KR102477822B1 - Carbon monoxide facilitated transport gas separation membrane and its manufacturing method - Google Patents

Carbon monoxide facilitated transport gas separation membrane and its manufacturing method Download PDF

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Abstract

본 발명은 기체분리막 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 공중합체, 은염 및 이온성 액체를 포함하는 복합물로 형성된 아크릴 선택층을 포함하는 기체분리막으로, 고상(solid state)를 가지고, 일산화탄소에 대한 우수한 선택도 및 투과도를 구현하여, 촉진수송 성능이 현저히 향상된 기체분리막 및 이의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a gas separation membrane and a manufacturing method thereof. More specifically, the present invention is a gas separation membrane comprising an acrylic selective layer formed of a composite including a copolymer represented by Formula 1, a silver salt and an ionic liquid, has a solid state, and has an excellent selection for carbon monoxide It relates to a gas separation membrane with significantly improved expedited transport performance by realizing conductivity and permeability, and a method for manufacturing the same.

Description

일산화탄소 촉진 수송 기체분리막 및 이의 제조방법{Carbon monoxide facilitated transport gas separation membrane and its manufacturing method}Carbon monoxide facilitated transport gas separation membrane and its manufacturing method

본 발명은 기체분리막 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 특히, 선택적 일산화탄소 촉진 수송 기체분리막 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a gas separation membrane and a manufacturing method thereof. In particular, it relates to a selective carbon monoxide-promoted transport gas separation membrane and a manufacturing method thereof.

일산화탄소(CO)는 생물학적, 화학적 전환으로 다양한 탄소화합물로 생산 가능하고, 특히, 알코올, 알데히드, 산과 같은 화합물질을 제조하기 위한 원료로 사용되어, 활용범위가 매우 넓은 가스이다.Carbon monoxide (CO) can be produced into various carbon compounds through biological and chemical conversion, and is used as a raw material for producing compounds such as alcohol, aldehyde, and acid, and is a gas with a very wide range of applications.

이러한 일산화탄소는 철강 산업에서 발생하는 부생 가스 중, blast furnace gas (BFG)나 Linz-Donawitz converter gas (LDG)에서 질소와 함께 다량으로 포함하고 있지만, 현재까지 고순도 및 저비용으로 분리회수하는 경제성 있는 분리정제기술이 부족하여, 저부가가치의 발전용으로 주로 사용되고 있는 실정이다.Carbon monoxide is included in a large amount along with nitrogen in blast furnace gas (BFG) or Linz-Donawitz converter gas (LDG) among by-product gases generated in the steel industry. Due to the lack of technology, it is mainly used for power generation with low added value.

종래 일산화탄소를 분리 및 회수하기 위한 기술로는, 염화구리를 이용한 가스 흡착방법, 심냉법(Cryogenics), CuAlCl4 와 유기용매를 이용한 Cosorb법, 흡착제를 이용한 VPSA법 등이 개발되고 활용되고 있다. 그러나, 심냉법을 이용하여 철강부생가스로부터 일산화탄소를 분리할 경우 일산화탄소와 질소의 비점이 비슷하여 선택적 분리가 어렵고(끓는점, CO: -191.5℃, N2: -195.9℃), CuAlCl4 와 톨루엔을 이용한 흡수법의 경우 수분에 매우 민감하여 엄격한 전처리 공정이 요구되고, 흡수제 재생 시 높은 열에너지를 요구되며, 고온 사용에 따른 유독성 용액의 누출로 인한 경제적, 환경문제 등을 가지고 있다. 또한, 제올라이트나 활성탄과 같은 기공성 물질을 CuCl2와 혼합하여 만든 흡착제의 경우 다성분의 혼합가스 상태에서 선택성과 흡착능을 유지하기 힘들어 효율적 측면에서 산업적으로 이용하는데 제약을 가지는 문제점이 있다.As conventional technologies for separating and recovering carbon monoxide, a gas adsorption method using copper chloride, cryogenics, a Cosorb method using CuAlCl 4 and an organic solvent, and a VPSA method using an adsorbent have been developed and utilized. However, when carbon monoxide is separated from steel by-product gas using the deep cooling method, the boiling points of carbon monoxide and nitrogen are similar, making selective separation difficult (boiling point, CO: -191.5℃, N 2 : -195.9℃), and CuAlCl 4 and toluene In the case of the absorption method used, it is very sensitive to moisture, requiring a strict pretreatment process, requiring high heat energy when regenerating the absorbent, and having economic and environmental problems due to leakage of toxic solution due to high temperature use. In addition, in the case of an adsorbent made by mixing a porous material such as zeolite or activated carbon with CuCl 2 , it is difficult to maintain selectivity and adsorption capacity in a multi-component mixed gas state, which limits industrial use in terms of efficiency.

상술한 문제점을 해결하고, 저비용, 고효율로의 일산화탄소를 분리하기 위하여, 분리막을 이용하는 방법이 개발되었으나, 이는 이온성 액체를 기재 내에 함침시킨 함침막(Supported ionic liquid membrane, SILM)인 액체 분리막(liquid membrane)으로서, 외부 가압에 의하여, 함침된 액체가 누출될 수 있고, 취급 및 안정성이 떨어지는 문제점을 가지고 있다.In order to solve the above problems and separate carbon monoxide with low cost and high efficiency, a method using a separation membrane has been developed, but this is a liquid separation membrane, which is a supported ionic liquid membrane (SILM) impregnated with an ionic liquid in a substrate As a membrane), the impregnated liquid may leak by external pressure, and it has problems in handling and stability.

이에 따라 일산화탄소의 선택적 분리성능이 우수하고, 취급성 및 안정성이 향상된, 고체상(solid state)의 기체분리막의 개발이 필요한 실정이다.Accordingly, it is necessary to develop a solid state gas separation membrane having excellent performance in selective separation of carbon monoxide and improved handling and stability.

한국 공개특허공보 제10-2013-0134500호(2012.05.31.)Korean Patent Publication No. 10-2013-0134500 (2012.05.31.)

본 발명의 목적은 일산화탄소의 선택적 분리성능이 우수하고, 이온성 액체를 함침시키지 않아, 취급성 및 안정성이 향상된 고체상(solid state)의 기체분리막 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다. An object of the present invention is to provide a solid state gas separation membrane with excellent performance in selective separation of carbon monoxide and improved handling and stability because it is not impregnated with an ionic liquid and a method for manufacturing the same.

구체적으로, 하기 화학식1로 표시되는 공중합체, 은염 및 이온성액체를 포함하는 복합물을 다공성 기재의 표면에 코팅하여 형성된 선택층을 포함함으로써, 일산화탄소의 선택적 투과도 및 촉진 수송 성능이 향상된 고체상 기체분리막 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다. 또한, 에너지 소모율이 낮고, 고효율로 일산화탄소의 분리 및 회수공정이 가능한 기체분리막을 제공하는 것이다. Specifically, a solid gas separation membrane with improved selective permeability and accelerated transport performance of carbon monoxide by including a selective layer formed by coating a composite including a copolymer represented by Formula 1, a silver salt, and an ionic liquid on the surface of a porous substrate, and It is to provide a manufacturing method thereof. In addition, it is to provide a gas separation membrane capable of separating and recovering carbon monoxide with low energy consumption and high efficiency.

[화학식1][Formula 1]

Figure 112021007041919-pat00001
Figure 112021007041919-pat00001

(상기 화학식 1에서,(In Formula 1 above,

상기 R1, R1'는 서로 동일하거나 상이하며 각각 독립적으로 수소 및 -CH3 중에서 선택되고,The R 1 and R 1 'are the same as or different from each other and are each independently selected from hydrogen and -CH 3 ,

상기 R2, R2'는 서로 동일하거나 상이하며, 각각 독립적으로 직쇄 또는 분지형의 C2~C6의 알킬렌기이고, The R 2 and R 2 'are the same as or different from each other, and are each independently a straight-chain or branched C2-C6 alkylene group,

상기 R3는 각각 독립적으로, 수소 또는 C1~C3의 알킬기이고, Wherein R 3 is each independently hydrogen or a C1-C3 alkyl group,

상기 x= 1 내지 300의 자연수, y= 1 내지 600의 자연수, z= 1 내지 3의 자연수이다.)Wherein x = a natural number from 1 to 300, y = a natural number from 1 to 600, and z = a natural number from 1 to 3.)

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 기체분리막은, 다공성 기재; 및 상기 다공성 기재의 표면에 형성된 아크릴계 선택층;을 포함하는 것을 특징으로 한다. The gas separation membrane of the present invention for solving the above problems includes a porous substrate; and an acrylic selection layer formed on the surface of the porous substrate.

본 발명의 일 실시예에 따른 기체분리막에 있어서, 상기 아크릴계 선택층은 하기 화학식 1로 표시되는 공중합체, 은염 및 이온성액체를 포함하는 복합물을 코팅하여 형성되는 것일 수 있다.In the gas separation membrane according to an embodiment of the present invention, the acrylic selective layer may be formed by coating a composite including a copolymer represented by Formula 1 below, a silver salt, and an ionic liquid.

[화학식1][Formula 1]

Figure 112021007041919-pat00002
Figure 112021007041919-pat00002

(상기 화학식 1에서,(In Formula 1 above,

상기 R1, R1'는 서로 동일하거나 상이하며 각각 독립적으로 수소 및 -CH3 중에서 선택되고, 상기 R2, R2'는 서로 동일하거나 상이하며, 각각 독립적으로 직쇄 또는 분지형의 C2~C6의 알킬렌기이고, 상기 R3는 각각 독립적으로, 수소 또는 C1~C3의 알킬기이고, 상기 x= 1 내지 300의 자연수, y= 1 내지 600의 자연수, z= 1 내지 3의 자연수이다.)Wherein R 1 and R 1 'are the same as or different from each other and are each independently selected from hydrogen and -CH 3 , wherein R 2 and R 2 'are the same as or different from each other, and are each independently straight-chain or branched C2 to C6 is an alkylene group, wherein R 3 is each independently hydrogen or a C1-C3 alkyl group, where x = a natural number of 1 to 300, y = a natural number of 1 to 600, and z = a natural number of 1 to 3.)

본 발명의 일 실시예에 따른 기체분리막에 있어서, 상기 공중합체는 화학식 2로 표시되는 화합물과, 화학식 3으로 표시되는 화합물이 중량비로 7 : 3 내지 3 : 7 로 반응한 것일 수 있다.In the gas separation membrane according to an embodiment of the present invention, the copolymer may be obtained by reacting the compound represented by Chemical Formula 2 and the compound represented by Chemical Formula 3 at a weight ratio of 7:3 to 3:7.

[화학식 2][Formula 2]

Figure 112021007041919-pat00003
Figure 112021007041919-pat00003

(상기 화학식2에서, 상기 R1는 각각 독립적으로 수소 및 -CH3 중에서 선택되고, 상기 R2, R2'는 서로 동일하거나 상이하며, 각각 독립적으로 직쇄 또는 분지형의 C2~C6의 알킬렌기이고, 상기 R3는 각각 독립적으로, 수소 또는 C1~C3의 알킬기이고, 상기 z= 1 내지 3의 자연수이다.)(In Formula 2, R 1 is each independently selected from hydrogen and -CH 3 , R 2 and R 2 ′ are the same as or different from each other, and are each independently a straight-chain or branched C2-C6 alkylene group. And, wherein R 3 is each independently hydrogen or a C1-C3 alkyl group, and z= is a natural number of 1 to 3.)

