KR102433978B1 - Polymer separation membrane comprising defect-engineered nanoparticle and method for preparing the same - Google Patents

Polymer separation membrane comprising defect-engineered nanoparticle and method for preparing the same Download PDF

Info

Publication number
KR102433978B1
KR102433978B1 KR1020200114769A KR20200114769A KR102433978B1 KR 102433978 B1 KR102433978 B1 KR 102433978B1 KR 1020200114769 A KR1020200114769 A KR 1020200114769A KR 20200114769 A KR20200114769 A KR 20200114769A KR 102433978 B1 KR102433978 B1 KR 102433978B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
nanoparticles
metal
polymer membrane
mof
controlled
Prior art date
Application number
KR1020200114769A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20220032889A (en
Inventor
박호범
이태훈
정재구
Original Assignee
한양대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한양대학교 산학협력단 filed Critical 한양대학교 산학협력단
Priority to KR1020200114769A priority Critical patent/KR102433978B1/en
Publication of KR20220032889A publication Critical patent/KR20220032889A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102433978B1 publication Critical patent/KR102433978B1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D71/00Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D71/02Inorganic material
    • B01D71/028Molecular sieves
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D53/00Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/22Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion
    • B01D53/228Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion characterised by specific membranes
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D67/00Processes specially adapted for manufacturing semi-permeable membranes for separation processes or apparatus
    • B01D67/0002Organic membrane manufacture
    • B01D67/0009Organic membrane manufacture by phase separation, sol-gel transition, evaporation or solvent quenching
    • B01D67/0013Casting processes
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D69/00Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by their form, structure or properties; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D69/12Composite membranes; Ultra-thin membranes
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D69/00Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by their form, structure or properties; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D69/14Dynamic membranes
    • B01D69/141Heterogeneous membranes, e.g. containing dispersed material; Mixed matrix membranes
    • B01D69/1411Heterogeneous membranes, e.g. containing dispersed material; Mixed matrix membranes containing dispersed material in a continuous matrix
    • B01D69/14111Heterogeneous membranes, e.g. containing dispersed material; Mixed matrix membranes containing dispersed material in a continuous matrix with nanoscale dispersed material, e.g. nanoparticles
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D69/00Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by their form, structure or properties; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D69/14Dynamic membranes
    • B01D69/141Heterogeneous membranes, e.g. containing dispersed material; Mixed matrix membranes
    • B01D69/148Organic/inorganic mixed matrix membranes
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D71/00Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D71/06Organic material
    • B01D71/08Polysaccharides
    • B01D71/12Cellulose derivatives
    • B01D71/14Esters of organic acids
    • B01D71/16Cellulose acetate
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D71/00Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D71/06Organic material
    • B01D71/26Polyalkenes
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D71/00Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D71/06Organic material
    • B01D71/30Polyalkenyl halides
    • B01D71/32Polyalkenyl halides containing fluorine atoms
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D71/00Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D71/06Organic material
    • B01D71/50Polycarbonates
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D71/00Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D71/06Organic material
    • B01D71/58Other polymers having nitrogen in the main chain, with or without oxygen or carbon only
    • B01D71/62Polycondensates having nitrogen-containing heterocyclic rings in the main chain
    • B01D71/64Polyimides; Polyamide-imides; Polyester-imides; Polyamide acids or similar polyimide precursors
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D71/00Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D71/06Organic material
    • B01D71/66Polymers having sulfur in the main chain, with or without nitrogen, oxygen or carbon only
    • B01D71/68Polysulfones; Polyethersulfones
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D71/00Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D71/06Organic material
    • B01D71/70Polymers having silicon in the main chain, with or without sulfur, nitrogen, oxygen or carbon only
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/22Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising organic material
    • B01J20/223Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising organic material containing metals, e.g. organo-metallic compounds, coordination complexes
    • B01J20/226Coordination polymers, e.g. metal-organic frameworks [MOF], zeolitic imidazolate frameworks [ZIF]
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/44Treatment of water, waste water, or sewage by dialysis, osmosis or reverse osmosis
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2323/00Details relating to membrane preparation
    • B01D2323/12Specific ratios of components used
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2325/00Details relating to properties of membranes
    • B01D2325/20Specific permeability or cut-off range
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02ATECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A20/00Water conservation; Efficient water supply; Efficient water use
    • Y02A20/124Water desalination
    • Y02A20/131Reverse-osmosis
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/151Reduction of greenhouse gas [GHG] emissions, e.g. CO2

Abstract

본 발명은 고분자 분리막 소재; 및 상기 고분자 분리막 소재에 분산되고, 결함이 제어된 금속유기구조체(Metal-organic framework, MOF) 나노입자;를 포함하는 복합 고분자 분리막에 관한 것이다. 이에 의하여, 본 발명의 결함이 제어된 나노입자를 포함하는 복합 고분자 분리막은 금속유기구조체(Metal-organic framework, MOF)의 제조시 첨가제를 이용하여 합성함으로써 인위적으로 결함을 생성하고 이에 따라 제조된 결함이 제어된 나노입자를 고분자 분리막과 복합화함으로써 기체 투과도는 향상시키면서도 선택도를 유지하여 종래 나노입자를 도입한 복합 고분자 분리막에 비하여 분리성능을 현저히 향상시킬 수 있다.The present invention is a polymer membrane material; and metal-organic framework (MOF) nanoparticles dispersed in the polymer membrane material and having controlled defects. As a result, the composite polymer separation membrane including the nanoparticles with controlled defects of the present invention artificially creates a defect by synthesizing it using an additive in the manufacture of a metal-organic framework (MOF), and the defect manufactured accordingly By complexing the controlled nanoparticles with a polymer membrane, gas permeability is improved while maintaining selectivity, thereby significantly improving separation performance compared to a composite polymer membrane incorporating conventional nanoparticles.

Description

결함이 제어된 나노입자를 포함하는 복합 고분자 분리막 및 그의 제조방법{Polymer separation membrane comprising defect-engineered nanoparticle and method for preparing the same}Composite polymer separation membrane comprising defect-controlled nanoparticles and method for manufacturing the same

본 발명은 복합 고분자 분리막 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 결함이 제어된 나노입자를 포함하여 분리성능이 향상된 복합 고분자 분리막 및 그의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a composite polymer membrane and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a composite polymer membrane with improved separation performance including nanoparticles with controlled defects and a method for manufacturing the same.

고분자 분리막은 전자재료, 의약제조, 음식물 포장, 보호 장비, 연료전지, 정수 및 기체, 증기 분리 등 다양한 과학기술 분야에서 핵심 요소로 각광받고 있다. 분리막은 농도, 압력, 전위차 등과 같은 추진력을 이용하여 통과하는 물질의 투과속도를 조절할 수 있는 특징을 가지고 있어 위와 같은 분야에 적용될 수 있으며, 이러한 추진력 가운데 압력 차를 이용하는 분리공정으로는 정밀여과 (Microfiltration, MF), 한외여과(Ultrafiltration, UF), 역삼투(Reverse osmosis, RO), 투과증발(Pervaporation, PV), 기체분리 (Gas separation, GS) 등이 있다.Polymer membranes are attracting attention as a key element in various scientific and technological fields such as electronic materials, pharmaceutical manufacturing, food packaging, protective equipment, fuel cells, water purification, gas, and vapor separation. The separation membrane has the characteristic of controlling the permeation rate of a substance passing through it using a driving force such as concentration, pressure, and potential difference, so it can be applied to the above fields. , MF), ultrafiltration (UF), reverse osmosis (RO), pervaporation (PV), and gas separation (GS).

막을 이용한 기체분리는 시장 규모 및 응용범위가 나날이 팽창하고 있는데, 그 이유로는 에너지 사용량 및 운전비용 절감할 수 있기 때문이다. 예를 들면 석유화학공정에서 프로필렌과 에틸렌의 분리는 증류공정을 이용하여 분리가 이루어지는데 이때 에너지 소모량이 매우 높아 경제적으로 비효율적인 문제가 있다. 특히 고분자 필름을 이용한 분리막은 여러 기체 분자들의 투과속도 차에 따라 기체 혼합물로부터 특정 기체를 선택적으로 분리할 수 있는 장점을 가지고 있다. 기체분리용 고분자 분리막은 Mitchell(1830, 1833), Graham(1866) 등에 의해 고분자의 투과특성이 보고되기 시작한 이래로 많은 연구가 이루어지고 있다. Mitchell은 수소기체로 충전된 천연고무 풍선이 시간에 따라 오므라드는 것을 관찰하였고, 이 현상은 풍선 벽을 통해 기체가 방출 혹은 투과되기 때문이라고 가정하였다. Graham은 Mitchell의 가정을 천연고무 필름을 이용, 반복 실험하여 증명하였고, 천연고무 필름을 통한 기체투과속도에 대한 첫 정량적 측정법을 발표하였다. The market size and application range of gas separation using a membrane is expanding day by day, because it can reduce energy consumption and operating costs. For example, in the petrochemical process, propylene and ethylene are separated by using a distillation process, which is economically inefficient because energy consumption is very high. In particular, a separation membrane using a polymer film has the advantage of selectively separating a specific gas from a gas mixture according to a difference in the permeation rate of various gas molecules. Polymer membranes for gas separation have been studied a lot since the permeation characteristics of polymers were reported by Mitchell (1830, 1833), Graham (1866), and the like. Mitchell observed that a natural rubber balloon filled with hydrogen gas shrinks with time, and he hypothesized that this phenomenon was due to the release or permeation of gas through the balloon wall. Graham proved Mitchell's assumption through repeated experiments using natural rubber film, and published the first quantitative measurement method for gas permeation rate through natural rubber film.

이러한 긴 역사에도 불구하고 고분자 분리막이 실제 기체분리 산업에 적용되기 시작한 것은 약 40년 밖에 되지 않는다. 1970년대 이전에 제조 가능했던 치밀형 고분자 분리막은 너무 두꺼운 까닭에 실공정 적용에 필요한 높은 투과 유량을 가질 수 없었다. Loeb-Sourirajan 공정의 개발은 무결점, 고유량, 초박막 비대칭형 역삼투 분리막의 제조를 가능케 한 분리막의 역사에 획기적인 사건이었다. 이후 비대칭형 분리막을 기초로 한 많은 고분자 분리막 및 모듈이 개발되었고 정밀여과, 한외여과 및 역삼투 분야의 처리 시스템에 적용되기 시작하였다.Despite such a long history, polymer membranes have only been applied to the gas separation industry for only about 40 years. The dense polymer membrane that could be manufactured before the 1970s could not have the high permeate flow rate required for practical application because it was too thick. The development of the Loeb-Sourirajan process was a milestone in the history of membranes that made it possible to manufacture defect-free, high-flow, ultra-thin, asymmetric reverse osmosis membranes. Afterwards, many polymer membranes and modules based on asymmetric membranes were developed and started to be applied to treatment systems in microfiltration, ultrafiltration and reverse osmosis fields.

