 내지 3 중량% 포함되도록 투입하는 공중합체의 제조방법:
[화학식 1]
Figure 112020058089174-pat00032

상기 화학식 1에서 x 및 y는 각각 독립적으로 1 내지 500의 정수 이고, n은 5 내지 15의 정수이다.
Polymerizing the carbon dioxide affinity monomer and the zwitterionic monomer in the presence of an initiator; And
As a method for preparing a copolymer comprising; adding an additive containing Fe 3+ ions,
The copolymer is represented by the following formula (1),
The additive containing Fe 3+ ions is any one or a mixture of two or more selected from FeCl 3 and FeF 3 ,
In the step of the additives, including the Fe 3+ ion is method of producing a copolymer to input such that the Fe 3+ ions contained 1.5 to 3% by weight, based on the weight of the entire copolymer:
[Formula 1]
Figure 112020058089174-pat00032

In Formula 1, x and y are each independently an integer of 1 to 500, and n is an integer of 5 to 15.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제14항에 있어서,
상기 이산화탄소 친화성 단량체 및 양쪽성 이온 단량체는 2 내지 5 : 1의 중량비로 포함되는 공중합체의 제조방법.
The method of claim 14,
The carbon dioxide affinity monomer and the zwitterionic monomer is a method of producing a copolymer comprising a weight ratio of 2 to 5: 1.
삭제delete 제14항에 있어서,
상기 개시제는 다이큐밀 퍼옥사이드(Dicumyl peroxide), 아조비스이소부티로니트릴(Azobisisobutyronitrile) 및 벤조일 퍼옥사이드(Benzoyl peroxide) 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 공중합체의 제조방법.
The method of claim 14,
The initiator is dicumyl peroxide (Dicumyl peroxide), azobisisobutyronitrile (Azobisisobutyronitrile) and benzoyl peroxide (Benzoyl peroxide) any one or a mixture of two or more selected from the method of producing a copolymer.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제14항에 있어서,
상기 이산화탄소 친화성 단량체 및 양쪽성 이온 단량체를 개시제의 존재 하에 중합하는 단계에서 용매는 물, 디메틸설폭사이드(dimethyl sulfoxide) 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 공중합체의 제조방법.
The method of claim 14,
In the step of polymerizing the carbon dioxide affinity monomer and the zwitterionic monomer in the presence of an initiator, the solvent is any one or a mixture of two or more selected from water and dimethyl sulfoxide.
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