[화학식 3][Formula 3]

Figure 112021007041919-pat00004
Figure 112021007041919-pat00004

(상기 화학식 3에서, 상기 R1'은 서로 독립적으로 수소 또는 -CH3 이다.)(In Formula 3, R 1 'are independently hydrogen or -CH 3 .)

본 발명의 일 실시예에 따른 기체분리막에 있어서, 상기 이온성 액체는 유기양이온과 음이온으로 구성되어 있으며, 상기 양이온으로는 디알킬이미다졸륨, 알킬피리디늄, 4급 암모늄 및 4급 포스포늄에서 선택되는 어느 하나의 양이온이며, 상기 음이온으로는 NO3 -, BF4 -, PF6 -, AlCl4 -, Al2Cl7 -, TfO-(Trifluoromethanesulfonate), Tf2N-(Trifluoromethanesulfonylamide) 및 CH3CH(OH)CO2-(L-lactate) 중에서 선택되는 어느 하나의 음이온일 수 있다.In the gas separation membrane according to an embodiment of the present invention, the ionic liquid is composed of organic cations and anions, and the cations include dialkylimidazolium, alkylpyridinium, quaternary ammonium, and quaternary phosphonium. Any one cation selected, and the anion includes NO 3 - , BF 4 - , PF 6 - , AlCl 4 - , Al 2 Cl 7 - , TfO-(Trifluoromethanesulfonate), Tf 2 N-(Trifluoromethanesulfonylamide) and CH 3 It may be any one anion selected from CH(OH)CO 2 -(L-lactate).

본 발명의 일 실시예에 따른 기체분리막에 있어서, 상기 복합물은, 상기 화학식 1로 표시되는 공중합체 100 중량부에 대하여, 은염 200 내지 500 중량부, 이온성 액체 20 내지 50 중량부로 포함하는 것일 수 있다.In the gas separation membrane according to an embodiment of the present invention, the composite may include 200 to 500 parts by weight of a silver salt and 20 to 50 parts by weight of an ionic liquid based on 100 parts by weight of the copolymer represented by Formula 1 there is.

본 발명의 일 실시예에 따른 기체분리막에 있어서, 상기 다공성 기재의 표면은 추가적인 거터층이 더 형성된 것일 수 있다.In the gas separation membrane according to an embodiment of the present invention, an additional gutter layer may be further formed on the surface of the porous substrate.

본 발명의 일 실시예에 따른 기체분리막에 있어서, 상기 거터층은 실록산계 고분자 또는 치환계 폴리아세틸렌을 포함하는 것일 수 있다.In the gas separation membrane according to an embodiment of the present invention, the gutter layer may include a siloxane-based polymer or a substituted polyacetylene.

본 발명의 일 실시예에 따른 기체분리막에 있어서, 상기 선택층의 두께는 300 ㎚ 내지 1,000 ㎚인 것일 수 있다.In the gas separation membrane according to an embodiment of the present invention, the thickness of the selection layer may be 300 nm to 1,000 nm.

본 발명의 일 실시예에 따른 기체분리막에 있어서, 상기 기체분리막은, 25 ℃1 bar에서의 CO/N2 선택도가 2.0 이상인 것일 수 있다.In the gas separation membrane according to an embodiment of the present invention, the gas separation membrane may have a CO/N 2 selectivity of 2.0 or more at 25 °C 1 bar.

본 발명의 일 실시예에 따른 기체분리막에 있어서, 상기 기체분리막은, 일산화탄소를 선택적으로 촉진 수송(facilitated transport) 분리하는 용도인 것일 수 있다.In the gas separation membrane according to an embodiment of the present invention, the gas separation membrane may be used to selectively separate carbon monoxide through facilitated transport.

본 발명은 상술한 기체분리막의 제조방법을 포함한다.The present invention includes a method for manufacturing the gas separation membrane described above.

본 발명에 따른 기체분리막의 제조방법은, 하기 화학식 1로 표시되는 공중합체, 은염 및 이온성 액체를 포함하는 복합물을 제조하는 단계; 및 상기 복합물을 다공성 기재의 표면에 코팅 및 건조하여 아크릴계 선택층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.A method for manufacturing a gas separation membrane according to the present invention includes preparing a composite including a copolymer represented by Chemical Formula 1, a silver salt, and an ionic liquid; and forming an acrylic selective layer by coating and drying the composite on the surface of a porous substrate.

[화학식1][Formula 1]

Figure 112021007041919-pat00005
Figure 112021007041919-pat00005

(상기 화학식 1에서, 상기 R1, R1'는 서로 동일하거나 상이하며 각각 독립적으로 수소 및 -CH3 중에서 선택되고, 상기 R2, R2'는 서로 동일하거나 상이하며, 각각 독립적으로 직쇄 또는 분지형의 C2~C6의 알킬렌기이고, 상기 R3는 각각 독립적으로, 수소 또는 C1~C3의 알킬기이고, 상기 x= 1 내지 300의 자연수, y= 1 내지 600의 자연수, z= 1 내지 3의 자연수이다.)(In Formula 1, R 1 and R 1 'are the same as or different from each other and are each independently selected from hydrogen and -CH 3 , wherein R 2 and R 2 ' are the same as or different from each other, and each independently a straight-chain or A branched C2~C6 alkylene group, wherein R 3 is each independently hydrogen or a C1~C3 alkyl group, wherein x=a natural number of 1 to 300, y=a natural number of 1 to 600, z=1 to 3 is a natural number.)

본 발명의 일 실시예에 따른 기체분리막의 제조방법에 있어서, 상기 아크릴계 선택층을 형성하는 단계 이전에, 다공성 기재의 표면에 추가적인 거터층을 더 형성하는 단계를 포함하는 것일 수 있다.In the method for manufacturing a gas separation membrane according to an embodiment of the present invention, the step of forming an additional gutter layer on the surface of the porous substrate may be further included before the step of forming the acrylic selective layer.

본 발명에 따른 기체분리막은, 하기 화학식 1로 표시되는 공중합체, 은염 및 이온성액체를 포함하는 복합물로 형성된 선택층을 포함함으로써, 일산화탄소의 투과도 및 선택도가 모두 향상되어, 촉진수송 성능이 우수한 장점을 가진다. The gas separation membrane according to the present invention includes a selective layer formed of a composite including a copolymer represented by Formula 1 below, a silver salt, and an ionic liquid, so that both the permeability and selectivity of carbon monoxide are improved, and the facilitated transport performance is excellent. have an advantage

또한, 상기 선택층은 복합물의 도포 및 건조함으로써 간단히 형성이 가능하여, 대면적, 대용량화가 용이할 뿐만 아니라, 이온성 액체를 함침시키지 않는 고체상 기체분리막으로서, 취급이 용이하고, 작업 안정성 및 작동 안정성이 우수한 장점을 가진다. In addition, the selective layer can be formed simply by coating and drying the composite, so it is easy to have a large area and large capacity, and as a solid gas separation membrane that is not impregnated with an ionic liquid, it is easy to handle, work stability and operation stability has this excellent advantage.

[화학식1][Formula 1]

Figure 112021007041919-pat00006
Figure 112021007041919-pat00006

(상기 화학식 1에서,(In Formula 1 above,

상기 R1, R1'는 서로 동일하거나 상이하며 각각 독립적으로 수소 및 -CH3 중에서 선택되고,The R 1 and R 1 'are the same as or different from each other and are each independently selected from hydrogen and -CH 3 ,

상기 R2, R2'는 서로 동일하거나 상이하며, 각각 독립적으로 직쇄 또는 분지형의 C2~C6의 알킬렌기이고, The R 2 and R 2 'are the same as or different from each other, and are each independently a straight-chain or branched C2-C6 alkylene group,

상기 R3는 각각 독립적으로, 수소 또는 C1~C3의 알킬기이고, Wherein R 3 is each independently hydrogen or a C1-C3 alkyl group,

상기 x= 1 내지 300의 자연수, y= 1 내지 600의 자연수, z= 1 내지 3의 자연수이다.)Wherein x = a natural number from 1 to 300, y = a natural number from 1 to 600, and z = a natural number from 1 to 3.)

도 1은 본 발명의 실시예 1에서 제조한 중합체의 합성 모식도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3에서 각각 제조한 중합체의 구조와 결정성을 적외선 분광기(Fourier transform infrared spectroscopy, FT-IR), 핵자기 공명 분광법(Nuclear magnetic resonance spectroscopy, 1H-NMR), XRD(X-ray diffraction) 및 시차 주사 열량계(Differential scanning calorimeter, DSC)를 통해 분석한 결과를 각각 도 2(a) 내지 도2(d)에 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 및 비교예 3에서 제조한 기체분리막의 단면을 주사전자현미경(Scanning electron microscopy, SEM)을 통해 관찰하여 도 3에 나타낸 것이다
도 4는 본 발명의 실시예 1 내지 3에서 제조한 기체분리막의 표면을 투과전자현미경(Transmission Electron Microscope, TEM)을 통해 관찰하여 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1 내지 3에서 제조한 기체분리막의 아크릴계 선택층 내의 분자 간 상호 작용을 적외선 분광기(Fourier transform infrared spectroscopy, FT-IR) 분광기로 분석한 결과를 나타낸 것이다.
1 shows a schematic diagram of the synthesis of the polymer prepared in Example 1 of the present invention.
Figure 2 shows the structure and crystallinity of the polymers prepared in Examples 1 to 3 of the present invention by Fourier transform infrared spectroscopy (FT - IR), Nuclear magnetic resonance spectroscopy (1H- NMR), XRD (X-ray diffraction) and differential scanning calorimeter (DSC) analysis results are shown in FIGS. 2(a) to 2(d), respectively.
3 is a cross section of the gas separation membrane prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 3 of the present invention observed through a scanning electron microscope (SEM) and shown in FIG.
Figure 4 shows the surface of the gas separation membrane prepared in Examples 1 to 3 of the present invention observed through a transmission electron microscope (Transmission Electron Microscope, TEM).
5 shows the result of analyzing the interaction between molecules in the acrylic selective layer of the gas separation membrane prepared in Examples 1 to 3 of the present invention with a Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) spectrometer.

이하 첨부된 도면들을 포함한 구체예 또는 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 구체예 또는 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail through specific examples or examples including the accompanying drawings. However, the following specific examples or examples are only one reference for explaining the present invention in detail, but the present invention is not limited thereto, and may be implemented in various forms.

또한 달리 정의되지 않는 한, 모든 기술적 용어` 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본 발명에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 구체예를 효과적으로 기술하기 위함이고 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다. Also, unless defined otherwise, all technical terms and scientific terms have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms used in the description in the present invention are merely to effectively describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention.

또한 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다. Also, the singular forms used in the specification and appended claims may be intended to include the plural forms as well, unless the context dictates otherwise.

또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. In addition, when a certain component is said to "include", this means that it may further include other components without excluding other components unless otherwise stated.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 기체분리막 및 이의 제조방법을 제공한다. The present invention for achieving the above object provides a gas separation membrane and a manufacturing method thereof.

본 발명자는 일산화탄소의 선택적 분리 성능이 우수한, 고상의 기체분리막을 제조할 수 있는 방법에 대한 연구를 심화하였다. The present inventors have intensified research on a method for manufacturing a solid gas separation membrane with excellent performance for selective separation of carbon monoxide.