1980년대에는 Prism이라는 이름의 고분자 분리막을 이용한 첫 번째 상업적 규모의 기체분리막 시스템이 도입되어, 암모니아 합성 플랜트에서 퍼지가스로부터 수소회수 공정에 사용되기 시작하였다. 기존 공정에서 암모니아는 고온·고압에서 촉매 반응하에 수소와 질소의 반응을 통해 생성되었다. 수소는 천연가스의 증기 개질 반응을 통해 공급되는데, 암모니아 전환율이 18-20%로 제한적이기 때문에 수율을 향상시키기 위해 미반응 기체를 원료 쪽으로 회수하여 재공급 하여야 한다. 비활성 기체와 미반응 메탄의 혼합을 막기 위해 기체는 퍼지되는데, 이 퍼지 기체는 수소를 포함하고 있으나 기존 분리공정은 수소를 회수하기 위한 비용이 높은 단점이 있었다. 기체분리막은 피드 기체가 고압이며 투과부가 저압에서 유지될 수 있을 때 가장 바람 직하며 이 공정에 적용될 수 있었다. In the 1980s, the first commercial-scale gas separation membrane system using a polymer membrane called Prism was introduced, and it began to be used in the hydrogen recovery process from the purge gas in the ammonia synthesis plant. In the existing process, ammonia was produced through the reaction of hydrogen and nitrogen under a catalytic reaction at high temperature and pressure. Hydrogen is supplied through the steam reforming reaction of natural gas, and since the ammonia conversion rate is limited to 18-20%, unreacted gas must be recovered and re-supplied toward the raw material in order to improve the yield. The gas is purged to prevent mixing of the inert gas and unreacted methane. This purge gas contains hydrogen, but the existing separation process has a disadvantage in that the cost for recovering hydrogen is high. The gas separation membrane is most preferable when the feed gas is high pressure and the permeate section can be maintained at low pressure, and can be applied to this process.

현재 고분자 분리막을 이용한 기체분리 공정은 흡착법, 흡수법, 심냉법과 같은 다른 분리공정들과 꾸준히 경쟁하고 있다. 기체분리막 공정은 쉬운 작동성, 작은 규모, 낮은 에너지 소모량, 이동성, 신뢰성, 공간 효율성 등으로 인해 타기술과 비교하여 경쟁력이 우수하다. 현재 기체분리막 공정은 석유화학 공정, 합성 가스로부터 수소의 분리 및 회수에 이용되고 있으며, 다른 응용분야로는 EOR(Enhanced Oil Recovery), 천연가스 정제, 매립지가스 회수, 공기 분리, 탈수, 탈기, 헬륨 회수 등에 적용되고 있다. Currently, gas separation processes using polymer membranes are constantly competing with other separation processes such as adsorption, absorption, and deep cooling. The gas separation membrane process has excellent competitiveness compared to other technologies due to its easy operation, small scale, low energy consumption, mobility, reliability, and space efficiency. Currently, the gas separation membrane process is used for the separation and recovery of hydrogen from petrochemical processes and synthesis gas. Other applications include EOR (Enhanced Oil Recovery), natural gas refining, landfill gas recovery, air separation, dehydration, degassing, and helium. It is applied to recovery.

기존 고분자 분리막이 가진 한계를 극복하기 위하여, 분자체 기능을 할 수 있는 나노입자를 고분자 매트릭스에 혼합한 나노입자/고분자 복합 분리막(Mixed Matrix Membrane, MMM) 제조기술이 연구되고 있다. 그러나, 분리막 기반 공정이 기존 흡수/흡착 등의 분리공정과 경쟁하기 위해서는 복합 분리막의 성능 향상이 더욱 필요한 실정이다. 특히 수많은 나노입자의 후보군 중에서 최적의 나노입자/고분자 조합을 찾기가 매우 어려우며, 이와 같은 이유는 각 물질의 후보군은 많지만 나노입자/고분자 계면 사이의 작용을 조절하여 원하지 않은 거대기공 형성되고 이를 억제하기가 힘든 문제가 있다. 이에 따라 나노입자/고분자 복합 분리막에서 나노입자의 농도를 높이면 투과도는 높아지나 선택도가 낮아지는 문제점이 있어 이를 해결할 수 있는 복합 분리막의 개발이 필요한 실정이다.In order to overcome the limitations of existing polymer membranes, a nanoparticle/polymer composite membrane (MMM) manufacturing technology in which nanoparticles capable of molecular sieve function are mixed in a polymer matrix is being studied. However, in order for the separation membrane-based process to compete with the existing separation process such as absorption/adsorption, it is necessary to further improve the performance of the composite membrane. In particular, it is very difficult to find the optimal nanoparticle/polymer combination among numerous nanoparticle candidates. has a hard problem. Accordingly, when the concentration of nanoparticles in the nanoparticle/polymer composite separator is increased, the permeability is increased but the selectivity is lowered. Therefore, it is necessary to develop a composite separator capable of solving this problem.

한국등록특허공보 제10-1394396호Korean Patent Publication No. 10-1394396

본 발명의 목적은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로 복합 고분자 분리막 제조에 첨가되는 금속유기구조체(MOF) 내부의 결함을 인위적으로 제어함으로써 복합 분리막의 분리성능을 향상시킬 수 있는 복합 고분자 분리막 및 그의 제조방법에 관한 것이다.An object of the present invention is to solve the above problems, and a composite polymer separator capable of improving the separation performance of the composite separator by artificially controlling defects inside the metal organic structure (MOF) added to the composite polymer separator, and a method for manufacturing the same is about

본 발명의 일 측면에 따르면,According to one aspect of the present invention,

고분자 분리막 소재; 및polymer membrane material; and

상기 고분자 분리막 소재에 분산되고, 결함이 제어된 금속유기구조체(Metal-organic framework, MOF) 나노입자;를 포함하는 복합 고분자 분리막이 제공된다.Dispersed in the polymer membrane material, a metal-organic framework (MOF) nanoparticles of which defects are controlled; a composite polymer membrane comprising a separation membrane is provided.

상기 결함이 제어된 금속유기구조체(Metal-organic framework, MOF) 나노입자는 금속유기구조체 나노입자 제조시 모노카르복실산계 화합물을 첨가에 의해 금속유기구조체 내부에 결함 생성이 유도된 것일 수 있다.The metal-organic framework (MOF) nanoparticles in which the defects are controlled may be those in which defects are induced in the metal-organic framework by adding a monocarboxylic acid-based compound when the metal-organic framework (MOF) nanoparticles are manufactured.

상기 모노카르복실산계 화합물은 R-COOH로 표시되고, 상기 R은 -CF3, -CCl3, 또는 C1 내지 C10 알킬기일 수 있다.The monocarboxylic acid-based compound may be represented by R-COOH, and R may be -CF 3 , -CCl 3 , or a C1 to C10 alkyl group.

상기 모노카르복실산계 화합물은 트리플루오로아세트산(Trifluoroacetic acid)일 수 있다.The monocarboxylic acid compound may be trifluoroacetic acid.

상기 복합 고분자 분리막 총중량을 기준으로 상기 결함이 제어된 금속유기구조체(Metal-organic framework, MOF) 나노입자의 함량은 10 내지 50 wt% 일 수 있다.Based on the total weight of the composite polymer separator, the content of the metal-organic framework (MOF) nanoparticles in which the defects are controlled may be 10 to 50 wt%.

상기 고분자 분리막 소재는 폴리이미드, 폴리술폰, 셀룰로오스 아세테이트, 폴리카보네이트, 과불소계 고분자(perfluoropolymer), 실록산 고분자 및 폴리아세틸렌 고분자 중에서 선택된 어느 하나의 계열일 수 있다.The polymer membrane material may be any one series selected from polyimide, polysulfone, cellulose acetate, polycarbonate, perfluoropolymer, siloxane polymer, and polyacetylene polymer.

상기 고분자 분리막 소재는 폴리이미드 또는 폴리술폰 중에서 선택된 어느 하나의 계열일 수 있다.The polymer membrane material may be any one series selected from polyimide or polysulfone.

상기 폴리이미드 계열의 고분자 분리막 소재는 6FDA-DAM, 6FDA-DAM-OH, PIM-6FDA-OH, 6FDA-6FpDA, 6FDA-DABA, Matrimid, 6FDA-6FpDA:DABA 공중합체, 및 6FDA-DAM:DABA 공중합체 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.The polyimide-based polymer membrane material is 6FDA-DAM, 6FDA-DAM-OH, PIM-6FDA-OH, 6FDA-6FpDA, 6FDA-DABA, Matrimid, 6FDA-6FpDA: DABA copolymer, and 6FDA-DAM: DABA public It may be any one selected from coalescing.

상기 금속유기구조체(Metal-organic framework, MOF)는 UiO-66, MFU-4l, ZIF-8, MIL-53, MIL-100, MIL-101, MIL-96, MIL-100, CALF-25, CAU-10, DUT-51, DUT-67, FMOF-1, MIL-100, MIL-101, MIL-125, MIL-127, MOF-525, MOF-545, MOF-801, MOF-802, MOF-804, MOF-841, Ni-NIC, NU-1000, PCN-225, PCN-222, PCN-224, 및 SCUTC-18 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.The metal-organic framework (MOF) is UiO-66, MFU-4l, ZIF-8, MIL-53, MIL-100, MIL-101, MIL-96, MIL-100, CALF-25, CAU -10, DUT-51, DUT-67, FMOF-1, MIL-100, MIL-101, MIL-125, MIL-127, MOF-525, MOF-545, MOF-801, MOF-802, MOF-804 , MOF-841, Ni-NIC, NU-1000, PCN-225, PCN-222, PCN-224, and may be any one selected from SCUTC-18.

상기 복합 고분자 분리막은 이산화탄소 포집, 천연가스 정제, 석유화학 증류공정, 수소정제 공정, 정수처리, 및 역삼투 해수담수화 중에서 선택된 어느 하나의 분리막용일 수 있다.The composite polymer membrane may be for any one membrane selected from carbon dioxide capture, natural gas purification, petrochemical distillation process, hydrogen purification process, water purification treatment, and reverse osmosis seawater desalination.

상기 복합 고분자 분리막은 전자 소자, 전극, 패키징, 및 센서 중에서 선택된 어느 하나에 사용될 수 있다.The composite polymer separator may be used in any one selected from electronic devices, electrodes, packaging, and sensors.

본 발명의 다른 하나의 측면에 따르면,According to another aspect of the present invention,

(a) 금속전구체, 유기리간드, 물 및 모노카르복실산계 화합물 첨가제를 유기용매에 넣어 반응시켜 금속유기구조체 내부 구조에 결함을 유도함으로써 결함이 제어된 금속유기구조체((Metal-organic framework, MOF) 나노입자를 제조하는 단계; 및(a) Metal-organic framework (MOF) in which defects are controlled by inducing defects in the internal structure of metal-organic structures by reacting metal precursors, organic ligands, water and monocarboxylic acid-based compound additives in an organic solvent (Metal-organic framework, MOF) preparing nanoparticles; and

(b) 고분자 분리막 소재와 상기 결함이 제어된 금속유기구조체(Metal-organic framework, MOF) 나노입자를 복합화하는 단계;를 포함하는 복합 고분자 분리막의 제조방법이 제공된다.(b) the step of complexing the polymer membrane material and the metal-organic framework (MOF) nanoparticles in which the defects are controlled; is provided a method for manufacturing a composite polymer membrane comprising a.