이에 따라 하기 화학식 1로 표시되는 공중합체, 은염 및 이온성액체를 포함하는 복합물을 다공성 기재의 표면에 코팅하여, 아크릴계 선택층을 형성함으로써, 고상(solid-state)을 가지고, 일산화탄소와 질소의 혼합기체에서, 우수한 일산화탄소 선택성을 가지며, 촉진 수송 성능이 우수한 기체분리가 가능한 점을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.Accordingly, a composite including a copolymer represented by Formula 1, a silver salt, and an ionic liquid is coated on the surface of a porous substrate to form an acrylic selective layer, thereby forming a solid-state and mixing carbon monoxide and nitrogen In the gas, it was confirmed that gas separation having excellent carbon monoxide selectivity and excellent accelerated transport performance was possible, and the present invention was completed.

[화학식1][Formula 1]

Figure 112021007041919-pat00007
Figure 112021007041919-pat00007

상기 화학식 1에서, 상기 R1, R1'는 서로 동일하거나 상이하며 각각 독립적으로 수소 및 -CH3 중에서 선택되고, 상기 R2, R2'는 서로 동일하거나 상이하며, 각각 독립적으로 직쇄 또는 분지형의 C2~C6의 알킬렌기이고, 상기 R3는 각각 독립적으로, 수소 또는 C1~C3의 알킬기이고, In Formula 1, R 1 and R 1 'are the same as or different from each other and are each independently selected from hydrogen and -CH 3 , and R 2 and R 2 ' are the same as or different from each other, and are each independently linear or branched. A C2~C6 alkylene group, wherein R 3 are each independently hydrogen or a C1~C3 alkyl group,

상기 x= 1 내지 300의 자연수, y= 1 내지 600의 자연수, z= 1 내지 3의 자연수이다. 상기 x는 바람직하게는 30 내지 200의 자연수일 수 있고, 상기 y는 바람직하게 300 내지 500의 자연수 일 수 있다.Wherein x = a natural number of 1 to 300, y = a natural number of 1 to 600, and z = a natural number of 1 to 3. The x may be preferably a natural number of 30 to 200, and the y may be a natural number of 300 to 500.

상기 화학식 1로 표시되는 화합물은 바람직하게는 하기 화학식 1a인 것일 수 있다. The compound represented by Formula 1 may preferably be of Formula 1a below.

[화학식 1a][Formula 1a]

Figure 112021007041919-pat00008
Figure 112021007041919-pat00008

상기 화학식 1a에서 상기 x= 35 내지 200의 자연수, y= 350 내지 500의 자연수, z= 1 내지 3의 자연수이다.In Formula 1a, x = a natural number of 35 to 200, y = a natural number of 350 to 500, and z = a natural number of 1 to 3.

이하, 본 발명의 기체분리막 및 이의 제조방법에 대하여 설명한다. Hereinafter, the gas separation membrane of the present invention and its manufacturing method will be described.

본 발명의 기체분리막은, 다공성 기재; 및 상기 다공성 기재의 표면에 형성된 아크릴계 선택층을 포함하는 것일 수 있다.The gas separation membrane of the present invention includes a porous substrate; and an acrylic selective layer formed on the surface of the porous substrate.

상기 다공성 기재는 공지된 다공성을 가지는 물질이나, 분리막으로 사용되는 것이라면 모두 사용이 가능하고, 구체적으로는 폴리설폰(Poly sulfone), 폴리에테르설폰(Poly ether sulfone) 및 폴리이미드(Poly imide) 중에서 선택된 1종 이상의 고분자로 형성된 것일 수 있고, 바람직하게는 폴리설폰으로 형성된 것일 수 있지만 다공성 기재라면 제한하지 않는다. 또한, 상기 다공성 기재는 더 높은 기체 투과도를 구현하기 위하여, 표면 상에 추가적인 거터층(gutter layer)을 더 구비할 수도 있다. 이 경우, 바람직한 일 실시예로서 상기 아크릴계 선택층은 상기 거터층의 표면 상에 형성되는 것일 수 있다.The porous substrate is a material having known porosity, but any material used as a separator can be used, and specifically, a material selected from poly sulfone, poly ether sulfone, and poly imide It may be formed of one or more types of polymers, preferably formed of polysulfone, but it is not limited as long as it is a porous substrate. In addition, the porous substrate may further include an additional gutter layer on the surface in order to realize higher gas permeability. In this case, as a preferred embodiment, the acrylic selective layer may be formed on the surface of the gutter layer.

상기 거터층(gutter layer)은 실록산계 고분자 또는 폴리아세틸렌계 고분자를 포함하는 것일 수 있으며, 상기 실록산계 고분자로는 폴리디메틸실록산(PDMS) 등을 포함할 수 있고, 상기 폴리아세틸렌계 중합체는 폴리[1-(트리메틸실릴)-1-프로파인](poly[1-(trimethylsilyl)-1-propyne], PTMSP), 폴리(4-메틸-1-펜텐)(Poly(4-methyl-1-pentene), PMP) 및 폴리(터틀-뷰틸아세틸렌)(poly(tert-butylacetylene), PTBA) 등에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The gutter layer may include a siloxane-based polymer or a polyacetylene-based polymer, and the siloxane-based polymer may include polydimethylsiloxane (PDMS) and the like, and the polyacetylene-based polymer may include poly[ 1-(trimethylsilyl)-1-propyne] (poly[1-(trimethylsilyl)-1-propyne], PTMSP), Poly(4-methyl-1-pentene) , PMP) and poly (tert-butylacetylene) (poly (tert-butylacetylene), PTBA), but may include one or more selected from the like, but is not limited thereto.

상기 아크릴계 선택층은, 하기 화학식 1로 표시되는 공중합체, 은염 및 이온성액체를 포함하는 복합물을 코팅하여 형성되는 것일 수 있다.The acrylic selective layer may be formed by coating a composite including a copolymer represented by Formula 1 below, a silver salt, and an ionic liquid.

[화학식1][Formula 1]

Figure 112021007041919-pat00009
Figure 112021007041919-pat00009

상기 화학식 1에서, 상기 R1, R1'는 서로 동일하거나 상이하며 각각 독립적으로 수소 및 -CH3 중에서 선택되고, 상기 R2, R2'는 서로 동일하거나 상이하며, 각각 독립적으로 직쇄 또는 분지형의 C2~C6의 알킬렌기이고, 상기 R3는 각각 독립적으로, 수소 또는 C1~C3의 알킬기이고, In Formula 1, R 1 and R 1 'are the same as or different from each other and are each independently selected from hydrogen and -CH 3 , and R 2 and R 2 ' are the same as or different from each other, and are each independently linear or branched chain. A topographical C2~C6 alkylene group, wherein each R 3 is independently hydrogen or a C1~C3 alkyl group,

상기 x= 1 내지 300의 자연수, y= 1 내지 600의 자연수, z= 1 내지 3의 자연수이다. 상기 x는 바람직하게는 30 내지 200의 자연수일 수 있고, 상기 y는 바람직하게 300 내지 500의 자연수 일 수 있다.Wherein x = a natural number of 1 to 300, y = a natural number of 1 to 600, and z = a natural number of 1 to 3. The x may be preferably a natural number of 30 to 200, and the y may be a natural number of 300 to 500.

상기 화학식 1로 표시되는 공중합체는 화학식 2로 표시되는 화합물과, 화학식 3으로 표시되는 화합물이 중량비로 9 : 1 내지 1 : 9로 반응한 것일 수 있고, 바람직하게는 7 : 3 내지 3 : 7 로 반응한 것일 수 있다.The copolymer represented by Chemical Formula 1 may be obtained by reacting the compound represented by Chemical Formula 2 with the compound represented by Chemical Formula 3 at a weight ratio of 9:1 to 1:9, preferably 7:3 to 3:7. may have reacted with

[화학식 2][Formula 2]

Figure 112021007041919-pat00010
Figure 112021007041919-pat00010

상기 화학식2에서, 상기 R1는 각각 독립적으로 수소 및 -CH3 중에서 선택되고, 상기 R2, R2'는 서로 동일하거나 상이하며, 각각 독립적으로 직쇄 또는 분지형의 C2~C6의 알킬렌기이고, 상기 R3는 각각 독립적으로, 수소 또는 C1~C3의 알킬기이고, 상기 z= 1 내지 3의 자연수이다.In Formula 2, R 1 is each independently selected from hydrogen and -CH 3 , R 2 and R 2 ′ are the same as or different from each other, and are each independently a straight-chain or branched C2-C6 alkylene group. , wherein R 3 is each independently hydrogen or a C1-C3 alkyl group, and z= is a natural number of 1 to 3.

[화학식 3][Formula 3]

Figure 112021007041919-pat00011
Figure 112021007041919-pat00011

상기 화학식 3에서, 상기 R1'은 서로 독립적으로 수소 또는 -CH3 이다.In Formula 3, R 1 'are independently hydrogen or -CH 3 .

상술한 화학식 1로 표시되는 공중합체는 반복단위에 카보닐기(C=O)를 모두 포함하고 있어, 후술하는 은염의 은이온과의 화학적으로 강력한 상호배위작용에 의하여, 결합을 할 수 있는 지점을 구비하고 있어, 은염이 균일하게 분산될 수 있어, 혼합기체에서의 일산화탄소의 촉진 수송 성능이 더욱 향상될 수 있다. The copolymer represented by Chemical Formula 1 above contains all of the carbonyl groups (C=O) in the repeating unit, so that a point where bonding can be made by a chemically strong mutual coordination reaction with silver ions of a silver salt described later Since the silver salt can be uniformly dispersed, the accelerated transport performance of carbon monoxide in the mixed gas can be further improved.

특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 아크릴계 선택층은, 상술한 화학식 1로 표시되는 공중합체 내에서 화학식 2로 표시되는 화합물의 반복단위 및 화학식 3으로 표시되는 화합물의 반복단위의 비율을 조절함에 따라, 카보닐(C=O)기와 은이온의 상호배위작용의 강도를 제어할 수 있고, 제조되는 아크릴계 선택층의 일산화탄소(CO)의 선택도 및 투과도를 제어할 수 있다. 또한 반복단위에 포함되는 카보닐기(C=O)가 은염의 Ag이온과 강력한 상호배위작용에 의하여, 아크릴계 선택층의 매트릭스의 구조가 더욱 조밀화되어, 기체선택도가 더욱 향상될 수 있어 바람직하다.In particular, the acrylic selective layer according to an embodiment of the present invention controls the ratio of the repeating unit of the compound represented by Formula 2 and the repeating unit of the compound represented by Formula 3 in the copolymer represented by Formula 1 described above. Accordingly, it is possible to control the strength of the mutual coordination action between carbonyl (C=O) groups and silver ions, and to control the carbon monoxide (CO) selectivity and transmittance of the prepared acrylic selective layer. In addition, the carbonyl group (C=O) included in the repeating unit has a strong mutual coordination action with the Ag ion of the silver salt, so that the structure of the matrix of the acrylic selective layer is further densified and the gas selectivity can be further improved, which is preferable.

상기 화학식 1로 표시되는 공중합체는 중량평균분자량(Mw)이 10,000 내지 100,000 g/mol 일 수 있고, 바람직하게는 40,000 내지 95,000 g/mol 인 것일 수 있다.The copolymer represented by Formula 1 may have a weight average molecular weight (Mw) of 10,000 to 100,000 g/mol, preferably 40,000 to 95,000 g/mol.