단계 (a)에서,In step (a),

상기 금속전구체와 모노카르복실산계 화합물 첨가제의 몰당량비는 1:5 내지 1:40 일 수 있다.The molar equivalent ratio of the metal precursor and the monocarboxylic acid-based compound additive may be 1:5 to 1:40.

단계 (b)에서.in step (b).

상기 결함이 제어된 금속유기구조체(Metal-organic framework, MOF) 나노입자는 상기 복합 고분자 분리막의 총중량을 기준으로 10 내지 50wt% 포함되도록 할 수 있다.The defect-controlled metal-organic framework (MOF) nanoparticles may be included in an amount of 10 to 50 wt% based on the total weight of the composite polymer separator.

상기 금속전구체에 포함되는 금속이온은 Li+, Na+, K+, Rb+, Be2+, Mg2+, Ca2+, Sr2+, Ba2+, Sc3+, Y3+, Ti4+, Zr4+, Hf+, V4+, V3+, V2+, Nb3+, Ta3+, Cr3+, Mo3+, W3+, Mn3+, Mn2+, Re3+, Re2+, Fe3+, Fe2+, Ru3+, Ru2+, Os3+, Os2+, Co3+, Co2+, Rh2+, Rh+, Ir2+, Ir+, Ni2+, Ni+, Pd2+, Pd+, Pt2+, Pt+, Cu2+, Cu+, Ag+, Au+, Zn2+, Cd2+, Hg2+, Al3+, Ga3+, In3+, Tl3+, Si4+, Si2+, Ge4+, Ge2+, Sn4+, Sn2+, Pb4+, Pb2+, As5+, As3+, As+, Sb5+, Sb3+, Sb+, Bi5+, Bi3+ 및 Bi+ 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.Metal ions included in the metal precursor are Li + , Na + , K + , Rb + , Be 2+ , Mg 2+ , Ca 2+ , Sr 2+ , Ba 2+ , Sc 3+ , Y 3+ , Ti 4+ , Zr 4+ , Hf + , V 4+ , V 3+ , V 2+ , Nb 3+ , Ta 3+ , Cr 3+ , Mo 3+ , W 3+ , Mn 3+ , Mn 2+ , Re 3+ , Re 2+ , Fe 3+ , Fe 2+ , Ru 3+ , Ru 2+ , Os 3+ , Os 2+ , Co 3+ , Co 2+ , Rh 2+ , Rh + , Ir 2+ , Ir + , Ni 2+ , Ni + , Pd 2+ , Pd + , Pt 2+ , Pt + , Cu 2+ , Cu + , Ag + , Au + , Zn 2+ , Cd 2+ , Hg 2+ , Al 3+ , Ga 3+ , In 3+ , Tl 3+ , Si 4+ , Si 2+ , Ge 4+ , Ge 2+ , Sn 4+ , Sn 2+ , Pb 4+ , Pb 2+ , As 5 It may be any one selected from + , As 3+ , As + , Sb 5+ , Sb 3+ , Sb + , Bi 5+ , Bi 3+ and Bi + .

상기 유기리간드는 벤젠-1,4-디카르복실산(benzene-1,4-dicarboxylic acid), 벤젠-1,3,5-트리카르복실산(benzene-1,3,5-tricarboxylic acid), 2-메틸이미다졸(2-methylimidazole), 에탄디오산(ethanedioic acid), 프로판디오산(propanedioic acid), 부탄디오산(butanedioic acid), 펜탄디오산(pentanedioic acid), 프탈산(phthalic acid), 2-히드록시-1,2,3-프로판트리카르복실산(2-hydroxy-1,2,3-propanetricarboxylic acid), 1H-1,2,3-트리아졸(1H-1,2,3-triazole), 1H-1,2,4-트리아졸(1H-1,2,4-triazole) 및 3,4-디히드록시-3-사이클로부텐-1,2-디온(3,4-dihydroxy-3-cyclobutene-1,2-dione) 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.The organic ligand is benzene-1,4-dicarboxylic acid (benzene-1,4-dicarboxylic acid), benzene-1,3,5-tricarboxylic acid (benzene-1,3,5-tricarboxylic acid), 2-methylimidazole, ethanedioic acid, propanedioic acid, butanedioic acid, pentanedioic acid, phthalic acid, 2-hydroxy-1,2,3-propanetricarboxylic acid, 1H-1,2,3-triazole (1H-1,2,3- triazole), 1H-1,2,4-triazole (1H-1,2,4-triazole) and 3,4-dihydroxy-3-cyclobutene-1,2-dione (3,4-dihydroxy- 3-cyclobutene-1,2-dione) may be any one selected from.

본 발명의 다른 또 하나의 측면에 따르면,According to another aspect of the present invention,

상기 복합 고분자 분리막을 포함하는 기체 분리 시스템이 제공된다.A gas separation system including the composite polymer membrane is provided.

본 발명의 다른 또 하나의 측면에 따르면,According to another aspect of the present invention,

상기 복합 고분자 분리막을 포함하는 수처리 시스템이 제공된다.A water treatment system including the composite polymer membrane is provided.

본 발명의 결함이 제어된 나노입자를 포함하는 복합 고분자 분리막은 금속유기구조체(Metal-organic framework, MOF)의 제조시 첨가제를 이용하여 합성함으로써 인위적으로 결함을 생성하고 이에 따라 제조된 결함이 제어된 나노입자를 고분자 분리막과 복합화함으로써 기체 투과도는 향상시키면서도 선택도를 유지하여 종래 나노입자를 도입한 복합 고분자 분리막에 비하여 분리성능을 현저히 향상시킬 수 있다. 또한, 다양한 고분자 분리막 소재에 적용이 가능하여 각종 분리공정 즉, 연소 전 및 연소 후 이산화탄소 포집 기술(이산화탄소/질소), 천연가스정제(이산화탄소/메탄), 석유화학 공정(올레핀/파라핀), 수소정제 기술, 역삼투 해수담수화 기술 등 다양한 공정에 사용되고 에너지 절감의 효과를 나타낼 수 있다.The composite polymer separation membrane comprising the defect-controlled nanoparticles of the present invention artificially creates a defect by synthesizing it using an additive in the manufacture of a metal-organic framework (MOF), and thus the manufactured defect is controlled. By complexing nanoparticles with a polymer membrane, gas permeability can be improved while maintaining selectivity, thereby remarkably improving separation performance compared to a composite polymer membrane incorporating nanoparticles. In addition, since it can be applied to various polymer membrane materials, it can be applied to various separation processes, namely, carbon dioxide capture technology before and after combustion (carbon dioxide/nitrogen), natural gas refining (carbon dioxide/methane), petrochemical process (olefin/paraffin), hydrogen refining It can be used in various processes such as technology and reverse osmosis seawater desalination technology and can show the effect of energy saving.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고분자 분리막의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 제조예에 따른 UiO-66 나노입자의 SEM 이미지이다.
도 3은 실험예 1에 따른 XRD 분석 결과이다.
도 4는 실험예 1에 따른 BET 분석 결과이다.
도 5는 실험예 1에 따른 등온 흡착선이다.
도 6은 실험예 2에 따른 복합 고분자 분리막의 SEM 이미지이다.
도 7은 실험예 2에 따른 복합 고분자 분리막의 물성 측정 결과이다.
도 8은 실험예 3의 UiO-66 나노입자 결함 농도에 따른 기체분리 성능 평가 결과이다.
도 9는 실험예 4의 고분자 매트릭스 종류에 따른 C3H6/C3H8 분리성능 평가 결과이다.
1 is a schematic diagram of a polymer membrane according to an embodiment of the present invention.
2 is a SEM image of UiO-66 nanoparticles according to a preparation example of the present invention.
3 is an XRD analysis result according to Experimental Example 1.
4 is a BET analysis result according to Experimental Example 1.
5 is an isothermal adsorption line according to Experimental Example 1.
6 is an SEM image of a composite polymer separator according to Experimental Example 2.
7 is a measurement result of the physical properties of the composite polymer membrane according to Experimental Example 2.
8 is a gas separation performance evaluation result according to the UiO-66 nanoparticle defect concentration of Experimental Example 3.
9 is C 3 H 6 /C 3 H 8 according to the type of polymer matrix of Experimental Example 4 This is the separation performance evaluation result.

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.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하도록 한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those of ordinary skill in the art can easily carry out the present invention.

그러나, 이하의 설명은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.However, the following description is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and when it is determined that detailed descriptions of related known techniques may obscure the gist of the present invention in describing the present invention, the detailed description thereof will be omitted. .

본원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is used only to describe specific embodiments, and is not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate that a feature, number, step, operation, element, or combination thereof described in the specification exists, but is one or more other features or It should be understood that the possibility of the presence or addition of numbers, steps, acts, elements, or combinations thereof is not precluded in advance.

이하, 본 발명의 복합 고분자 분리막에 대해 설명하도록 한다.Hereinafter, the composite polymer membrane of the present invention will be described.

본 발명의 복합 고분자 분리막은 고분자 분리막 소재; 및 상기 고분자 분리막 소재에 분산되고, 결함이 제어된 금속유기구조체(Metal-organic framework, MOF) 나노입자;를 포함하는 것을 특징으로 한다.The composite polymer membrane of the present invention includes a polymer membrane material; and metal-organic framework (MOF) nanoparticles dispersed in the polymer membrane material and having a controlled defect.

상기 결함이 제어된 금속유기구조체(Metal-organic framework, MOF) 나노입자는 금속유기구조체 나노입자 제조시 모노카르복실산계 화합물을 첨가에 의해 금속유기구조체 내부에 결함 생성이 유도된 것일 수 있다.The metal-organic framework (MOF) nanoparticles in which the defects are controlled may be those in which defects are induced in the metal-organic framework by adding a monocarboxylic acid-based compound when the metal-organic framework (MOF) nanoparticles are manufactured.

상기 모노카르복실산계 화합물 첨가제는 금속유기구조체(MOF) 제조시 입자 성장을 방해하여 구조 내부에 결합을 형성할 수 있다.The monocarboxylic acid-based compound additive may interfere with particle growth during the manufacture of a metal-organic structure (MOF) to form a bond within the structure.

상기 모노카르복실산계 화합물은 R-COOH로 표시되고, 상기 R은 -CF3, -CCl3, 또는 C1 내지 C10 알킬기인 것인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 상기 R은 -CF3 또는 -CCl3이고, 더욱 더 바람직하게는 상기 모노칼복실산계 화합물은 트리플루오로아세트산(Trifluoroacetic acid) 일 수 있다.The monocarboxylic acid-based compound is represented by R-COOH, wherein R is -CF 3 , -CCl 3 , or a C1 to C10 alkyl group. More preferably, R is -CF 3 or -CCl 3 , and even more preferably, the monocarboxylic acid-based compound may be trifluoroacetic acid.

상기 복합 고분자 분리막 총중량을 기준으로 상기 결함이 제어된 금속유기구조체(Metal-organic framework, MOF) 나노입자의 함량은 10 내지 50 wt% 인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 15 내지 45wt%, 더욱 더 바람직하게는 20 내지 40wt% 일 수 있다. 10wt% 미만인 경우에는 투과도 향상의 효과가 충분치 않으며, 50wt%를 초과하는 경우에는 복합 고분자 분리막의 내구성이 저하되고, 선택도의 유지가 어려울 수 있다.Based on the total weight of the composite polymer separator, the content of the metal-organic framework (MOF) nanoparticles with controlled defects is preferably 10 to 50 wt%, more preferably 15 to 45 wt%, even more Preferably, it may be 20 to 40 wt%. If it is less than 10 wt %, the effect of improving the transmittance is not sufficient, and if it exceeds 50 wt %, the durability of the composite polymer separator may be deteriorated, and it may be difficult to maintain selectivity.

상기 고분자 분리막 소재는 폴리이미드, 폴리술폰, 셀룰로오스 아세테이트, 폴리카보네이트, 과불소계 고분자(perfluoropolymer), 실록산 고분자 및 폴리아세틸렌 고분자 중에서 선택된 어느 하나의 계열일 수 있고, 바람직하게는 폴리이미드 또는 폴리술폰 계열일 수 있다.The polymer membrane material may be any one series selected from polyimide, polysulfone, cellulose acetate, polycarbonate, perfluoropolymer, siloxane polymer, and polyacetylene polymer, preferably polyimide or polysulfone series can

더욱 바람직하게는, 상기 폴리이미드 계열의 고분자 분리막 소재는 6FDA-DAM, 6FDA-DAM-OH, PIM-6FDA-OH, 6FDA-6FpDA, 6FDA-DABA, Matrimid, 6FDA-6FpDA:DABA 공중합체, 및 6FDA-DAM:DABA 공중합체 중에서 선택된 어느 하나일 수 있으나, 본 발명의 범위가 여기에 한정되지 않으며 금속유기구조체와 복합화하여 계면 안정성을 나타낼 수 있는 다양한 고분자 분리막 소재가 적용될 수 있다.More preferably, the polyimide-based polymer membrane material is 6FDA-DAM, 6FDA-DAM-OH, PIM-6FDA-OH, 6FDA-6FpDA, 6FDA-DABA, Matrimid, 6FDA-6FpDA: DABA copolymer, and 6FDA -DAM: It may be any one selected from DABA copolymers, but the scope of the present invention is not limited thereto, and various polymer membrane materials capable of exhibiting interfacial stability by complexing with a metal-organic structure may be applied.

상기 금속유기구조체(Metal-organic framework, MOF)는 UiO-66, MFU-4l, ZIF-8, MIL-53, MIL-100, MIL-101, MIL-96, MIL-100, CALF-25, CAU-10, DUT-51, DUT-67, FMOF-1, MIL-100, MIL-101, MIL-125, MIL-127, MOF-525, MOF-545, MOF-801, MOF-802, MOF-804, MOF-841, Ni-NIC, NU-1000, PCN-225, PCN-222, PCN-224, SCUTC-18 등을 적용할 수 있다. The metal-organic framework (MOF) is UiO-66, MFU-4l, ZIF-8, MIL-53, MIL-100, MIL-101, MIL-96, MIL-100, CALF-25, CAU -10, DUT-51, DUT-67, FMOF-1, MIL-100, MIL-101, MIL-125, MIL-127, MOF-525, MOF-545, MOF-801, MOF-802, MOF-804 , MOF-841, Ni-NIC, NU-1000, PCN-225, PCN-222, PCN-224, SCUTC-18, etc. can be applied.

바람직하게는 산소 기능기를 가지고 있어 고분자 매트릭스와 인력이 작용하는 UiO-66, ZIF-8, MIL-53, MIL-101, MIL-125, MOF-801 및 Ni-NTC 중에서 선택된 어느 하나의 MOF를 사용할 수 있다.Preferably, any one MOF selected from UiO-66, ZIF-8, MIL-53, MIL-101, MIL-125, MOF-801, and Ni-NTC, which has an oxygen functional group and has an attractive force with the polymer matrix, may be used. can

상기 복합 고분자 분리막은 이산화탄소 포집, 천연가스 정제, 석유화학 증류공정, 수소정제 공정, 정수처리, 및 역삼투 해수담수화 중에서 선택된 어느 하나의 분리막용으로 사용될 수 있다.The composite polymer membrane may be used for any one membrane selected from carbon dioxide capture, natural gas purification, petrochemical distillation process, hydrogen purification process, water purification, and reverse osmosis seawater desalination.

상기 복합 고분자 분리막은 전자 소자, 전극, 패키징, 및 센서 중에서 선택된 어느 하나에 사용될 수도 있다.The composite polymer separator may be used in any one selected from electronic devices, electrodes, packaging, and sensors.

이하 본 발명의 복합 고분자 분리막의 제조방법에 대해 설명하도록 한다.Hereinafter, a method for manufacturing the composite polymer membrane of the present invention will be described.

먼저, 금속전구체, 유기리간드, 물 및 모노카르복실산계 화합물 첨가제를 유기용매에 넣어 반응시켜 금속유기구조체 내부 구조에 결함을 유도함으로써 결함이 제어된 금속유기구조체((Metal-organic framework, MOF) 나노입자를 제조한다(단계 a).First, metal-organic framework (MOF) nano-structures in which defects are controlled by inducing defects in the internal structure of metal-organic structures by reacting metal precursors, organic ligands, water, and monocarboxylic acid-based compound additives in an organic solvent Particles are prepared (step a).

상기 금속전구체와 모노카르복실산계 화합물 첨가제의 몰당량비는 1:5 내지 1:40인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 1:10 내지 1:40, 더욱 더 바람직하게는 1:20 내지 1:40, 가장 바람직하게는 1:30 내지 1:40 일 수 있다. 모노카르복실산계 화합물 첨가제가 상기 하한 미만인 경우 금속유기구조체의 결함 형성이 부족하여 최종 제조되는 복합 고분자 분리막의 투과도 향상 효과가 저하될 수 있고, 상한을 초과하는 경우에는 금속유기구조체의 합성이 제대로 이루어지지 못할 수 있다.The molar equivalent ratio of the metal precursor and the monocarboxylic acid compound additive is preferably 1:5 to 1:40, more preferably 1:10 to 1:40, even more preferably 1:20 to 1:40. , most preferably 1:30 to 1:40. If the monocarboxylic acid-based compound additive is less than the lower limit, the defect formation of the metal-organic structure may be insufficient, and the effect of improving the permeability of the composite polymer separator finally manufactured may be reduced. may not be able to support

상기 금속전구체에 포함되는 금속이온은 Li+, Na+, K+, Rb+, Be2+, Mg2+, Ca2+, Sr2+, Ba2+, Sc3+, Y3+, Ti4+, Zr4+, Hf+, V4+, V3+, V2+, Nb3+, Ta3+, Cr3+, Mo3+, W3+, Mn3+, Mn2+, Re3+, Re2+, Fe3+, Fe2+, Ru3+, Ru2+, Os3+, Os2+, Co3+, Co2+, Rh2+, Rh+, Ir2+, Ir+, Ni2+, Ni+, Pd2+, Pd+, Pt2+, Pt+, Cu2+, Cu+, Ag+, Au+, Zn2+, Cd2+, Hg2+, Al3+, Ga3+, In3+, Tl3+, Si4+, Si2+, Ge4+, Ge2+, Sn4+, Sn2+, Pb4+, Pb2+, As5+, As3+, As+, Sb5+, Sb3+, Sb+, Bi5+, Bi3+ 및 Bi+ 중에서 선택된 어느 하나일 수 있고, 바람직하게는 Zr4+일 수 있으며, 그 이유는 높은 산화수를 가지기 때문에 다수의 리간드와 착화물을 형성할 수 있어 열적, 물리적, 화학적 안정성이 높아 구조 내부의 결함 조절을 용이하게 할 수 있기 때문이다.Metal ions included in the metal precursor are Li + , Na + , K + , Rb + , Be 2+ , Mg 2+ , Ca 2+ , Sr 2+ , Ba 2+ , Sc 3+ , Y 3+ , Ti 4+ , Zr 4+ , Hf + , V 4+ , V 3+ , V 2+ , Nb 3+ , Ta 3+ , Cr 3+ , Mo 3+ , W 3+ , Mn 3+ , Mn 2+ , Re 3+ , Re 2+ , Fe 3+ , Fe 2+ , Ru 3+ , Ru 2+ , Os 3+ , Os 2+ , Co 3+ , Co 2+ , Rh 2+ , Rh + , Ir 2+ , Ir + , Ni 2+ , Ni + , Pd 2+ , Pd + , Pt 2+ , Pt + , Cu 2+ , Cu + , Ag + , Au + , Zn 2+ , Cd 2+ , Hg 2+ , Al 3+ , Ga 3+ , In 3+ , Tl 3+ , Si 4+ , Si 2+ , Ge 4+ , Ge 2+ , Sn 4+ , Sn 2+ , Pb 4+ , Pb 2+ , As 5 It may be any one selected from + , As 3+ , As + , Sb 5+ , Sb 3+ , Sb + , Bi 5+ , Bi 3+ and Bi + , preferably Zr 4+ . This is because because it has a high oxidation number, it can form complexes with a number of ligands, and thus has high thermal, physical, and chemical stability, thereby facilitating the control of defects in the structure.