상기 은염은 AgNO3, AgBF4, AgPF6, AgSO3CF3, AgClO4 및 AgSbF6으로 이루어지는 군에서 선택될 수 있고, 바람직하게는 AgBF4일 수 있다.The silver salt may be selected from the group consisting of AgNO 3 , AgBF 4 , AgPF 6 , AgSO 3 CF 3 , AgClO 4 and AgSbF 6 , preferably AgBF 4 .

상기 이온성 액체(Ionic Liquids, ILs)는 100 ℃ 이하의 온도에서 액체로 존재하는 금속 양이온과 비금속 음이온으로 이루어진 것을 의미하고, 상기 이온성 액체는 유기양이온과 음이온으로 구성되어 있으며, 상기 양이온으로는 디알킬이미다졸륨, 알킬피리디늄, 4급 암모늄 및 4급 포스포늄에서 선택되는 어느 하나의 양이온이며, 상기 음이온으로는 NO3 -, BF4 -, PF6 -, AlCl4 -, Al2Cl7 -, TfO-(Trifluoromethanesulfonate), Tf2N-(Trifluoromethanesulfonylamide) 및 CH3CH(OH)CO2 -(L-lactate) 중에서 선택되는 어느 하나의 음이온인 것일 수 있다.The ionic liquids (Ionic Liquids, ILs) refer to metal cations and non-metal anions that exist as a liquid at a temperature of 100 ° C or less, and the ionic liquids are composed of organic cations and anions, and the cations include It is any one cation selected from dialkylimidazolium, alkylpyridinium, quaternary ammonium and quaternary phosphonium, and the anion includes NO 3 - , BF 4 - , PF 6 - , AlCl 4 - , Al 2 Cl 7 - , TfO - (Trifluoromethanesulfonate), Tf 2 N - (Trifluoromethanesulfonylamide), and CH 3 CH (OH) CO 2 - (L-lactate) may be any one anion selected.

특히, 상기 이온성 액체로 BMIM+BF4 -(1-butyl-3-methylimidazoliumtetrafluoroborate), BMIM+NO3 -(1-butyl-3-methylimidazolium nitrate), BMIM+PF6 -(1-butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate), EMIM+BF4 -(1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate) 및 HMIM+NO3 -(1-hexyl-3-methylimidazolium nitrate) 중 어느 하나인 것이 바람직하다.In particular, as the ionic liquid, BMIM + BF 4 - (1-butyl-3-methylimidazoliumtetrafluoroborate), BMIM + NO 3 - (1-butyl-3-methylimidazolium nitrate), BMIM + PF 6 - (1-butyl-3- methylimidazolium hexafluorophosphate), EMIM + BF 4 - (1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate) and HMIM + NO 3 - (1-hexyl-3-methylimidazolium nitrate).

상기 이온성 액체를 포함하는 경우, 상기 화학식 1로 표시되는 공중합체와 은염의 응집을 억제하고, 은염의 균질한 분산을 구현할 수 있어 더욱 바람직하다.When the ionic liquid is included, aggregation of the copolymer represented by Chemical Formula 1 and the silver salt can be suppressed, and the silver salt can be homogeneously dispersed, which is more preferable.

상기 복합물은 특별히 한정하는 것은 아니지만 예를 들면, 상술한 화학식 1로 표시되는 공중합체 100 중량부에 대하여, 은염 200 내지 800 중량부, 이온성 액체 20 내지 80 중량부로 포함하는 것일 수 있고, 바람직하게는 화학식 1로 표시되는 공중합체 100 중량부에 대하여, 은염 300 내지 500 중량부, 이온성 액체 30 내지 50중량부로 포함하는 것일 수 있다. 상기 범위에서 제조되는 아크릴계 코팅층의 기체 선택도 및 투과도가 더욱 향상되어 바람직하며, 특히, 바람직하게 아크릴계 선택층의 일산화탄소(CO)의 투과도 및 선택도가 향상되어, 촉진수송이 더욱 바람직하게 구현될 수 있지만 반드시 이에 한정하는 것은 아니다.The composite is not particularly limited, but may include, for example, 200 to 800 parts by weight of a silver salt and 20 to 80 parts by weight of an ionic liquid based on 100 parts by weight of the copolymer represented by Formula 1 described above, preferably may be included in 300 to 500 parts by weight of a silver salt and 30 to 50 parts by weight of an ionic liquid, based on 100 parts by weight of the copolymer represented by Formula 1. It is preferable that the gas selectivity and permeability of the acrylic coating layer prepared in the above range are further improved, and in particular, the permeability and selectivity of carbon monoxide (CO) of the acrylic selective layer are preferably improved, so that facilitated transport can be more preferably implemented. but is not necessarily limited thereto.

본 발명의 아크릴계 선택층을 형성하는 복합물에서 상술한 화학식 1로 표시되는 공중합체로 형성된 매트릭스 내의 은염은 일산화탄소(CO)의 용해도를 더욱 증가시키고, 이온성 액체(IL)는 공중합체와 은염의 과도한 배위결합을 억제함으로써, 자유부피를 희생하거나 구조적 결함의 형성 없이 은이온이 균질하게 분산된 아크릴계 선택층의 형성이 가능하도록 구현할 수 있어 더욱 바람직하다.In the composite forming the acrylic selective layer of the present invention, the silver salt in the matrix formed of the copolymer represented by the above-mentioned formula (1) further increases the solubility of carbon monoxide (CO), and the ionic liquid (IL) is excessively It is more preferable that it is possible to form an acrylic selective layer in which silver ions are homogeneously dispersed without sacrificing free volume or forming structural defects by suppressing coordination bonds.

특히, 상기 이온성 액체는 일산화탄소(CO)의 용해도 및 선택성을 향상시켜, 아크릴계 선택층을 통한 일산화탄소(CO) 분자의 용이한 수송을 구현함으로써, 촉진 수송을 가능하게 한다. In particular, the ionic liquid improves the solubility and selectivity of carbon monoxide (CO), thereby realizing easy transport of carbon monoxide (CO) molecules through the acrylic selective layer, thereby enabling accelerated transport.

상기 아크릴계 선택층은, 상술한 복합물을 다공성 기재의 표면상에 코팅하여 형성되는 것일 수 있는 것으로서, 그 두께는 본 발명의 목적을 달성하는 한에서는 특별히 한정하지 않지만, 예를 들면, 100 ㎚ 내지 50 ㎛ 일 수 있고, 바람직하게는 100 ㎚ 내지 2,000 ㎚인 것일 수 있으며, 더 바람직하게는 300 ㎚ 내지 1,000 ㎚일 수 있고, 보다 더 바람직하게는 500 ㎚ 내지 800 ㎚일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The acrylic selective layer may be formed by coating the above-described composite on the surface of a porous substrate, and the thickness thereof is not particularly limited as long as the object of the present invention is achieved, but, for example, 100 nm to 50 μm It may be, preferably may be from 100 nm to 2,000 nm, more preferably from 300 nm to 1,000 nm, and even more preferably from 500 nm to 800 nm, but is not limited thereto.

본 발명의 일 실시예에 따른 기체분리막은, 일산화탄소(CO)를 선택적으로 촉진 수송(facilitated transport) 분리하는 용도인 것일 수 있다.A gas separation membrane according to an embodiment of the present invention may be used to selectively separate carbon monoxide (CO) through facilitated transport.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 기체분리막은, 25 ℃1 bar에서의 CO/N2 선택도가 2.0 이상인 것일 수 있고, 바람직하게는 선택도가 2.2 이상인 것일 수 있고, 더 7.0 이상, 보다 더 바람직하게는 10.0 이상일 수 있다. 상기 선택도는 상술한 아크릴계 선택층의 두께에 따라 조절될 수도 있다.The gas separation membrane according to a preferred embodiment of the present invention may have a CO/N 2 selectivity of 2.0 or more at 25 °C 1 bar, preferably a selectivity of 2.2 or more, more preferably 7.0 or more, or even more. Preferably it may be 10.0 or more. The selectivity may be adjusted according to the thickness of the acrylic selection layer described above.

이하, 본 발명의 기체분리막의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a method for manufacturing a gas separation membrane according to the present invention will be described in detail.

본 발명의 일 실시예에 따른 기체분리막의 제조방법은, 하기 화학식 1로 표시되는 공중합체, 은염 및 이온성 액체를 포함하는 복합물을 제조하는 단계; 및 상기 복합물을 다공성 기재의 표면에 코팅 및 건조하여 아크릴계 선택층을 형성하는 단계;를 포함하는 것일 수 있다.A method for manufacturing a gas separation membrane according to an embodiment of the present invention includes preparing a composite including a copolymer represented by Chemical Formula 1, a silver salt, and an ionic liquid; and forming an acrylic selective layer by coating and drying the composite on the surface of the porous substrate.

[화학식1][Formula 1]

Figure 112021007041919-pat00012
Figure 112021007041919-pat00012

상기 화학식 1에서, 상기 R1, R1'는 서로 동일하거나 상이하며 각각 독립적으로 수소 및 -CH3 중에서 선택되고, 상기 R2, R2'는 서로 동일하거나 상이하며, 각각 독립적으로 직쇄 또는 분지형의 C2~C6의 알킬렌기이고, 상기 R3는 각각 독립적으로, 수소 또는 C1~C3의 알킬기이고, 상기 x= 1 내지 300의 자연수, y= 1 내지 600의 자연수, z= 1 내지 3의 자연수이다. 상기 x는 바람직하게는 30 내지 200의 자연수일 수 있고, 상기 y는 바람직하게 300 내지 500의 자연수 일 수 있다.In Formula 1, R 1 and R 1 'are the same as or different from each other and are each independently selected from hydrogen and -CH 3 , and R 2 and R 2 ' are the same as or different from each other, and are each independently linear or branched chain. A topographical C2~C6 alkylene group, wherein R 3 is each independently hydrogen or a C1~C3 alkyl group, wherein x = a natural number of 1 to 300, y = a natural number of 1 to 600, and z = 1 to 3 is a natural number The x may be preferably a natural number of 30 to 200, and the y may be a natural number of 300 to 500.

상기 화학식 1로 표시되는 공중합체는 화학식 2로 표시되는 화합물과, 화학식 3으로 표시되는 화합물이 중량비로 9 : 1 내지 1 : 9로 반응한 것일 수 있고, 바람직하게는 7 : 3 내지 3 : 7 로 반응한 것일 수 있다.The copolymer represented by Chemical Formula 1 may be obtained by reacting the compound represented by Chemical Formula 2 with the compound represented by Chemical Formula 3 at a weight ratio of 9:1 to 1:9, preferably 7:3 to 3:7. may have reacted with

[화학식 2][Formula 2]

Figure 112021007041919-pat00013
Figure 112021007041919-pat00013

상기 화학식2에서, 상기 R1는 각각 독립적으로 수소 및 -CH3 중에서 선택되고, 상기 R2, R2'는 서로 동일하거나 상이하며, 각각 독립적으로 직쇄 또는 분지형의 C2~C6의 알킬렌기이고, 상기 R3는 각각 독립적으로, 수소 또는 C1~C3의 알킬기이고, 상기 z= 1 내지 3의 자연수이다.In Formula 2, R 1 is each independently selected from hydrogen and -CH 3 , R 2 and R 2 ′ are the same as or different from each other, and are each independently a straight-chain or branched C2-C6 alkylene group. , wherein R 3 is each independently hydrogen or a C1-C3 alkyl group, and z= is a natural number of 1 to 3.