상기 유기리간드는 벤젠-1,4-디카르복실산(benzene-1,4-dicarboxylic acid), 벤젠-1,3,5-트리카르복실산(benzene-1,3,5-tricarboxylic acid), 2-메틸이미다졸(2-methylimidazole), 에탄디오산(ethanedioic acid), 프로판디오산(propanedioic acid), 부탄디오산(butanedioic acid), 펜탄디오산(pentanedioic acid), 프탈산(phthalic acid), 2-히드록시-1,2,3-프로판트리카르복실산(2-hydroxy-1,2,3-propanetricarboxylic acid), 1H-1,2,3-트리아졸(1H-1,2,3-triazole), 1H-1,2,4-트리아졸(1H-1,2,4-triazole) 및 3,4-디히드록시-3-사이클로부텐-1,2-디온(3,4-dihydroxy-3-cyclobutene-1,2-dione) 중에서 선택된 어느 하나일 수 있고, 바람직하게는 벤젠-1,4-디카르복실산(benzene-1,4-dicarboxylic acid) 또는 벤젠-1,3,5-트리카르복실산(benzene-1,3,5-tricarboxylic acid)일 수 있고, 이는 Zr4+와 착화물을 형성할 수 있어 구조 내부의 결함 조절이 용이하기 때문이다.The organic ligand is benzene-1,4-dicarboxylic acid (benzene-1,4-dicarboxylic acid), benzene-1,3,5-tricarboxylic acid (benzene-1,3,5-tricarboxylic acid), 2-methylimidazole, ethanedioic acid, propanedioic acid, butanedioic acid, pentanedioic acid, phthalic acid, 2-hydroxy-1,2,3-propanetricarboxylic acid, 1H-1,2,3-triazole (1H-1,2,3- triazole), 1H-1,2,4-triazole (1H-1,2,4-triazole) and 3,4-dihydroxy-3-cyclobutene-1,2-dione (3,4-dihydroxy- 3-cyclobutene-1,2-dione), preferably benzene-1,4-dicarboxylic acid or benzene-1,3,5- It may be a tricarboxylic acid (benzene-1,3,5-tricarboxylic acid), because it can form a complex with Zr 4+ , so that it is easy to control defects in the structure.

다음으로, 고분자 분리막 소재와 상기 결함이 제어된 금속유기구조체(Metal-organic framework, MOF) 나노입자를 복합화한다(단계 b).Next, the polymer membrane material and the metal-organic framework (MOF) nanoparticles in which the defects are controlled are complexed (step b).

상기 결함이 제어된 금속유기구조체(Metal-organic framework, MOF) 나노입자는 상기 복합 고분자 분리막의 총중량을 기준으로 10 내지 50wt% 포함되도록 하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 15 내지 40wt%, 더욱 더 바람직하게는 20 내지 40wt% 포함되도록 복합화할 수 있다. 10wt% 미만인 경우에는 복합 고분자 분리막의 투과도 상승 효과가 미흡할 수 있고, 40wr% 초과하는 경우에는 복합 고분자 분리막의 내구성이 저하되고, 선택도의 유지가 어려울 수 있다. The defect-controlled metal-organic framework (MOF) nanoparticles are preferably included in 10 to 50 wt% based on the total weight of the composite polymer separator, more preferably 15 to 40 wt%, even more Preferably, it can be complexed to contain 20 to 40 wt%. If it is less than 10wt%, the effect of increasing the permeability of the composite polymer membrane may be insufficient, and if it exceeds 40wr%, the durability of the composite polymer membrane may be deteriorated, and it may be difficult to maintain selectivity.

본 발명은 상술한 복합 고분자 분리막을 포함하는 기체 분리 시스템을 제공한다.The present invention provides a gas separation system including the above-described composite polymer membrane.

또한, 본 발명은 상술한 복합 고분자 분리막을 포함하는 수처리 시스템을 제공한다.In addition, the present invention provides a water treatment system including the above-described composite polymer membrane.

이하에서는 본 발명에 따른 실시예를 들어 구체적으로 설명하도록 한다.Hereinafter, examples according to the present invention will be described in detail.

[실시예][Example]

제조예 1: 결함이 제어된 UiO-66 나노입자(UiO-TF6)의 합성Preparation Example 1: Synthesis of UiO-66 nanoparticles (UiO-TF6) with controlled defects

UiO-66 나노입자는 금속 유기 구조체(Metal-organic framework, MOF)의 일종으로서 높은 비표면적(~1,000 m2/g), 분자 수준의 기공크기(6.0 Å), 높은 열적 및 화학적 안정성을 가지는 나노물질이다.UiO-66 nanoparticles are a type of metal-organic framework (MOF). They have high specific surface area (~1,000 m 2 /g), molecular-level pore size (6.0 Å), and high thermal and chemical stability. is a substance

먼저, 염화지르코늄(ZrCl4) 0.862g, 유기리간드인 H2BDC(benzene-1,4-dicarboxylic acid) 0.615g, 물 0.2g, 첨가제인 트리플루오로아세트산(Trifluoroacetic acid, TFA) 2.531g을 DMF 용매 94.4g에 넣고 70℃에서 교반하였다. 다시 말해, ZrCl4, H2BDC, 물, TFA, DMF의 몰당량비는 1:1:3:6:350이다.First, 0.862 g of zirconium chloride (ZrCl 4 ), 0.615 g of H 2 BDC (benzene-1,4-dicarboxylic acid) as an organic ligand, 0.2 g of water, and 2.531 g of trifluoroacetic acid (TFA) as an additive in DMF The solvent was added to 94.4 g and stirred at 70 °C. In other words, the molar equivalent ratio of ZrCl 4 , H 2 BDC, water, TFA, and DMF is 1:1:3:6:350.

다음으로 120℃의 컨벡션 오븐에서 72시간 동안 어닐링하여 얻어진 용액을 원심분리하여 흰색의 슬러리를 수득하였다. 이후, 흰색 슬러리를 70℃의 진공오븐에서 오버나이트하여 UiO-66 나노입자를 수득하였다.Next, the solution obtained by annealing in a convection oven at 120° C. for 72 hours was centrifuged to obtain a white slurry. Thereafter, the white slurry was overnight in a vacuum oven at 70° C. to obtain UiO-66 nanoparticles.

제조예 2: 결함이 제어된 UiO-66 나노입자(UiO-TF12)의 합성Preparation Example 2: Synthesis of UiO-66 nanoparticles (UiO-TF12) with controlled defects

트리플루오로아세트산(Trifluoroacetic acid, TFA)을 5.064g 첨가하여 ZrCl4과 TFA 몰당량비를 1:6 대신에 1:12로 사용한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 조건으로 결함이 제어된 UiO-66 나노입자를 합성하였다.UiO-66 in which defects were controlled under the same conditions as in Preparation Example 1 except that 5.064 g of trifluoroacetic acid (TFA) was added and the molar equivalent ratio of ZrCl 4 and TFA was 1:12 instead of 1:6 Nanoparticles were synthesized.

제조예 3: 결함이 제어된 UiO-66 나노입자(UiO-TF36)의 합성Preparation Example 3: Synthesis of UiO-66 nanoparticles (UiO-TF36) with controlled defects

트리플루오로아세트산(Trifluoroacetic acid, TFA)을 15.190g 첨가하여 ZrCl4과 TFA 몰당량비를 1:6 대신에 1:36으로 사용한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 조건으로 결함이 제어된 UiO-66 나노입자를 합성하였다.UiO-66 in which defects were controlled under the same conditions as in Preparation Example 1 except that 15.190 g of trifluoroacetic acid (TFA) was added and the molar equivalent ratio of ZrCl 4 and TFA was 1:36 instead of 1:6 Nanoparticles were synthesized.

비교제조예 1: UiO-66 나노입자의 합성Comparative Preparation Example 1: Synthesis of UiO-66 nanoparticles

트리플루오로아세트산(Trifluoroacetic acid, TFA)을 첨가하지 않은 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 조건으로 UiO-66 나노입자를 합성하였다.UiO-66 nanoparticles were synthesized under the same conditions as in Preparation Example 1 except that trifluoroacetic acid (TFA) was not added.

제조예 1 내지 3, 및 비교제조예 1에 따라 제조된 UiO-66 나노입자의 SEM 이미지를 도 2에 나타내었다.SEM images of UiO-66 nanoparticles prepared according to Preparation Examples 1 to 3 and Comparative Preparation Example 1 are shown in FIG. 2 .

실시예 1-1: 결함이 제어된 UiO-66 나노입자를 포함하는 복합 분리막Example 1-1: Composite Separation Membrane Containing Defect Controlled UiO-66 Nanoparticles

제조예 1에 따라 제조된 결함이 제어된 UiO-66 나노입자를 기체분리용 분리막 소재인 폴리이미드 계열 고분자인 하기 화학식 1로 표시되는 6FDA-DAM 매트릭스에 20 wt% 농도로 첨가되도록 초음파 분산기를 이용하여 1시간 동안 용매에 분산시킨 후 고분자를 첨가하여 고분자/UiO-66/용매 혼합용액을 제조 및 캐스팅 하는 방법으로 복합 분리막을 제조하였다.Using an ultrasonic disperser to add the defect-controlled UiO-66 nanoparticles prepared according to Preparation Example 1 to the 6FDA-DAM matrix represented by the following Chemical Formula 1, which is a polyimide-based polymer, which is a gas separation membrane material, at a concentration of 20 wt% After dispersing in a solvent for 1 hour, a composite separator was prepared by adding a polymer to prepare and casting a polymer/UiO-66/solvent mixed solution.

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112020095178017-pat00001
Figure 112020095178017-pat00001

실시예 1-2: 결함이 제어된 UiO-66 나노입자를 포함하는 복합 분리막Example 1-2: Composite Separation Membrane Containing Defect Controlled UiO-66 Nanoparticles

제조예 1 대신에 제조예 2에 따라 제조된 UiO-66 나노입자를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 조건으로 복합 분리막을 제조하였다.prepared according to Preparation Example 2 instead of Preparation Example 1 A composite separator was prepared under the same conditions as in Example 1-1 except that UiO-66 nanoparticles were used.

실시예 1-3: 결함이 제어된 UiO-66 나노입자를 포함하는 복합 분리막Example 1-3: Composite Separator Containing Defect Controlled UiO-66 Nanoparticles

제조예 1 대신에 제조예 3에 따라 제조된 UiO-66 나노입자를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 조건으로 복합 분리막을 제조하였다.Prepared according to Preparation Example 3 instead of Preparation Example 1 A composite separator was prepared under the same conditions as in Example 1-1 except that UiO-66 nanoparticles were used.

실시예 1-4: 결함이 제어된 UiO-66 나노입자를 포함하는 복합 분리막Example 1-4: Composite Separator Containing Defect Controlled UiO-66 Nanoparticles

UiO-66 나노입자를 20wt% 포함시키는 대신에 40wt% 포함시킨 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 조건으로 복합 분리막을 제조하였다.A composite separator was prepared under the same conditions as in Example 1-1, except that 40 wt% of UiO-66 nanoparticles were included instead of 20 wt%.

비교예 1: UiO-66 나노입자를 포함하는 복합 분리막Comparative Example 1: Composite Separation Membrane Containing UiO-66 Nanoparticles

제조예 1 대신에 비교제조예 1에 따라 제조된 UiO-66 나노입자를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 조건으로 복합 분리막을 제조하였다.Prepared according to Comparative Preparation Example 1 instead of Preparation Example 1 A composite separator was prepared under the same conditions as in Example 1-1 except that UiO-66 nanoparticles were used.

실시예 2: 결함이 제어된 UiO-66 나노입자를 포함하는 복합 분리막Example 2: Composite Membrane Containing Defect Controlled UiO-66 Nanoparticles

6FDA-DAM 매트릭스 대신에 하기 화학식 2로 표시되는 250℃에서 어닐링된 PIM-6FDA-OH 고분자 매트릭스를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1-3과 동일한 조건으로 복합 분리막을 제조하였다.A composite separator was prepared under the same conditions as in Example 1-3, except that a PIM-6FDA-OH polymer matrix annealed at 250° C. represented by the following Chemical Formula 2 was used instead of the 6FDA-DAM matrix.

[화학식 2][Formula 2]

Figure 112020095178017-pat00002
Figure 112020095178017-pat00002

실시예 3: 결함이 제어된 UiO-66 나노입자를 포함하는 복합 분리막Example 3: Composite Separation Membrane Containing Defect Controlled UiO-66 Nanoparticles

6FDA-DAM 매트릭스 대신에 하기 화학식 3으로 표시되는 Matrimid 고분자 매트릭스를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1-3과 동일한 조건으로 복합 분리막을 제조하였다.A composite separator was prepared under the same conditions as in Example 1-3, except that a Matrimid polymer matrix represented by the following Chemical Formula 3 was used instead of the 6FDA-DAM matrix.

[화학식 3][Formula 3]

Figure 112020095178017-pat00003
Figure 112020095178017-pat00003

실시예 4: 결함이 제어된 UiO-66 나노입자를 포함하는 복합 분리막Example 4: Composite Membrane Containing Defect Controlled UiO-66 Nanoparticles

6FDA-DAM 매트릭스 대신에 하기 화학식 4로 표시되는 폴리설폰(polysulfone, PSf) 고분자 매트릭스를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1-3과 동일한 조건으로 복합 분리막을 제조하였다.A composite separator was prepared under the same conditions as in Example 1-3, except that a polysulfone (PSf) polymer matrix represented by the following Chemical Formula 4 was used instead of the 6FDA-DAM matrix.

[화학식 4][Formula 4]

Figure 112020095178017-pat00004
Figure 112020095178017-pat00004

실시예 1 내지 4에 따른 결함이 제어된 나노입자를 도입한 고분자 복합 분리막의 제조의 개략도를 도 1에 나타내었다.A schematic diagram of the preparation of the polymer composite separator into which the nanoparticles with controlled defects according to Examples 1 to 4 were introduced is shown in FIG. 1 .

비교예 1: 순수 6FDA-DAM 분리막Comparative Example 1: Pure 6FDA-DAM Membrane

UiO-66 나노입자를 복합화하지 않고 6FDA-DAM 매트릭스만으로 분리막을 제조하였다.A separation membrane was prepared only with a 6FDA-DAM matrix without complexing UiO-66 nanoparticles.

비교예 2: UiO-66 나노입자를 포함하는 복합 분리막Comparative Example 2: Composite Separation Membrane Containing UiO-66 Nanoparticles

제조예 1의 결합 제어된 UiO-66 나노입자 대신에 비교제조예 1의 첨가제를 제외한 UiO-66 나노입자를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 조건으로 복합 분리막을 제조하였다.A composite separator was prepared under the same conditions as in Example 1-1, except that UiO-66 nanoparticles except for the additive of Comparative Preparation Example 1 were used instead of the binding-controlled UiO-66 nanoparticles of Preparation Example 1.

비교예 3: UiO-66 나노입자를 포함하는 복합 분리막Comparative Example 3: Composite Separation Membrane Containing UiO-66 Nanoparticles

UiO-66 나노입자를 20wt% 포함시키는 대신에 40wt% 포함시킨 것을 제외하고는 비교예 2와 동일한 조건으로 복합 분리막을 제조하였다.A composite separator was prepared under the same conditions as in Comparative Example 2, except that 40 wt% of UiO-66 nanoparticles were included instead of 20 wt%.

비교예 4: 순수 PIM-6FDA-OH Comparative Example 4: Pure PIM-6FDA-OH

UiO-66 나노입자를 복합화하지 않고 PIM-6FDA-OH 매트릭스만으로 분리막을 제조하였다.A separator was prepared only with a PIM-6FDA-OH matrix without complexing UiO-66 nanoparticles.

비교예 5: UiO-66 나노입자를 포함하는 복합 분리막Comparative Example 5: Composite Separation Membrane Containing UiO-66 Nanoparticles

6FDA-DAM 대신에 PIM-6FDA-OH 매트릭스를 사용한 것을 제외하고는 비교예 2와 동일한 조건으로 복합 고분자 분리막을 제조하였다.A composite polymer membrane was prepared under the same conditions as in Comparative Example 2, except that a PIM-6FDA-OH matrix was used instead of 6FDA-DAM.

비교예 6: 순수 MatrimidComparative Example 6: Pure Matrimid

UiO-66 나노입자를 복합화하지 않고 Matrimid 매트릭스만으로 분리막을 제조하였다.A separator was prepared only with a Matrimid matrix without complexing UiO-66 nanoparticles.

비교예 7: UiO-66 나노입자를 포함하는 복합 분리막Comparative Example 7: Composite Separation Membrane Containing UiO-66 Nanoparticles

6FDA-DAM 대신에 Matrimid 매트릭스를 사용한 것을 제외하고는 비교예 2와 동일한 조건으로 복합 고분자 분리막을 제조하였다.A composite polymer membrane was prepared under the same conditions as in Comparative Example 2, except that a Matrimid matrix was used instead of 6FDA-DAM.

비교예 8: 순수 MatrimidComparative Example 8: Pure Matrimid

UiO-66 나노입자를 복합화하지 않고 폴리술폰 매트릭스만으로 분리막을 제조하였다.A separator was prepared only with a polysulfone matrix without complexing UiO-66 nanoparticles.

비교예 9: UiO-66 나노입자를 포함하는 복합 분리막Comparative Example 9: Composite Separation Membrane Containing UiO-66 Nanoparticles

6FDA-DAM 대신에 폴리술폰 매트릭스를 사용한 것을 제외하고는 비교예 2와 동일한 조건으로 복합 고분자 분리막을 제조하였다.A composite polymer membrane was prepared under the same conditions as in Comparative Example 2, except that a polysulfone matrix was used instead of 6FDA-DAM.

[실험예][Experimental example]

실험예 1: 결함 제어된 UiO-66 나노입자의 구조 분석Experimental Example 1: Structural analysis of defect-controlled UiO-66 nanoparticles

X선 회절 분석기 (XRD) 분석을 통하여 제조예 1 내지 3, 및 비교제조예 1에 따라 각각 합성된 UiO-66 의 구조를 확인하여 그 결과를 도 3에 나타내었다. (a)는 XRD 스펙트럼이고, (b)는 낮은 2θ 영역(2-8°) 에서의 XRD 스펙트럼이다. 이에 따르면, 낮은 2θ 영역에서 XRD 피크가 상승하는 것으로 나타나 Reo phase 결함 즉, 리간드 결함 (missing linker) 및 금속-유기체 클러스터 결함 (missing cluster)이 많아진 것을 확인할 수 있었다.The structure of UiO-66 synthesized according to Preparation Examples 1 to 3 and Comparative Preparation Example 1 was confirmed through X-ray diffraction analysis (XRD) analysis, and the results are shown in FIG. 3 . (a) is an XRD spectrum, (b) is an XRD spectrum in the low 2θ region (2-8°). According to this, the XRD peak appeared to rise in the low 2θ region, confirming that Reo phase defects, that is, ligand defects (missing linker) and metal-organism cluster defects (missing cluster) increased.

또한, 제조예 1 내지 3, 및 비교제조예 1에 따라 제조된 UiO-66 나노입자의 BET 분석 결과를 도 4에 나타내었으며, (a)는 BET 등온 흡·탈착선, (b)는 미세기공(Micropore) 영역 기공분포 측정 결과이고, 아래의 표 1에 비표면적 분석 결과를 정리하였다.In addition, BET analysis results of UiO-66 nanoparticles prepared according to Preparation Examples 1 to 3 and Comparative Preparation Example 1 are shown in FIG. 4 , (a) is a BET isothermal adsorption/desorption line, (b) is a micropore (Micropore) This is the measurement result of the pore distribution in the region, and the results of the specific surface area analysis are summarized in Table 1 below.

구분division BET 표면적(m2/g)BET surface area (m 2 /g) UiO(비교제조예 1)UiO (Comparative Preparation Example 1) 868868 UiO-TF6(제조예 1)UiO-TF6 (Preparation Example 1) 11251125 UiO-TF12(제조예 2)UiO-TF12 (Preparation Example 2) 13441344 UiO-TF36(제조예 3)UiO-TF36 (Preparation Example 3) 14111411

이에 따르면, UiO-66 나노입자의 비표면적은 제조예 1 내지 3, 및 비교제조예 1의 UiO-66 나노입자가 각각 868, 1125, 1344, 1411 m2/g 으로 나타나, 첨가제인 트리플루오로아세트산(TF)의 농도가 증가할수록, 즉 UiO-66 나노입자 내부의 결함이 많아질수록 증가하는 경향을 나타내었다.한편, 제조예 1 내지 4, 및 비교제조예 1에 따라 제조된 UiO-66 나노입자의 등온 흡착선을 도 5에 나타내었다. (a)는 이산화탄소에 대한 등온 흡착선이고, (b)는 질소에 대한 등온 흡착선이다. 이에 따르면, 결함이 제어된 UiO-66 나노입자는 첨가제의 농도가 높아질수록, 즉 결함이 많아짐에 따라 더욱 높은 이산화탄소 및 질소 흡착량이 높게 나타났다.According to this, the specific surface area of the UiO-66 nanoparticles was 868, 1125, 1344, and 1411 m 2 /g for the UiO-66 nanoparticles of Preparation Examples 1 to 3 and Comparative Preparation Example 1, respectively, and the additive trifluoro There was a tendency to increase as the concentration of acetic acid (TF) increased, that is, as the number of defects inside the UiO-66 nanoparticles increased. On the other hand, UiO-66 prepared according to Preparation Examples 1 to 4 and Comparative Preparation Example 1 The isothermal adsorption line of the nanoparticles is shown in FIG. 5 . (a) is an isothermal adsorption line for carbon dioxide, and (b) is an isothermal adsorption line for nitrogen. According to this, UiO-66 nanoparticles with controlled defects showed higher adsorption amounts of carbon dioxide and nitrogen as the concentration of the additive increased, that is, as the number of defects increased.

실험예 2: 고분자 분리막의 구조 및 물성 분석Experimental Example 2: Analysis of Structure and Physical Properties of Polymer Separation Membrane

(a) 비교예 1의 순수 6FDA-DAM 분리막과 (b) 실시예 1-3의 6FDA-DAM 복합 분리막의 SEM 이미지를 도 6에 나타내었다.SEM images of (a) the pure 6FDA-DAM membrane of Comparative Example 1 and (b) the 6FDA-DAM composite membrane of Example 1-3 are shown in FIG. 6 .