[화학식 3][Formula 3]

Figure 112021007041919-pat00014
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상기 화학식 3에서, 상기 R1'은 서로 독립적으로 수소 또는 -CH3 이다.In Formula 3, R 1 'are independently hydrogen or -CH 3 .

상기 반응은 바람직하게는 자유라디칼 중합반응을 사용하는 것일 수 있고, 상기 자유라디칼 중합반응은 통상의 기술자가 이해할 수 있는 조건 내에서 제한없이 수행될 수 있고, 바람직하게는, 용매로 에탄올, 아세톤, 아세토니트릴 및 에틸아세테이트 등에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있고, 개시제로 아조비시소부티로니트릴(Azobisisobutyronitrile, AIBN)을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.The reaction may preferably be to use a free radical polymerization reaction, and the free radical polymerization reaction may be carried out without limitation within conditions that can be understood by those skilled in the art, and preferably, ethanol, acetone, Any one or a mixture thereof selected from acetonitrile and ethyl acetate may be used, and azobisisobutyronitrile (AIBN) may be used as an initiator, but is not limited thereto.

상기 복합물을 제조하는 단계에서, 상기 공중합체, 은염 및 이온성 액체는 상술한 것과 동일한 것을 사용할 수 있고, 상기 복합물은 용매를 더 포함하는 것일 수 있다.In the step of preparing the composite, the copolymer, the silver salt, and the ionic liquid may be the same as those described above, and the composite may further include a solvent.

상기 용매로는 상기 공중합체 및 은염을 용해시킬 수 있는 것이라면 제한되지 않으나, 구체적으로 물, 에탄올, 메탄올, 아세토니트릴, 디클로로메탄(MC), 디메틸포름아미드(DMF) 및 N-메틸피롤리돈(NMP) 등으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들의 혼합용액을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The solvent is not limited as long as it can dissolve the copolymer and the silver salt, but specifically water, ethanol, methanol, acetonitrile, dichloromethane (MC), dimethylformamide (DMF) and N-methylpyrrolidone ( NMP), etc., or a mixed solution thereof may be used, but is not limited thereto.

상기 복합물에서 고형분 함량은 1 내지 50 중량%일 수 있고, 바람직하게는 5 내지 20 중량%일 수 있으나, 도포성, 작업성 및 제조되는 아크릴계 선택층의 두께에 따라 적절히 조절할 수 있음은 물론이다. The solid content in the composite may be 1 to 50% by weight, preferably 5 to 20% by weight, but it can be appropriately adjusted depending on the coating property, workability, and thickness of the acrylic selective layer to be prepared.

상기 아크릴계 선택층을 제조하는 단계에서, 상기 다공성 기재는 상술한 것과 동일한 것을 사용할 수 있고, 상기 복합물을 다공성 기재의 표면 상에 코팅하는 방법으로는, 공지의 방법으로, 코팅 및 건조하여 형성하는 것일 수 있다. In the step of preparing the acrylic selective layer, the same porous substrate as described above may be used, and as a method of coating the composite on the surface of the porous substrate, coating and drying may be performed by a known method. can

상기 코팅의 일 예로는 바(bar)코팅 법, 로드(rod) 코팅 법, 다이(die) 코팅 법, 와이어(wire) 코팅 법, 콤마(comma) 코팅 법, micro gravure/gravure법, 딥(dip) 코팅 법, 스프레이(spray) 법, 잉크젯(inkjet) 코팅 법 또는 이들을 혼합한 방식 및 변형한 방식 등이 사용될 수 있다. 이 때, 코팅 두께는 100 ㎚ 내지 50 ㎛ 일 수 있고, 바람직하게는 100 ㎚ 내지 2,000 ㎚인 것일 수 있으며, 더 바람직하게는 300 ㎚ 내지 1,000 ㎚일 수 있고, 보다 더 바람직하게는 500 ㎚ 내지 800 ㎚일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Examples of the coating include a bar coating method, a rod coating method, a die coating method, a wire coating method, a comma coating method, a micro gravure/gravure method, and a dip ) coating method, spray method, inkjet coating method, or a method in which they are mixed or modified, and the like may be used. At this time, the coating thickness may be 100 nm to 50 μm, preferably 100 nm to 2,000 nm, more preferably 300 nm to 1,000 nm, and even more preferably 500 nm to 800 nm. nm, but is not limited thereto.

또한, 상기 건조는 10 ℃내지 70 ℃에서 6 시간 내지 36 시간 동안 건조하는 것일 수 있고, 바람직하게는 20 ℃내지 50 ℃에서 12 시간 내지 24 시간 동안 건조하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이 때, 제조된 기체분리막 내의 용매의 함량은 0.5 중량% 미만일 수 있다.In addition, the drying may be drying at 10 ° C. to 70 ° C. for 6 hours to 36 hours, preferably at 20 ° C. to 50 ° C. for 12 hours to 24 hours, but is not limited thereto. At this time, the content of the solvent in the gas separation membrane may be less than 0.5% by weight.

본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 표면 상에 거터층(gutter layer)을 더 구비한 다공성 기재의 거터층의 표면에 상술한 복합물을 코팅 및 건조하여 기체분리막을 제조하는 것일 수 있다. As a preferred embodiment of the present invention, a gas separation membrane may be manufactured by coating and drying the above-described composite on the surface of a gutter layer of a porous substrate further provided with a gutter layer on the surface.

상기와 같이 제조되는 경우, 거터층에 의하여 기체투과도가 더욱 향상되고, 아크릴계 선택층의 일산화탄소 선택도 및 촉진수송 기능이 더욱 향상되어, 보다 더 향상된 기체분리성능을 구현할 수 있어 바람직하다.In the case of manufacturing as described above, the gas permeability is further improved by the gutter layer, and the carbon monoxide selectivity and the accelerated transport function of the acrylic selective layer are further improved, so that more improved gas separation performance can be realized.

전술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 기체분리막은, 하기 화학식 1로 표시되는 공중합체, 은염 및 이온성 액체를 포함하는 복합물을 다공성 기재의 표면 상에 코팅 및 건조하여 형성된 아크릴계 선택층을 포함함으로써, 종래 이온성 액체를 다공성 기재에 함침시켜 제조하는 액상의 분리막과 달리, 고상(solid state)의 분리막을 구현할 수 있다. 또한 본 발명의 기체 분리막은, 취급의 용이성, 안정성 및 적용성이 더욱 향상되며, 일산화탄소(CO)에 대하여 우수한 선택도를 가져, 일산화탄소를 포함하는 혼합기체에서의 기체분리 성능이 현저히 향상된 효과를 가진다. As described above, the gas separation membrane according to an embodiment of the present invention is an acrylic selective layer formed by coating and drying a composite containing a copolymer represented by Formula 1, a silver salt, and an ionic liquid on the surface of a porous substrate By including, it is possible to implement a solid state separation membrane, unlike a conventional liquid separation membrane prepared by impregnating a porous substrate with an ionic liquid. In addition, the gas separation membrane of the present invention further improves ease of handling, stability, and applicability, and has excellent selectivity for carbon monoxide (CO), so that gas separation performance in a mixed gas containing carbon monoxide is remarkably improved. .

특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 기체 분리막은 일산화탄소 투과도 및 CO/N2 선택도의 동시 증가에 의하여, 일산화탄소의 촉진수송이 우수한 효과를 가진다.In particular, the gas separation membrane according to an embodiment of the present invention has an excellent effect of accelerated transport of carbon monoxide due to simultaneous increase in carbon monoxide permeability and CO/N 2 selectivity.

[화학식1][Formula 1]

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상기 화학식 1에서, 상기 R1, R1'는 서로 동일하거나 상이하며 각각 독립적으로 수소 및 -CH3 중에서 선택되고, 상기 R2, R2'는 서로 동일하거나 상이하며, 각각 독립적으로 직쇄 또는 분지형의 C2~C6의 알킬렌기이고, 상기 R3는 각각 독립적으로, 수소 또는 C1~C3의 알킬기이고, 상기 x= 1 내지 300의 자연수, y= 1 내지 600의 자연수, z= 1 내지 3의 자연수이다. In Formula 1, R1 and R1' are the same as or different from each other and are each independently selected from hydrogen and -CH 3 , wherein R 2 and R 2 'are the same as or different from each other, and are each independently linear or branched A C2~C6 alkylene group, wherein R 3 is each independently hydrogen or a C1~C3 alkyl group, wherein x = a natural number of 1 to 300, y = a natural number of 1 to 600, and z = a natural number of 1 to 3 .

이하 실시예 및 비교예를 바탕으로 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예 및 비교예는 본 발명을 더욱 상세히 설명하기 위한 하나의 예시일 뿐, 본 발명이 하기 실시예 및 비교예에 의해 제한되는 것은 아니다. The present invention will be described in more detail based on the following Examples and Comparative Examples. However, the following Examples and Comparative Examples are only one example for explaining the present invention in more detail, and the present invention is not limited by the following Examples and Comparative Examples.

[실험방법][Test method]

1. 가스분리 성능 측정1. Measurement of gas separation performance

제조된 기체분리막의 순수 기체 분리 성능은 정압/가변 체적 장치(Airrane Co. Ltd., Korea)를 사용하여 측정하였다. 투과 실험은 25 ℃에서 유효 면적이 10.2 cm2 인 평판 투과 셀로 수행하였고, 가스 투과 단위 (GPU) (1 GPU = 10-6 cm3 STP (s · cm2 · cmHg)-1를 사용하여 각 가스의 투과율을 표현하였다.The pure gas separation performance of the prepared gas separation membrane was measured using a constant pressure/variable volume device (Airrane Co. Ltd., Korea). The permeation experiment was performed with a flat plate permeation cell having an effective area of 10.2 cm 2 at 25 °C, and each gas was measured using a gas permeation unit (GPU) (1 GPU = 10 −6 cm 3 STP (s cm 2 cmHg) −1 ). The transmittance of is expressed.

기체분리막의 CO/N2 선택도는 투과율 비율로 계산하였다. The CO/N 2 selectivity of the gas separation membrane was calculated as a transmittance ratio.

2. 기체분리막의 특성 측정2. Measurement of characteristics of gas separation membrane

중합된 공중합체의 화학 구조와 구성 요소 간의 상호 작용은 2,000~6,00 cm-1의 주파수 범위에서 푸리에 변환 적외선(Fourier transform-infrared, FT-IR) 분광법(Spectrum 100, Perkin Elmer, USA)에 의해 측정하였다The chemical structure of the polymerized copolymer and the interaction between the components were analyzed by Fourier transform-infrared (FT-IR) spectroscopy (Spectrum 100, Perkin Elmer, USA) in the frequency range of 2,000 to 6,00 cm -1 . was measured by

1H 핵자기 공명(1H nuclear magnetic resonance, NMR) (AVANCE III HD 400, Bruker, Germany) 측정은 중수소화 디메틸설폭사이드(DMSO-d6)를 용매로 사용하여 공중합체의 조성을 분석하였다. 공중합체의 유리전이온도(Tg)는 -75 ℃ ~ -150 ℃의 온도 범위에 걸쳐 질소 대기 하에서 10 ℃/min의 가열 속도로 시차 주사 열량계 (DSC) (Discovery DSC, TA Instrument, USA)에 의해 측정하였다. 1 H nuclear magnetic resonance (NMR) (AVANCE III HD 400, Bruker, Germany) measurement analyzed the composition of the copolymer using deuterated dimethyl sulfoxide (DMSO-d6) as a solvent. The glass transition temperature (Tg) of the copolymer was measured by differential scanning calorimetry (DSC) (Discovery DSC, TA Instrument, USA) at a heating rate of 10 °C/min under a nitrogen atmosphere over a temperature range of -75 °C to -150 °C. measured.

공중합체의 XRD는 고분해능 X-선 회절계(SmartLab, Rigaku, Japan)를 사용하여 3 °/min의 스캐닝 속도로 5 ° ~ 35 °의 2θ범위에서 측정하였다. XRD of the copolymer was measured in the 2θ range of 5 ° to 35 ° at a scanning speed of 3 °/min using a high-resolution X-ray diffractometer (SmartLab, Rigaku, Japan).

기체분리막의 단면 형태는 전계 방출 (FE)-SEM(JSM-7001F, JEOL Ltd., Japan)을 통해 측정하였고, 기체분리막의 표면 형태는 투과 전자 현미경(TEM)(JEM-F200, JEOL Ltd., Japan)을 이용하여 측정하였다. The cross-sectional shape of the gas separation membrane was measured by field emission (FE)-SEM (JSM-7001F, JEOL Ltd., Japan), and the surface shape of the gas separation membrane was measured by transmission electron microscope (TEM) (JEM-F200, JEOL Ltd., Japan) was used.

[실시예1][Example 1]

2-하이드록시프로필-2-(메타크릴로일옥시)에틸 프탈레이트(HMEP) 7 g와 아크릴산(AA) 3 g을 아세토니트릴/에탄올 혼합 용매 (60 % 아세토니트릴, 40% 에탄올) 50 mL에 용해시킨 후, 아조비시소부티로니트릴 (azobisisobutyronitrile, AIBN) 0.002 g을 첨가하고 1시간 동안 N2 퍼징 한 후, 교반하면서 70 ℃의 오일 배스에서 24 시간 동안 반응하였다. 상기 반응용액을 과량의 증류수 내로 강한 교반과 함께 흘려주며 침전시켜 중합체를 수득하였으며 제조한 중합체의 중량평균분자량은 8.9 × 104 g/mol였다. 상기 제조된 중합체(이하, P73라고 표시함)의 자유라디칼 중합의 모식도를 도 1에 나타내었다.Dissolve 7 g of 2-hydroxypropyl-2-(methacryloyloxy)ethyl phthalate (HMEP) and 3 g of acrylic acid (AA) in 50 mL of acetonitrile/ethanol mixed solvent (60% acetonitrile, 40% ethanol) After that, 0.002 g of azobisisobutyronitrile (AIBN) was added and purged with N 2 for 1 hour, followed by reaction in an oil bath at 70 °C for 24 hours while stirring. The reaction solution was poured into an excess of distilled water with strong stirring and precipitated to obtain a polymer, and the weight average molecular weight of the prepared polymer was 8.9 × 10 4 g/mol. A schematic diagram of free radical polymerization of the prepared polymer (hereinafter referred to as P73) is shown in FIG. 1 .

상기 회수한 중합체(P73)를 에탄올/물 혼합용매(7:3 부피비)에 중합체(P73)을 용해한 뒤, 은염으로 AgBF4와 이온성 액체(IL)로 [bmim][BF4]를 투입하여 두시간 동안 교반하며 복합물을 제조하였다. 이 때 투입된 중합체(P73), AgBF4 및 [bmim][BF4]는 중량비로 1 : 3 : 0.3으로 혼합되었고, 제조된 복합물의 고형분 함량은 10 중량% 였다.After dissolving the recovered polymer (P73) in an ethanol/water mixed solvent (7:3 volume ratio), AgBF 4 as a silver salt and [bmim][BF 4 ] as an ionic liquid (IL) were added to The mixture was prepared by stirring for two hours. At this time, the polymer (P73), AgBF 4 and [bmim][BF 4 ] were mixed at a weight ratio of 1:3:0.3, and the solid content of the composite was 10% by weight.

제조된 복합물을 표면에 폴리[1-(트리메틸실릴)-1-프로파인](PTMSP)이 코팅된 폴리설폰 다공성 기재의 표면에 RK코터를 사용하여 도포하고, 진공오븐에서 25 ℃, 24 시간 동안 완전히 건조하여, 두께 800 ㎚의 아크릴계 선택층이 형성된 기체분리막을 제조하였다.The prepared composite was applied to the surface of a polysulfone porous substrate coated with poly[1-(trimethylsilyl)-1-propane] (PTMSP) using an RK coater, and in a vacuum oven at 25 °C for 24 hours. After completely drying, a gas separation membrane having an acrylic selective layer having a thickness of 800 nm was prepared.

[실시예2] [Example 2]

상기 실시예 1에서 2-하이드록시프로필-2-(메타크릴로일옥시)에틸 프탈레이트 (HMEP) 5 g와 아크릴산(AA) 5 g을 사용하여 제조한 중합체(이하, P55라고 표시함)를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다. In Example 1, a polymer (hereinafter referred to as P55) prepared using 5 g of 2-hydroxypropyl-2-(methacryloyloxy)ethyl phthalate (HMEP) and 5 g of acrylic acid (AA) was used. Except for that, it was carried out in the same manner as in Example 1.

[실시예3][Example 3]

상기 실시예 1에서 2-하이드록시프로필-2-(메타크릴로일옥시)에틸 프탈레이트 (HMEP) 3 g와 아크릴산(AA) 7 g을 사용하여 제조한 중합체(이하, P37이라 표시함)를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.In Example 1, a polymer (hereinafter referred to as P37) prepared using 3 g of 2-hydroxypropyl-2-(methacryloyloxy)ethyl phthalate (HMEP) and 7 g of acrylic acid (AA) was used. Except for that, it was carried out in the same manner as in Example 1.

[실시예4][Example 4]

상기 실시예 1에서 중합체, AgBF4 및 [bmim][BF4]를 중량비로 1 : 4 : 0.4로 사용하여 제조된 복합물로, 아크릴계 선택층을 형성하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 기체분리막을 제조하였다.A composite prepared using the polymer, AgBF 4 and [bmim][BF 4 ] in a weight ratio of 1: 4: 0.4 in Example 1, and carried out in the same manner as in Example 1 except for forming an acrylic selective layer. Thus, a gas separation membrane was prepared.

[실시예5][Example 5]

상기 실시예 1에서 중합체, AgBF4 및 [bmim][BF4]는 중량비로 1 : 5 : 0.5로 사용하여 제조된 복합물로, 아크릴계 선택층을 형성하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 수행하여, 기체분리막을 제조하였다.In Example 1, the polymer, AgBF 4 and [bmim][BF 4 ] is a composite prepared using a weight ratio of 1: 5: 0.5, and the same procedure as in Example 1 was performed except for forming an acrylic selective layer. Thus, a gas separation membrane was prepared.

[비교예 1][Comparative Example 1]

상기 실시예 1에서 [bmim][BF4]를 사용하지 않고, 복합물을 제조하여, 아크릴계 선택층을 형성하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 수행하여, 기체분리막을 제조하였다. A gas separation membrane was prepared in the same manner as in Example 1, except that the composite was prepared without using [bmim][BF 4 ] in Example 1 to form an acrylic selective layer.

[비교예 2][Comparative Example 2]

상기 실시예 1에서 AgBF4를 사용하지 않고, 복합물을 제조하여, 아크릴계 선택층을 형성하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 수행하여, 기체분리막을 제조하였다. In Example 1, a gas separation membrane was prepared in the same manner as in Example 1, except that the composite was prepared without using AgBF 4 to form an acrylic selective layer.

[비교예 3][Comparative Example 3]

상기 실시예 1에서 AgBF4 및 [bmim][BF4]를 사용하지 않고, 복합물을 제조하여, 아크릴계 선택층을 형성하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 수행하여, 기체분리막을 제조하였다.In Example 1, a gas separation membrane was prepared in the same manner as in Example 1, except that a composite was prepared without using AgBF 4 and [bmim][BF 4 ] to form an acrylic selective layer. .

[실험예 1] 공중합체의 결정성 및 구조분석[Experimental Example 1] Crystallinity and structure analysis of copolymer

상기 실시예 1 내지 3에서 제조한 중합체들의 구조와 결정성을 적외선 분광기(Fourier transform infrared spectroscopy, FT-IR), 핵자기 공명 분광법(Nuclear magnetic resonance spectroscopy, 1H-NMR), XRD(X-ray diffraction) 및 시차 주사 열량계(Differential scanning calorimeter, DSC)를 통해 분석하였고, 그 결과를 각각 도 2(a) 내지 도2(d)에 나타내었다.The structure and crystallinity of the polymers prepared in Examples 1 to 3 were determined by Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), nuclear magnetic resonance spectroscopy ( 1 H-NMR), XRD (X-ray diffraction) and differential scanning calorimeter (DSC), and the results are shown in FIGS. 2(a) to 2(d), respectively.

도 2(a)에서와 같이, 실시예 1 내지 실시예 3에서 각각 제조한 중합체 FT-IR 스펙트럼에서, 2-하이드록시프로필-2-(메타크릴로일옥시)에틸 프탈레이트(HMEP) 및 아크릴산(AA)에서 관찰된 1637 cm-1에서 C=C 스트레칭 진동 밴드가 완전히 사라진 것을 확인할 수 있었고, 1716 및 1696 cm-1에서 HMEP 및 AA에서 C=O 스트레칭에 기인하는 강한 흡수 밴드를 확인할 수 있었다. As shown in FIG. 2 (a), in the FT-IR spectra of the polymers prepared in Examples 1 to 3, respectively, 2-hydroxypropyl-2- (methacryloyloxy) ethyl phthalate (HMEP) and acrylic acid ( It was confirmed that the C=C stretching vibration band at 1637 cm -1 observed in AA) completely disappeared, and strong absorption bands due to C=O stretching were confirmed in HMEP and AA at 1716 and 1696 cm -1 .

또한, 합성 된 공중합체는 서로 다른 작용기에서 C=O 결합이 존재하기 때문에 1650 ~ 1750 cm-1 사이의 넓은 흡수 밴드를 보였고, 프탈레이트 (1272 cm-1)와 카르 복실 산 (1238 cm-1)의 에테르 그룹에서 기인하는 1200 ~ 1300 cm-1 사이의 넓은 C-O 신축 밴드를 확인할 수 있었다. In addition, the synthesized copolymer showed a wide absorption band between 1650 and 1750 cm -1 due to the presence of C=O bonds in different functional groups, and phthalate (1272 cm -1 ) and carboxylic acid (1238 cm -1 ) A wide CO stretch band between 1200 and 1300 cm -1 originating from the ether group of was confirmed.

또한, 실시예 1 내지 3에서 제조한 중합체의 1H-NMR을 나타낸 도 2(b)에서는 C = C 이중 결합 양성자에 해당하는 6.0 및 5.6 ppm의 신호는 무시할 수 있을 정도로 낮은 것을 확인할 수 있었고, 이는 잔류 단량체가 남아 있지 않는 것을 의미하는 것이다. 도 2(a) 및 (b)에서와 같이, 본 발명의 화학식 1a로 표시되는 공중합체의 일 실시예인 P73, P55 및 P37이 성공적으로 합성된 것을 확인할 수 있었다.In addition, in FIG. 2 (b) showing 1 H-NMR of the polymers prepared in Examples 1 to 3, it was confirmed that the signals at 6.0 and 5.6 ppm corresponding to C = C double bond protons were negligibly low, This means that no residual monomer remains. As shown in FIGS. 2 (a) and (b), it was confirmed that P73, P55, and P37, which are examples of the copolymer represented by Formula 1a of the present invention, were successfully synthesized.