또한, 실시예 1-1 내지 1-3에 따라 각각 제조된 복합 분리막, 비교예 1의 순수 6FDA-DAM 분리막, 비교예 2에 따라 제조된 6FDA-DAM 복합 분리막에 대한 (a) XRD 스펙트럼, (b) FT-IR 스펙트럼, (c) 온도에 따른 탄성률, (d) 온도에 따른 tan δ 값 및 유리전이온도(Tg) 측정 결과를 도 7에 나타내었다.In addition, (a) XRD spectrum of the composite separator prepared according to Examples 1-1 to 1-3, the pure 6FDA-DAM separator of Comparative Example 1, and the 6FDA-DAM composite separator prepared according to Comparative Example 2, ( b) FT-IR spectrum, (c) elastic modulus according to temperature, (d) tan δ value and glass transition temperature (T g ) measurement results according to temperature are shown in FIG. 7 .

이에 따르면, 실시예 1-1 내지 1-3에 따라 각각 제조된 6FDA-DAM 복합 분리막은 UiO-66의 결함 정도에 상관없이 균일한 나노입자/고분자 계면을 형성하는 것으로 나타났다.According to this, it was found that the 6FDA-DAM composite separators prepared according to Examples 1-1 to 1-3, respectively, formed a uniform nanoparticle/polymer interface regardless of the defect degree of UiO-66.

실험예 3: UiO-66 나노입자 결함 농도에 따른 기체분리 성능 평가Experimental Example 3: Gas separation performance evaluation according to the UiO-66 nanoparticle defect concentration

제조된 복합 분리막의 UiO-66 나노입자 결함 농도에 따른 기체 분리성능을 단일기체, 압력차 2 bar, 온도 35℃, 막면적 1.13 cm2 조건에서 평가하여 그 결과를 도 8 및 표 2에 나타내었다. 여기서, (a) H2/N2 분리성능, (b) CO2/N2 분리성능, (c) O2/N2 분리성능, (d) C3H6/C3H8 분리성능 분석 결과이고, 검정색 점은 비교예 1의 순수 6FDA-DAM 분리막, 빨간색 점은 실시예 1-1 내지 1-3의 결함이 제어된 UiO-66 나노입자를 포함한 6FDA-DAM 복합 분리막, 검정 실선은 고분자 분리막의 투과도-선택도 상한선을 나타내는 것이다.The gas separation performance according to the UiO-66 nanoparticle defect concentration of the prepared composite membrane was evaluated under the conditions of a single gas, a pressure difference of 2 bar, a temperature of 35° C., and a membrane area of 1.13 cm 2 The results are shown in FIG. 8 and Table 2. . Here, (a) H 2 /N 2 separation performance, (b) CO 2 /N 2 separation performance, (c) O 2 /N 2 separation performance, (d) C 3 H 6 /C 3 H 8 separation performance analysis Results, black dots are pure 6FDA-DAM membranes of Comparative Example 1, red dots are 6FDA-DAM composite membranes containing UiO-66 nanoparticles with controlled defects of Examples 1-1 to 1-3, black solid lines are polymers It represents the upper limit of the permeability-selectivity of the separation membrane.

분리막separator 비교예 1Comparative Example 1 비교예 2Comparative Example 2 실시예 1-1Example 1-1 실시예 1-2Example 1-2 실시예 1-3Examples 1-3 항목Item Permeabilty (Barrer)Permeabilty (Barrer) H2 H 2 556556 12071207 17281728 23682368 31623162 CO2 CO 2 595595 13581358 22492249 26972697 34703470 O2 O 2 113113 273273 453453 549549 699699 N2 N 2 30.730.7 78.578.5 130130 161161 208208 C3H6 C 3 H 6 21.421.4 8181 127127 184184 242242 C3H8 C 3 H 8 2.02.0 8.58.5 12.112.1 18.818.8 25.125.1 항목Item Ideal Selectivity (-)Ideal Selectivity (-) O2/N2 O 2 /N 2 3.73.7 3.53.5 3.53.5 3.43.4 3.43.4 CO2/N2 CO 2 /N 2 19.419.4 17.617.6 17.317.3 16.916.9 16.716.7 H2/N2 H 2 /N 2 18.218.2 15.615.6 13.313.3 14.814.8 15.215.2 C3H6/C3H8 C 3 H 6 /C 3 H 8 10.310.3 9.89.8 10.610.6 9.89.8 9.79.7

이에 따르면, 실시예 1-1 내지 1-3에 따라 각각 제조된 UiO-66/6FDA-DAM 복합 분리막의 기체분리 성능을 평가한 결과, 첨가된 UiO-66 나노입자의 결함농도가 높아질수록 기체 투과도가 더 높아지면서도 선택도는 저하되지 않고 유지되는 것으로 나타났다. 특히, 실시예 1-1 내지 1-3에 따라 각각 제조된 UiO-66/6FDA-DAM 복합 분리막은 비교예 1의 순수 고분자 매트릭스(6FDA-DAM)와 비교하여 투과도가 최대 10배 이상 향상되었을 뿐 아니라, 선택도는 유지되므로 기존 기체분리용 고분자 소재의 성능 지표와 비교해 보았을 때 월등히 높은 분리성능을 나타냄을 알 수 있었다. 본 발명의 복합 분리막은 특정 기체에 한정되지 않고 수소 정제, 이산화탄소 포집, 질소 부하, 올레핀/파라핀 분리 등의 응용에 광범위하게 사용될 수 있을 것으로 보인다.According to this, as a result of evaluating the gas separation performance of the UiO-66/6FDA-DAM composite membranes prepared according to Examples 1-1 to 1-3, the higher the defect concentration of the added UiO-66 nanoparticles, the higher the gas permeability. It was found that the selectivity was maintained without lowering even when In particular, the UiO-66/6FDA-DAM composite separator prepared according to Examples 1-1 to 1-3, respectively, has only improved transmittance up to 10 times or more compared to the pure polymer matrix (6FDA-DAM) of Comparative Example 1. However, since the selectivity is maintained, it can be seen that the separation performance is significantly higher when compared with the performance index of the existing polymer material for gas separation. The composite membrane of the present invention is not limited to a specific gas and is expected to be widely used in applications such as hydrogen purification, carbon dioxide capture, nitrogen loading, and olefin/paraffin separation.

UiO-66 나노입자와 같은 MOF 나노입자를 분리막 고분자에 복합화할 경우 MOF 나노입자의 농도를 높여 기체 투과도를 높일 수 있으나, 투과도가 높아짐과 동시에 선택도가 저하되는 문제가 발생하기 때문에 MOF 나노입자의 농도를 높이는 것으로 고분자 분리막의 분리성능을 향상시키지 못하였다. 그러나 본 발명의 복합 분리막은 MOF 나노입자의 농도를 20wt%로 최적화하여 고정하면서, 모노카르복실산 계열의 첨가제 함량을 조절하는 방법으로 투과도를 높이면서도 선택도가 저하되지 않고 유지되는 데에 특징이 있다.When MOF nanoparticles such as UiO-66 nanoparticles are complexed with a membrane polymer, gas permeability can be increased by increasing the concentration of MOF nanoparticles. Increasing the concentration did not improve the separation performance of the polymer membrane. However, the composite separator of the present invention is characterized in that the selectivity is maintained without lowering the selectivity while increasing the permeability by adjusting the content of the monocarboxylic acid-based additive while optimizing and fixing the concentration of the MOF nanoparticles to 20 wt%. have.

실험예 4: 고분자 매트릭스 종류에 따른 CExperimental Example 4: C according to the type of polymer matrix 33 HH 66 /C/C 33 HH 88 분리성능 평가 Separation performance evaluation

다양한 고분자 매트릭스를 이용한 복합 분리막의 UiO-66 나노입자 결함 농도에 따른 C3H6/C3H8 분리성능을 단일기체, 압력차 2 bar, 온도 35℃, 막면적 1.13 cm2 조건에서 평가하여 그 결과를 도 9 및 표 3에 나타내었다.The C 3 H 6 /C 3 H 8 separation performance according to the UiO-66 nanoparticle defect concentration of the composite separator using various polymer matrices was evaluated under the conditions of a single gas, a pressure difference of 2 bar, a temperature of 35℃, and a membrane area of 1.13 cm 2 . The results are shown in FIG. 9 and Table 3.

고분자매트릭스polymer matrix 분리막separator C3H6 투과도(Barrer)C 3 H 6 Permeability (Barrer) C3H6/C3H8 단일기체 선택도 (-)C 3 H 6 /C 3 H 8 Single gas selectivity (-) 6FDA-DAM6FDA-DAM 비교예 1(순수 고분자)Comparative Example 1 (pure polymer) 2121 10.310.3 비교예 2(+ UiO-66 20 wt%)Comparative Example 2 (+ UiO-66 20 wt%) 8787 9.89.8 비교예 3(+ UiO-66 40 wt%)Comparative Example 3 (+ UiO-66 40 wt%) 147147 8.98.9 실시예 1-3(+ D-UiO-66 20 wt%)Examples 1-3 (+ D-UiO-66 20 wt%) 237237 9.79.7 실시예 1-4(+ D-UiO-66 40 wt%)Examples 1-4 (+ D-UiO-66 40 wt%) 350350 9.49.4 PIM-6FDA-OHPIM-6FDA-OH 비교예 4(순수 고분자)Comparative Example 4 (pure polymer) 4.24.2 25.925.9 비교예 5(+ UiO-66 20 wt%)Comparative Example 5 (+ UiO-66 20 wt%) 8.88.8 22.522.5 실시예 2(+ D-UiO-66 20 wt%)Example 2 (+ D-UiO-66 20 wt%) 22.122.1 20.820.8 MatrimidMatrimid 비교예 6(순수 고분자)Comparative Example 6 (pure polymer) 0.090.09 12.112.1 비교예 7(+ UiO-66 20 wt%)Comparative Example 7 (+ UiO-66 20 wt%) 0.190.19 11.911.9 실시예 3(+ D-UiO-66 20 wt%)Example 3 (+ D-UiO-66 20 wt%) 0.330.33 10.510.5 Polysulfone(PSf)Polysulfone (PSf) 비교예 8(순수 고분자)Comparative Example 8 (pure polymer) 0.040.04 1.11.1 비교예 9(+ UiO-66 20 wt%)Comparative Example 9 (+ UiO-66 20 wt%) 0.070.07 1.41.4 실시예 4(+ D-UiO-66 20 wt%)Example 4 (+ D-UiO-66 20 wt%) 0.290.29 4.74.7

이에 따르면, 본 발명은 특정 고분자 매트릭스에 한정되지 않고 다양한 고분자 매트릭스에서 동등한 수준의 분리성능 향상 효과를 나타내었으므로 본 발명을 도입한 최적의 복합 분리막 설계를 유연하게 수행할 수 있음을 알 수 있었다.According to this, since the present invention is not limited to a specific polymer matrix and exhibits an effect of improving the separation performance at the same level in various polymer matrices, it can be seen that the optimal composite separator design incorporating the present invention can be flexibly performed.