도 2(c)에서와 같이, 실시예 1 내지 3에서 제조한 중합체 의 XRD 패턴은 날카로운 결정질 피크가 없고, 비정질 특성을 가지는 것을 확인할 수 있었고, 중합체를 구성하는 아크릴산(AA)의 함량이 증가할수록 2θ= 19.2 °에서 피크의 상대적 강도가 점차 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, DSC thermogram를 나타내는 도 2(d)에서와 같이, HMEP의 함량이 감소함에 따라 공중합체의 유리전이온도(Tg)가 증가하는 것을 알 수 있고, 실시예 1 내지 3에서 제조된 공중합체는 모두 유리전이온도(Tg) 값이 실온보다 높은 유리 상태인 것을 알 수 있었다. 이는 확산 전달 메커니즘이 지배적인 N2 투과를 최소화하여, 상대적으로 일산화탄소(CO)의 투과도를 더욱 향상시킬 수 있는 것이다.As shown in FIG. 2(c), it was confirmed that the XRD patterns of the polymers prepared in Examples 1 to 3 did not have sharp crystalline peaks and had amorphous characteristics, and as the content of acrylic acid (AA) constituting the polymer increased, It was confirmed that the relative intensity of the peak gradually increased at 2θ = 19.2 °. In addition, as shown in FIG. 2 (d) showing the DSC thermogram, it can be seen that the glass transition temperature (Tg) of the copolymer increases as the content of HMEP decreases, and the copolymers prepared in Examples 1 to 3 It was found that all were in a glass transition temperature (Tg) value higher than room temperature. This minimizes the permeation of N 2 , which is dominated by the diffusion transport mechanism, and can further improve the permeability of carbon monoxide (CO).

[실험예 2] 기체분리막의 단면 및 표면 특성[Experimental Example 2] Cross-section and surface characteristics of gas separation membrane

상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 3 및 비교예 1에서 제조한 기체분리막의 단면 및 표면을 각각 주사전자현미경(Scanning electron microscopy, SEM) 및 투과전자현미경(Transmission Electron Microscope, TEM)을 통해 관찰하여 각각 도 3 및 도 4에 나타내었다.The cross section and surface of the gas separation membrane prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Example 3 and Comparative Example 1 were observed through a scanning electron microscope (SEM) and a transmission electron microscope (TEM), respectively. 3 and 4, respectively.

상기 도 3에서와 같이, 제조된 기체분리막은 두께가 0.8 ㎛를 가지고, 결함 없는 아크릴계 선택층을 가지는 것을 알 수 있었다. 또한, 도 4에서와 같이, 중합체 내의 프탈레이트 그룹 함량이 많은 P73을 사용한 실시예 1의 경우, 실시예 2 및 3 보다 적은 수의 Ag 나노 입자가 관찰되었으며, 이는 2-하이드록시프로필-2-(메타크릴로일옥시)에틸 프탈레이트(HMEP)의 프탈레이트 그룹이 Ag 이온의 환원을 억제함으로써 기인한 것으로 예측된다. As shown in FIG. 3, it was found that the prepared gas separation membrane had a thickness of 0.8 μm and an acrylic selective layer without defects. In addition, as shown in FIG. 4, in the case of Example 1 using P73 having a high content of phthalate groups in the polymer, fewer Ag nanoparticles were observed than in Examples 2 and 3, indicating that 2-hydroxypropyl-2-( It is predicted that the phthalate group of methacryloyloxy)ethyl phthalate (HMEP) is attributable to inhibition of Ag ion reduction.

[실험예 3] 기체분리막의 구조 분석[Experimental Example 3] Structural analysis of gas separation membrane

상기 실시예 1 내지 3에서 제조한 기체분리막의 아크릴계 선택층 내의 분자 간 상호 작용을 적외선 분광기(Fourier transform infrared spectroscopy, FT-IR) 분광기로 분석하여 도 5에 나타내었다. 도 5에서와 같이, AgBF4, [bmim][BF4] 모두 없는 비교예 3과 [bmim][BF4]이 없는 실시예 6의 C=O 흡수 밴드 위치의 변화는 무시할 수 있는 수준 (1715 cm-1) 인 반면에 에테르 밴드는 1272 cm-1에서 약간 더 높은 파수(1275 cm-1)로 이동하는 것을 알 수 있었다. 이는 이온성 액체(IL)이 공중합체의 프탈레이트 에스테르 그룹과 약하게 상호작용함에 따른 것으로 보인다. Intermolecular interactions in the acrylic selective layer of the gas separation membrane prepared in Examples 1 to 3 were analyzed by Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) spectroscopy and are shown in FIG. 5 . As shown in FIG. 5, the change in the C=O absorption band position of Comparative Example 3 without both AgBF 4 and [bmim][BF 4 ] and Example 6 without [bmim][BF 4 ] was negligible (1715 cm -1 ), while the ether band shifted from 1272 cm -1 to a slightly higher wavenumber (1275 cm -1 ). This appears to be due to the weak interaction of the ionic liquid (IL) with the phthalate ester groups of the copolymer.

또한, 비교예 2는 AgBF4에 의하여, 자유 C=O 밴드가 1715 cm-1에서 1698 cm-1로 약간 더 이동하는 것을 알 수 있고, 또한, 은과 배위결합된 C=O에 의한 C=O 밴드가 1633 cm-1에 나타나는 것을 알 수 있었다. 이러한 red shift는 카보닐의 산소가 은이온에 전자쌍을 공유함에 인하여 C=O 밴드가 약해진 것에 의한 것으로 예측되었다. 그러나 1705 cm-1는 높은 영역으로 더 이동하는 것을 알 수 있는데, 이는 이온성 액체(IL)인 [bmim][BF4]의 도입에 의해, 공중합체의 카르보닐기와 이온성 액체의 추가 상호 작용이 카르보닐과 은이온 사이의 상호작용을 부분적으로 방해한 것에 의한 것으로 판단된다. 또한, AgBF4 및 [bmim] [BF4]을 모두 포함하는 실시예 1의 경우, C-O 밴드인 1272 cm-1의 중심 영역이 더 높은 영역으로 이동하는 것을 알 수 있었다. 이는 은이온이 에스테르 그룹에 배위됨으로써, C-O 결합강도를 증가시키는 공명구조를 제공함에 의한 것으로 보인다In Comparative Example 2, it can be seen that the free C=O band moves slightly from 1715 cm -1 to 1698 cm -1 by AgBF4, and C=O by C=O coordinated with silver. It was found that a band appeared at 1633 cm -1 . This red shift was predicted to be due to the weakening of the C=O band due to the sharing of an electron pair between the carbonyl oxygen and the silver ion. However, it can be seen that 1705 cm −1 moves further to a higher region, which is due to the introduction of [bmim][BF 4 ], an ionic liquid (IL), and further interaction between the carbonyl group of the copolymer and the ionic liquid It is judged to be due to partially obstructing the interaction between carbonyl and silver ions. In addition, in the case of Example 1 including both AgBF 4 and [bmim] [BF 4 ], it was found that the central region of 1272 cm −1 , which is the CO band, moved to a higher region. This seems to be due to the coordination of silver ions to the ester group, providing a resonance structure that increases the CO bond strength.

[실험예 4] 기체분리막의 기체분리성능[Experimental Example 4] Gas separation performance of gas separation membrane

상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1과 비교예 3에서제조한 기체분리막의 일산화탄소와 질소가 혼합된 혼합기체에서의 25 °C, 1 bar 조건에서 투과도 및 선택도를 측정하여, 아래 표 1에 나타내었다. The permeability and selectivity of the gas separation membranes prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 3 were measured in a mixed gas mixture of carbon monoxide and nitrogen at 25 ° C and 1 bar, and are shown in Table 1 below. showed up

기체분리막gas separation membrane 복합물 조성composite composition 투과도(GPU)Permeability (GPU) 선택도(CO/N2)Selectivity (CO/N 2 ) COCO N2 N 2 실시예1Example 1 P73+AgBF4+[bmim][BF4]P73+AgBF 4 +[bmim][BF 4 ] 2.32.3 0.50.5 4.64.6 실시예2Example 2 P55+AgBF4+[bmim][BF4]P55+AgBF 4 +[bmim][BF 4 ] 10.710.7 2.62.6 4.14.1 실시예3Example 3 P37+AgBF4+[bmim][BF4]P37+AgBF 4 +[bmim][BF 4 ] 8.28.2 3.73.7 2.22.2 비교예 1 Comparative Example 1 P73+AgBF4 P73+ AgBF4 7.57.5 5.75.7 1.31.3 비교예 3Comparative Example 3 P73P73 defectivedefective

상기 표1에서와 같이, 중합체만을 사용하여 제조한 기체분리막인 비교예 3의 경우, 분리막의 결함이 매우 심하여, Knudsen 확산으로 인해 CO/N2 선택도가 약 1로 나타나, 선택도가 매우 낮았다. 그러나 AgBF4를 중합체와 혼합하여 사용한 비교예 1의 경우, 구조적 결함이 방지되어 CO 투과도 7.5 GPU와 CO/N2 선택도가 1.3으로 향상되는 것을 알 수 있었지만 여전히 기체 선택도에서 낮은 물성을 보인다. 이는 Ag 이온과 C=O 그룹 사이의 강력한 배위 상호 작용에서 비롯된 막의 일시적인 가교로 인해 고분자 구조를 조밀화하기 때문에 어느 정도 상승한 것으로 보인다. 또한, 본 발명의 구성을 모두 구비한 실시예 1 내지 3의 기체분리막의 경우, CO/N2 선택도가 2이상 최소한 2.2이상으로 증가하였으며, 실시예 1의 경우 4.6으로 증가하는 매우 놀라운 선택도를 가지는 것을 알 수 있었다. 이것은 CO의 수송이 기체분리막을 통해 용이하게 발생한 것을 의미한다. 또한, 아크릴계 선택층의 공중합체 매트릭스의 조성 변화는 분리 성능에 영향을 미치는 것으로, 상기 도 4에서 확인한 바와 같이, 2-하이드록시프로필-2-(메타크릴로일옥시)에틸 프탈레이트(HMEP)의 프탈레이트 그룹이 Ag 이온의 환원을 억제할 뿐만 아니라, 공중합체의 HMEP 함량이 증가함에 따라 CO/N2 선택성이 증가하는 것을 알 수 있다. As shown in Table 1, in the case of Comparative Example 3, which is a gas separation membrane manufactured using only polymers, the separation membrane was very defective, and the CO/N 2 selectivity was about 1 due to Knudsen diffusion, so the selectivity was very low. . However, in the case of Comparative Example 1 in which AgBF 4 was mixed with a polymer, structural defects were prevented, and CO permeability of 7.5 GPU and CO/N 2 selectivity were improved to 1.3, but still showed low physical properties in gas selectivity. This appears to have risen to some extent because of the densification of the polymer structure due to the temporary cross-linking of the membrane originating from the strong coordination interaction between Ag ions and C=O groups. In addition, in the case of the gas separation membranes of Examples 1 to 3 having all the configurations of the present invention, the CO/N 2 selectivity increased from 2 or more to at least 2.2 or more, and in the case of Example 1, the selectivity increased to 4.6, which is very surprising. was found to have This means that transport of CO occurred easily through the gas separation membrane. In addition, the change in the composition of the copolymer matrix of the acrylic selective layer affects the separation performance, and as confirmed in FIG. 4, 2-hydroxypropyl-2-(methacryloyloxy)ethyl phthalate (HMEP) It can be seen that the phthalate group not only inhibits the reduction of Ag ions, but also increases the CO/N 2 selectivity as the HMEP content of the copolymer increases.

상기 실시예 1, 4 및 5에서 아크릴계 선택층의 두께를 2 ㎛로 형성하여, 일산화탄소와 질소가 혼합된 혼합기체에서의 25 °C, 4 bar 조건에서 투과도 및 선택도를 추가로 더 측정하여, 아래 표 2에 나타내었다. In Examples 1, 4, and 5, the thickness of the acrylic selective layer was formed to be 2 μm, and the transmittance and selectivity were further measured at 25 ° C and 4 bar in a mixed gas mixture of carbon monoxide and nitrogen, It is shown in Table 2 below.

기체분리막gas separation membrane P73 : AgBF4 : [bmim][BF4]
중량비
P73 : AgBF4 : [bmim][BF4]
weight ratio
아크릴계 선택층 두께Thickness of acrylic selective layer 투과도(GPU)Permeability (GPU) 선택도(CO/N2)Selectivity (CO/N 2 )
COCO N2 N 2 실시예1Example 1 1 : 3 : 0.31:3:0.3 2 ㎛2 μm 1.11.1 0.140.14 7.97.9 실시예4Example 4 1 : 4 : 0.41:4:0.4 2.12.1 0.130.13 16.216.2 실시예5Example 5 1 : 5 : 0.51:5:0.5 2.12.1 0.280.28 7.47.4

상기 표 2에서와 같이, 실시예 1의 경우, 선택층의 두께를 2 ㎛로 증가시킴에 따라, 선택층의 두께가 800 ㎚인 경우의 기체분리성능을 측정한 표1에서와 달리, CO/N2 선택도가 증가하는 것을 알 수 있었다. 또한, AgBF4의 함량이 증가함에 따라 CO 투과도 및 CO/N2 선택도가 모두 향상되는 것을 알 수 있었다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 기체분리막에 의한 CO 수송이 성공적으로 촉진된 것을 알 수 있다.As in Table 2, in the case of Example 1, as the thickness of the selective layer was increased to 2 μm, unlike in Table 1 in which the gas separation performance was measured when the thickness of the selective layer was 800 nm, CO / It was found that the N 2 selectivity increased. In addition, it was found that both CO permeability and CO/N 2 selectivity improved as the content of AgBF 4 increased. That is, it can be seen that CO transport by the gas separation membrane according to an embodiment of the present invention is successfully promoted.

이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. As described above, the present invention has been described by specific details and limited embodiments and drawings, but this is only provided to help a more general understanding of the present invention, the present invention is not limited to the above embodiments, and the present invention Those skilled in the art can make various modifications and variations from these descriptions.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.Therefore, the spirit of the present invention should not be limited to the described embodiments, and not only the claims to be described later, but also all modifications equivalent or equivalent to the claims will be said to belong to the scope of the present invention.

삭제delete

Claims (12)

다공성 기재; 및
상기 다공성 기재의 표면에 형성된 아크릴계 선택층;을 포함하고,
상기 아크릴계 선택층은 하기 화학식 1로 표시되는 공중합체, 은염 및 이온성액체를 포함하는 복합물을 코팅하여 형성되는 것인 기체분리막.
[화학식1]
Figure 112022070482133-pat00016

(상기 화학식 1에서,
상기 R1, R1'는 서로 동일하거나 상이하며 각각 독립적으로 수소 및 -CH3 중에서 선택되고,
상기 R2, R2'는 서로 동일하거나 상이하며, 각각 독립적으로 직쇄 또는 분지형의 C2~C6의 알킬렌기이고,
상기 R3는 각각 독립적으로, 수소 또는 C1~C3의 알킬기이고,
상기 x= 1 내지 300의 자연수, y= 1 내지 600의 자연수, z= 1 내지 3의 자연수이다.)
porous substrates; and
Including; acrylic-based selection layer formed on the surface of the porous substrate,
The acryl-based selective layer is a gas separation membrane formed by coating a composite including a copolymer represented by Formula 1 below, a silver salt, and an ionic liquid.
[Formula 1]
Figure 112022070482133-pat00016

(In Formula 1 above,
The R 1 and R 1 'are the same as or different from each other and are each independently selected from hydrogen and -CH 3 ,
The R 2 and R 2 'are the same as or different from each other, and are each independently a straight-chain or branched C2-C6 alkylene group,
Wherein R 3 is each independently hydrogen or a C1-C3 alkyl group,
Wherein x = a natural number from 1 to 300, y = a natural number from 1 to 600, and z = a natural number from 1 to 3.)
삭제delete 제2항에 있어서,
상기 공중합체는 화학식 2로 표시되는 화합물과, 화학식 3으로 표시되는 화합물이 중량비로 7 : 3 내지 3 : 7 로 반응한 것인, 기체분리막.
[화학식 2]
Figure 112021007041919-pat00017

(상기 화학식2에서,
상기 R1는 각각 독립적으로 수소 및 -CH3 중에서 선택되고,
상기 R2, R2'는 서로 동일하거나 상이하며, 각각 독립적으로 직쇄 또는 분지형의 C2~C6의 알킬렌기이고,
상기 R3는 각각 독립적으로, 수소 또는 C1~C3의 알킬기이고,
상기 z= 1 내지 3의 자연수이다.)
[화학식 3]
Figure 112021007041919-pat00018

(상기 화학식 3에서,
상기 R1'은 서로 독립적으로 수소 또는 -CH3 이다.)
According to claim 2,
The copolymer is a gas separation membrane obtained by reacting the compound represented by Chemical Formula 2 with the compound represented by Chemical Formula 3 at a weight ratio of 7:3 to 3:7.
[Formula 2]
Figure 112021007041919-pat00017

(In Chemical Formula 2,
The R 1 is each independently selected from hydrogen and -CH 3 ,
The R 2 and R 2 'are the same as or different from each other, and are each independently a straight-chain or branched C2-C6 alkylene group,
Wherein R 3 is each independently hydrogen or a C1-C3 alkyl group,
The z = is a natural number from 1 to 3.)
[Formula 3]
Figure 112021007041919-pat00018

(In Formula 3,
The R 1 'are independently hydrogen or -CH 3 .)
제2항에 있어서,
상기 이온성 액체는 유기양이온과 음이온으로 구성되어 있으며, 상기 양이온으로는 디알킬이미다졸륨, 알킬피리디늄, 4급 암모늄 및 4급 포스포늄에서 선택되는 어느 하나의 양이온이며, 상기 음이온으로는 NO3 -, BF4 -, PF6 -, AlCl4 -, Al2Cl7 -, TfO-(Trifluoromethanesulfonate), Tf2N-(Trifluoromethanesulfonylamide) 및 CH3CH(OH)CO2-(L-lactate) 중에서 선택되는 어느 하나의 음이온인, 기체분리막.
According to claim 2,
The ionic liquid is composed of an organic cation and an anion, and the cation is any one cation selected from dialkylimidazolium, alkylpyridinium, quaternary ammonium, and quaternary phosphonium, and the anion is NO Among 3 - , BF 4 - , PF 6 - , AlCl 4 - , Al 2 Cl 7 - , TfO-(Trifluoromethanesulfonate), Tf 2 N-(Trifluoromethanesulfonylamide) and CH 3 CH(OH)CO 2 -(L-lactate) Any one of the anions selected, the gas separation membrane.
제2항에 있어서,
상기 복합물은, 상기 화학식 1로 표시되는 공중합체 100 중량부에 대하여, 은염 200 내지 500 중량부, 이온성 액체 20 내지 50 중량부로 포함하는 것인, 기체분리막.
According to claim 2,
The composite includes 200 to 500 parts by weight of a silver salt and 20 to 50 parts by weight of an ionic liquid, based on 100 parts by weight of the copolymer represented by Chemical Formula 1.
제1항에 있어서,
상기 다공성 기재의 표면은 추가적인 거터층이 더 형성된 것인, 기체분리막.
According to claim 1,
The gas separation membrane, wherein an additional gutter layer is further formed on the surface of the porous substrate.
제6항에 있어서,
상기 거터층은 실록산계 고분자 또는 치환계 폴리아세틸렌을 포함하는 것인 기체분리막.
According to claim 6,
The gas separation membrane wherein the gutter layer includes a siloxane-based polymer or a substituted polyacetylene.
제1항에 있어서,
상기 선택층의 두께는 300 ㎚ 내지 1,000 ㎚인, 기체분리막.
According to claim 1,
The thickness of the selective layer is 300 nm to 1,000 nm, the gas separation membrane.
제1항에 있어서,
상기 기체분리막은, 25 ℃1 bar에서의 CO/N2 선택도가 2.0 이상인, 기체분리막.
According to claim 1,
The gas separation membrane has a CO / N 2 selectivity of 2.0 or more at 25 ° C. 1 bar.
제1항에 있어서,
상기 기체분리막은, 일산화탄소를 선택적으로 촉진 수송(facilitated transport) 분리하는 용도인, 기체분리막.
According to claim 1,
The gas separation membrane is a gas separation membrane for selectively separating carbon monoxide by facilitated transport.
하기 화학식 1로 표시되는 공중합체, 은염 및 이온성 액체를 포함하는 복합물을 제조하는 단계; 및
상기 복합물을 다공성 기재의 표면에 코팅 및 건조하여 아크릴계 선택층을 형성하는 단계;를 포함하는 기체분리막의 제조방법.
[화학식1]
Figure 112021007041919-pat00019

(상기 화학식 1에서,
상기 R1, R1'는 서로 동일하거나 상이하며 각각 독립적으로 수소 및 -CH3 중에서 선택되고,
상기 R2, R2'는 서로 동일하거나 상이하며, 각각 독립적으로 직쇄 또는 분지형의 C2~C6의 알킬렌기이고,
상기 R3는 각각 독립적으로, 수소 또는 C1~C3의 알킬기이고,
상기 x= 1 내지 300의 자연수, y= 1 내지 600의 자연수, z= 1 내지 3의 자연수이다.)
preparing a composite comprising a copolymer represented by Chemical Formula 1, a silver salt, and an ionic liquid; and
A method of manufacturing a gas separation membrane comprising the steps of coating and drying the composite on the surface of a porous substrate to form an acrylic selective layer.
[Formula 1]
Figure 112021007041919-pat00019

(In Formula 1 above,
The R 1 and R 1 'are the same as or different from each other and are each independently selected from hydrogen and -CH 3 ,
The R 2 and R 2 'are the same as or different from each other, and are each independently a straight-chain or branched C2-C6 alkylene group,
Wherein R 3 is each independently hydrogen or a C1-C3 alkyl group,
Wherein x = a natural number from 1 to 300, y = a natural number from 1 to 600, and z = a natural number from 1 to 3.)
제11항에 있어서,
상기 아크릴계 선택층을 형성하는 단계 이전에, 다공성 기재의 표면에 추가적인 거터층을 더 형성하는 단계를 포함하는 것인, 기체분리막의 제조방법.
According to claim 11,
The method of manufacturing a gas separation membrane comprising the step of further forming an additional gutter layer on the surface of the porous substrate before the step of forming the acrylic selective layer.
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