이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.In the above, although embodiments of the present invention have been described, those of ordinary skill in the art can add, change, delete or add components within the scope that does not depart from the spirit of the present invention described in the claims. The present invention may be variously modified and changed by, etc., and this will also be included within the scope of the present invention.

Claims (15)

고분자 분리막 소재; 및
상기 고분자 분리막 소재에 분산되고, 결함이 제어된 금속유기구조체(Metal-organic framework, MOF) 나노입자;를 포함하고,
상기 고분자 분리막 소재는 폴리이미드, 폴리술폰, 셀룰로오스 아세테이트, 폴리카보네이트, 과불소계 고분자(perfluoropolymer), 실록산 고분자 및 폴리아세틸렌 고분자 중에서 선택된 어느 하나의 계열이고,
상기 결함이 제어된 금속유기구조체(MOF) 나노입자는 금속유기구조체 나노입자 제조시 모노카르복실산계 화합물을 첨가에 의해 금속유기구조체 내부에 결함 생성이 유도된 결함이 제어된 UiO-66이고,
상기 모노카르복실산계 화합물은 R-COOH로 표시되고, 상기 R은 -CF3, -CCl3, 또는 C1 내지 C10 알킬기인 것을 특징으로 하는 H2/N2, CO2/N2, O2/N2, 또는 C3H6/C3H8 기체 분리용 복합 고분자 분리막.
polymer membrane material; and
Dispersed in the polymer membrane material, and a defect-controlled metal-organic framework (MOF) nanoparticles;
The polymer membrane material is any one series selected from polyimide, polysulfone, cellulose acetate, polycarbonate, perfluoropolymer, siloxane polymer, and polyacetylene polymer,
The defect-controlled metal-organic structure (MOF) nanoparticles are UiO-66 in which the defects induced in the metal-organic structure are controlled by adding a monocarboxylic acid-based compound when manufacturing the metal-organic structure nanoparticles,
The monocarboxylic acid-based compound is represented by R-COOH, wherein R is -CF 3 , -CCl 3 , or C1 to C10 H 2 /N 2 , CO 2 /N 2 , O 2 / N 2 , or C 3 H 6 /C 3 H 8 Composite polymer membrane for gas separation.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 모노카르복실산계 화합물은 트리플루오로아세트산(Trifluoroacetic acid)인 것을 특징으로 하는 복합 고분자 분리막.
According to claim 1,
The monocarboxylic acid-based compound is a composite polymer membrane, characterized in that the trifluoroacetic acid (Trifluoroacetic acid).
제1항에 있어서,
상기 복합 고분자 분리막 총중량을 기준으로 상기 결함이 제어된 금속유기구조체(Metal-organic framework, MOF) 나노입자의 함량은 10 내지 50 wt% 인 것을 특징으로 하는 복합 고분자 분리막.
According to claim 1,
Based on the total weight of the composite polymer membrane, the content of the metal-organic framework (MOF) nanoparticles with controlled defects is 10 to 50 wt%.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 폴리이미드 계열의 고분자 분리막 소재는 6FDA-DAM, 6FDA-DAM-OH, PIM-6FDA-OH, 6FDA-6FpDA, 6FDA-DABA, Matrimid, 6FDA-6FpDA:DABA 공중합체, 및 6FDA-DAM:DABA 공중합체 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 복합 고분자 분리막.
According to claim 1,
The polyimide-based polymer membrane material is 6FDA-DAM, 6FDA-DAM-OH, PIM-6FDA-OH, 6FDA-6FpDA, 6FDA-DABA, Matrimid, 6FDA-6FpDA: DABA copolymer, and 6FDA-DAM: DABA public Composite polymer membrane, characterized in that any one selected from the coal.
삭제delete (a) 금속전구체, 유기리간드, 물 및 모노카르복실산계 화합물 첨가제를 유기용매에 넣어 반응시켜 금속유기구조체 내부 구조에 결함을 유도함으로써 결함이 제어된 금속유기구조체((Metal-organic framework, MOF) 나노입자를 제조하는 단계; 및
(b) 고분자 분리막 소재와 상기 결함이 제어된 금속유기구조체(Metal-organic framework, MOF) 나노입자를 복합화하는 단계;를 포함하고,
상기 금속전구체에 포함되는 금속이온은 Zr4+이고,
상기 결함이 제어된 금속유기구조체(MOF) 나노입자는 결함이 제어된 UiO-66이고,
상기 유기리간드는 벤젠-1,4-디카르복실산(benzene-1,4-dicarboxylic acid)이고,
상기 모노카르복실산계 화합물은 R-COOH로 표시되고, 상기 R은 -CF3, -CCl3, 또는 C1 내지 C10 알킬기인 것을 특징으로 하는 제1항의 H2/N2, CO2/N2, O2/N2, 또는 C3H6/C3H8 기체 분리용 복합 고분자 분리막의 제조방법.
(a) Metal-organic framework (MOF) in which defects are controlled by inducing defects in the internal structure of metal-organic structures by reacting metal precursors, organic ligands, water, and monocarboxylic acid-based compound additives in an organic solvent (Metal-organic framework, MOF) preparing nanoparticles; and
(b) complexing the polymer membrane material and the metal-organic framework (MOF) nanoparticles in which the defects are controlled;
The metal ion contained in the metal precursor is Zr 4+ ,
The defect-controlled metal organic structure (MOF) nanoparticles are defect-controlled UiO-66,
The organic ligand is benzene-1,4-dicarboxylic acid,
The monocarboxylic acid-based compound is represented by R-COOH, wherein R is -CF 3 , -CCl 3 , or C1 to C10 H 2 /N 2 , CO 2 /N 2 of claim 1, characterized in that it is an alkyl group. O 2 /N 2 , or C 3 H 6 /C 3 H 8 A method of manufacturing a composite polymer membrane for gas separation.
제9항에 있어서,
단계 (a)에서,
상기 금속전구체와 모노카르복실산계 화합물 첨가제의 몰당량비는 1:5 내지 1:40인 것을 특징으로 하는 복합 고분자 분리막의 제조방법.
10. The method of claim 9,
In step (a),
The method for producing a composite polymer membrane, characterized in that the molar equivalent ratio of the metal precursor and the monocarboxylic acid compound additive is 1:5 to 1:40.
제9항에 있어서,
단계 (b)에서.
상기 결함이 제어된 금속유기구조체(Metal-organic framework, MOF) 나노입자는 상기 복합 고분자 분리막의 총중량을 기준으로 10 내지 50wt% 포함되도록 하는 것을 특징으로 하는 복합 고분자 분리막의 제조방법.
10. The method of claim 9,
in step (b).
The method for manufacturing a composite polymer membrane, characterized in that the defect-controlled metal-organic framework (MOF) nanoparticles are included in an amount of 10 to 50 wt% based on the total weight of the composite polymer membrane.
삭제delete 삭제delete 제1항, 제4항, 제5항 및 제7항 중에서 선택된 어느 한 항의 복합 고분자 분리막을 포함하는 기체 분리 시스템.A gas separation system comprising the composite polymer membrane of any one of claims 1, 4, 5 and 7. 삭제delete
KR1020200114769A 2020-09-08 2020-09-08 Polymer separation membrane comprising defect-engineered nanoparticle and method for preparing the same KR102433978B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200114769A KR102433978B1 (en) 2020-09-08 2020-09-08 Polymer separation membrane comprising defect-engineered nanoparticle and method for preparing the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200114769A KR102433978B1 (en) 2020-09-08 2020-09-08 Polymer separation membrane comprising defect-engineered nanoparticle and method for preparing the same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20220032889A KR20220032889A (en) 2022-03-15
KR102433978B1 true KR102433978B1 (en) 2022-08-19

Family

ID=80816624

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200114769A KR102433978B1 (en) 2020-09-08 2020-09-08 Polymer separation membrane comprising defect-engineered nanoparticle and method for preparing the same

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102433978B1 (en)

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101394396B1 (en) 2012-08-06 2014-05-13 광주과학기술원 Porous polymer membrane with covalent bonding network structure and fabrication method thereof

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 7234-7254(2015.06.03.)*
Chem. Soc. Rev., 2020, 49, 6364-6401(2020.08.04.)*
J. Phys. Chem. C 2017, 121, 23471-23479(2017.09.21.)*
Journal of Membrane Science 558 (2018) 64-77(2018.04.26.)*

Also Published As

Publication number Publication date
KR20220032889A (en) 2022-03-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Hou et al. Polycrystalline advanced microporous framework membranes for efficient separation of small molecules and ions
Kang et al. Recent advances and challenges of metal–organic framework membranes for gas separation
US10526260B2 (en) Method for adsorption separation of propylene and propyne
US20210260535A1 (en) Uio-66-nh2 doped organosilicon high salinity wastewater treatment membrane and a preparation method thereof
Seoane et al. Crystallization in THF: the possibility of one-pot synthesis of mixed matrix membranes containing MOF MIL-68 (Al)
Cacho-Bailo et al. ZIF-8 continuous membrane on porous polysulfone for hydrogen separation
Wu et al. Adjustable pervaporation performance of Zr‐MOF/poly (vinyl alcohol) mixed matrix membranes
US20060230926A1 (en) Composite material, in particular composite membrane, and process for the production of the same
JP2017500204A (en) Mixed matrix polymer membrane
US20110138999A1 (en) Metal organic framework polymer mixed matrix membranes
JP2019537506A (en) Composite membrane and method for separating gas using the same
CN1910191A (en) Organometallic framework material, preparation and use
JP2013533100A (en) Organophilic polysilsesquioxane membranes for solvent nanofiltration and pervaporation
US6525236B1 (en) Membrane-augmented manufacture of cumene
EP2668995B1 (en) Method for preparing hydrophobic fluorinated mixed matrix membranes, said membranes, and separation methods using said membranes
CN110394062B (en) Preparation method of mixed matrix flat membrane of MOF particle modified nanotube filled silicone rubber
JP2008208110A (en) Porous metal complex, method for producing porous metal complex, adsorbing material, separation material, gas adsorbing material and hydrogen adsorbing material
Arjmandi et al. Study of Separation Behavior of Activated and Non-Activated MOF-5 as Filler on MOF-based Mixed-Matrix Membranes in H 2/CO 2 Separation
Zeng et al. Dual-role membrane as NH3 permselective reactor and azeotrope separator in urea alcoholysis
KR102433978B1 (en) Polymer separation membrane comprising defect-engineered nanoparticle and method for preparing the same
CN112934007A (en) Method for preparing ZIF-8/GO composite gas separation membrane by converting ZIF-8 precursor
Hamid et al. Flow synthesis of polycrystalline ZIF-8 membranes on polyvinylidene fluoride hollow fibers for recovery of hydrogen and propylene
Sanaeepur et al. Interior modification of nano-porous fillers to fabricate high performance mixed matrix membranes
US10751672B2 (en) Gas-permeable membrane
KR101996508B1 (en) Polymer membrane for olefin/paraffin gas separation and preparation method thereof

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant