KR102538247B1 - Hollow fiber composite membrane, manufacturing method thereof, gas separation membrane comprising the hollow fiber composite membrane - Google Patents

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Abstract

본 발명은 중공사 복합막, 그 제조방법, 상기 중공사 복합막을 포함하는 기체 분리막에 관한 것으로, 보다 구체적으로 다공성 지지체 중공사막의 내표면 상에 계면 중합에 의해 폴리도파민으로 캡슐화된 미세다공성 무기충전제를 포함하는 폴리아미드층이 형성된 중공사 복합막을 제조함으로써 비표면적을 증대시키고, 무기충전제의 균일한 분산으로 기체분자의 이동통로 및 흡착을 용이하게 하여 기체 투과도 및 선택도를 현저하게 향상시킬 수 있다. 뿐만 아니라 소량의 무기충전제 사용으로도 균일한 복합막 형성이 가능하며, 가격 경쟁력을 극대화할 수 있다.The present invention relates to a hollow fiber composite membrane, a method for manufacturing the same, and a gas separation membrane including the hollow fiber composite membrane, and more particularly, to a microporous inorganic filler encapsulated with polydopamine on the inner surface of a porous support hollow fiber membrane by interfacial polymerization. By manufacturing a hollow fiber composite membrane on which a polyamide layer containing is formed, the specific surface area is increased, and the gas permeability and selectivity can be remarkably improved by facilitating the passage and adsorption of gas molecules through the uniform dispersion of the inorganic filler. . In addition, a uniform composite film can be formed even with a small amount of inorganic filler, and price competitiveness can be maximized.

Description

중공사 복합막, 그 제조방법, 상기 중공사 복합막을 포함하는 기체 분리막{Hollow fiber composite membrane, manufacturing method thereof, gas separation membrane comprising the hollow fiber composite membrane}Hollow fiber composite membrane, manufacturing method thereof, gas separation membrane comprising the hollow fiber composite membrane

본 발명은 중공사 복합막, 그 제조방법, 상기 중공사 복합막을 포함하는 기체 분리막에 관한 것이다.The present invention relates to a hollow fiber composite membrane, a manufacturing method thereof, and a gas separation membrane including the hollow fiber composite membrane.

지난 30년 동안 분리막 공정은 다른 분리정제 기술과 비교하여 높은 에너지 효율 및 단순한 운전방법 그리고 신뢰성 등의 장점을 가지고 있어 화학, 담수화 플랜트, 식음료 산업, 제약 산업 및 가스 정제와 같은 다양한 분야에서 핵심요소로 개발되었다. For the past 30 years, the membrane process has been used as a key element in various fields such as chemical, desalination plants, food and beverage industries, pharmaceutical industries, and gas purification, as it has advantages such as high energy efficiency, simple operation method, and reliability compared to other separation and purification technologies. has been developed

기체 분리나 역삼투 공정 등과 같은 일반적인 분리막 공정의 경우 투과도와 선택도 사이에서 트레이드-오프 현상(trade-off phenomenon)을 나타내고 있으며, 이러한 분리막 공정에서 더 낮은 에너지의 소비와 공정비용 감소를 위해서는 보다 높은 투과도 및 선택도를 갖는 분리막 소재를 필요로 한다. 이러한 분리막 중 특히 유기 고분자 분리막은 분리하고자 하는 목적에 따라 다양한 물리-화학적 특성을 갖는 다양한 소재의 선택이 용이하며 분리막의 제조에 있어서도 저렴한 장점을 가지고 있어 많은 분리공정에 활용되어져 왔다.In the case of a general membrane process such as gas separation or reverse osmosis process, there is a trade-off phenomenon between permeability and selectivity. A separation membrane material having permeability and selectivity is required. Among these membranes, organic polymer membranes in particular have been used in many separation processes because they are easy to select from various materials having various physico-chemical properties according to the purpose of separation and have low cost in manufacturing the membranes.

분리공정에서 투과도 또는 선택도를 향상시키고자 하는 많은 노력들이 이루어지고 있으며, 이러한 연구 중에 최근 고투과 특성을 갖는 미세 다공성 물질 또는 무기 물질을 유기 고분자에 첨가제로 넣어서 제조한 MMMs(mixed matrix membranes)을 사용하여 기체 분리 성능에 대한 투과도와 선택도를 높이기 위한 많은 연구가 진행 중에 있다. In the separation process, many efforts have been made to improve permeability or selectivity. Among these studies, MMMs (mixed matrix membranes) prepared by adding microporous materials or inorganic materials with high permeability characteristics to organic polymers as additives have been used. Therefore, many studies are in progress to increase permeability and selectivity for gas separation performance.

그 중 다공성의 MOF(Metal-organic framework)를 사용한 MMMs의 제조를 통한 기체 분리가 많이 연구되고 있으며, 이러한 예로서 폴리아크릴산(poly(acrylic acid), PAA)에 MOF를 혼합하여 H2/CO2의 선택도가 20.3인 우수한 결과를 도출하였고, 폴리설폰 중공사막(hollow fiber membrane) 지지체에 MOF와 함께 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS)을 코팅하여 역시 H2/CO2에 대해 21.03의 높은 선택도를 얻었다. Among them, gas separation through the manufacture of MMMs using a porous metal-organic framework (MOF) has been studied a lot. As an example, H 2 /CO 2 by mixing MOF with poly(acrylic acid) (PAA) An excellent result was obtained with a selectivity of 20.3, and a high selectivity of 21.03 for H 2 /CO 2 was also obtained by coating polydimethylsiloxane (PDMS) with MOF on a polysulfone hollow fiber membrane support. got

또한 다른 연구에서는 Matrimid-5218에 다공성 물질인 COFs(Covalent organic frameworks)을 혼입하여 얻어진 MMMs를 통해 CO2/CH4 분리에 대해 CO2 투과성이 15 Barrer이고, CO2/CH4에 대한 선택도가 32 정도인 우수한 결과를 얻었다. 이 외에도 ZIF-8(Zeolitic imidazolate framework-8)을 폴리설폰(Polysulfone), PVC-g-POEM, PIM-1(polymer intrinsic microporosity-1), 폴리벤즈이미다졸(polybenzimidazole), Matrimid-5218 등과 같이 다양한 고분자와 혼합하여 얻어진 MMMs을 활용해 H2, CO2, N2, CH4 등의 기체 분리에 활용한 연구들도 진행되고 있다.In addition, in another study, CO 2 permeability for CO 2 /CH 4 separation was 15 Barrer through MMMs obtained by incorporating COFs (covalent organic frameworks), a porous material, into Matrimid-5218, and selectivity for CO 2 /CH 4 was 32 was obtained with excellent results. In addition to this, ZIF-8 (Zeolitic imidazolate framework-8) can be used in various applications such as Polysulfone, PVC-g-POEM, PIM-1 (polymer intrinsic microporosity-1), polybenzimidazole, and Matrimid-5218. Research on the use of MMMs obtained by mixing with polymers for gas separation such as H 2 , CO 2 , N 2 , and CH 4 is also being conducted.

이와 같이 다양한 유-무기(organic-inorganic)물질들이 MMMs의 소재로 활용되고 있는 가운데 다양한 무기물질을 유기 고분자에 접목시켜서 무기물질이 가진 나노 다공성 특성을 잃지 않으면서 막을 얻는 박막 나노복합체(thin film nanocomposite, TFN)에 대한 많은 연구가 진행되었다. 무기물질을 분리막에 고정시키는 방법에는 무기물질을 고분자 용액 상태에서 혼합한 후 막을 제조하거나 또는 고분자 지지체 표면에 박막 형태로 무기물이 흡착된 코팅층을 형성하는 방법이 대표적이며, 주로 용액 혼합법이 많이 사용되었다.As such, various organic-inorganic materials are being used as materials for MMMs, and thin film nanocomposites are obtained by grafting various inorganic materials to organic polymers to obtain a film without losing the nanoporous characteristics of inorganic materials. , TFN), many studies have been conducted. Methods for fixing inorganic materials to a separator are representative methods of preparing a membrane after mixing inorganic materials in a polymer solution state or forming a coating layer in which inorganic materials are adsorbed in the form of a thin film on the surface of a polymer support, and the solution mixing method is mainly used. It became.

그러나 용액 혼합법에 의해 형성된 조밀한 막(dense membrane)의 경우 무기 충전제의 균일한 분포가 어렵기 때문에 첨가된 대부분의 나노입자들이 투과도/선택도에 영향을 미치는 분리 계수(separation factor)로 작용하지 않는 문제가 있다. 뿐만 아니라 제막(membrane-casting)을 하는데 있어서 많은 양의 무기물이 사용되기 때문에 가격적인 경쟁력이 떨어지는 문제가 있다.However, in the case of a dense membrane formed by the solution mixing method, it is difficult to uniformly distribute the inorganic filler, so most of the added nanoparticles do not act as a separation factor affecting permeability/selectivity. There is a problem not In addition, since a large amount of inorganic materials are used in membrane-casting, there is a problem in that price competitiveness is low.

따라서 무기물 및 유기 고분자를 포함하는 박막 나노복합체를 형성하되, 기존 용액 혼합법이 가진 문제들을 보완할 수 있는 새로운 기술 개발이 필요한 실정이다.Therefore, it is necessary to develop a new technology capable of supplementing the problems of the existing solution mixing method while forming a thin film nanocomposite containing an inorganic material and an organic polymer.

한국등록특허 제10-1920716호Korean Patent Registration No. 10-1920716

상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 본 발명은 다공성 지지체 중공사막의 내표면 상에 계면 중합에 의해 폴리도파민으로 캡슐화된 미세다공성 무기충전제를 포함하는 폴리아미드층이 형성된 중공사 복합막을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.In order to solve the above problems, the present invention is to provide a hollow fiber composite membrane in which a polyamide layer containing a microporous inorganic filler encapsulated with polydopamine is formed on the inner surface of the porous support hollow fiber membrane by interfacial polymerization. to be

또한, 본 발명은 중공사 복합막을 포함하여 기체 투과도 및 선택도가 향상된 기체 분리막을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide a gas separation membrane having improved gas permeability and selectivity, including a hollow fiber composite membrane.

또한, 본 발명은 계면 중합법을 이용한 중공사 복합막의 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a hollow fiber composite membrane using an interfacial polymerization method.

본 발명은 다공성 지지체 중공사막; 및 상기 다공성 지지체 중공사막의 내표면에 형성되고, 폴리도파민으로 캡슐화된 미세다공성 무기충전제를 포함하는 폴리아미드층;을 포함하고, 상기 미세다공성 무기충전제는 하기 화학식 1로 이루어진 티타노실리케이트(Engelhard titanosilicate-4, ETS-4)인 것인 중공사 복합막을 제공한다.The present invention is a porous support hollow fiber membrane; and a polyamide layer formed on the inner surface of the porous support hollow fiber membrane and including a microporous inorganic filler encapsulated with polydopamine, wherein the microporous inorganic filler is a titanosilicate (Engelhard titanosilicate- 4, ETS-4) to provide a hollow fiber composite membrane.

[화학식 1][Formula 1]

Na9Si12Ti5O35(OH)·xH2ONa 9 Si 12 Ti 5 O 35 (OH) xH 2 O

(상기 화학식 1에서, x는 1 내지 20의 정수이다.)(In Formula 1, x is an integer from 1 to 20.)

또한 본 발명은 상기 중공사 복합막을 포함하는 기체 분리막을 제공한다.In addition, the present invention provides a gas separation membrane including the hollow fiber composite membrane.

또한 본 발명은 다공성 지지체 중공사막을 제조하는 단계; 하기 화학식 1로 이루어진 티타노실리케이트(Engelhard titanosilicate-4, ETS-4)를 제조하는 단계; 상기 티타노실리케이트에 폴리도파민을 혼합하여 폴리도파민으로 캡슐화된 미세다공성 무기충전제를 제조하는 단계; 상기 다공성 지지체 중공사막의 내표면 상에 상기 폴리도파민으로 캡슐화된 미세다공성 무기충전제, 수성 단량체 용액 및 유기 단량체 용액을 투입하고, 계면중합 반응시켜 폴리아미드층이 형성된 중공사 복합막을 제조하는 단계; 및 상기 중공사 복합막을 열처리하는 단계;를 포함하는 중공사 복합막의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of preparing a porous support hollow fiber membrane; Preparing a titanosilicate (Engelhard titanosilicate-4, ETS-4) composed of Formula 1; preparing a microporous inorganic filler encapsulated with polydopamine by mixing polydopamine with the titanosilicate; Preparing a hollow fiber composite membrane having a polyamide layer by injecting a microporous inorganic filler encapsulated with polydopamine, an aqueous monomer solution, and an organic monomer solution on an inner surface of the porous support hollow fiber membrane and conducting an interfacial polymerization reaction; and heat-treating the hollow fiber composite membrane.

[화학식 1][Formula 1]

Na9Si12Ti5O35(OH)·xH2ONa 9 Si 12 Ti 5 O 35 (OH) xH 2 O

(상기 화학식 1에서, x는 1 내지 20의 정수이다.)(In Formula 1, x is an integer from 1 to 20.)

본 발명에 따른 중공사 복합막은 다공성 지지체 중공사막의 내표면 상에 계면 중합에 의해 폴리도파민으로 캡슐화된 미세다공성 무기충전제를 포함하는 폴리아미드층이 형성된 중공사 복합막을 제조함으로써 비표면적을 증대시키고, 무기충전제의 균일한 분산으로 기체분자의 이동통로 및 흡착을 용이하게 하여 기체 투과도 및 선택도를 현저하게 향상시킬 수 있다. 뿐만 아니라 소량의 무기충전제 사용으로도 균일한 복합막 형성이 가능하며, 가격 경쟁력을 극대화할 수 있다. The hollow fiber composite membrane according to the present invention increases the specific surface area by preparing a hollow fiber composite membrane in which a polyamide layer containing a microporous inorganic filler encapsulated with polydopamine is formed on the inner surface of the porous support hollow fiber membrane by interfacial polymerization, The uniform dispersion of the inorganic filler facilitates the passage and adsorption of gas molecules, thereby remarkably improving gas permeability and selectivity. In addition, a uniform composite film can be formed even with a small amount of inorganic filler, and price competitiveness can be maximized.

본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 한정되지 않는다. 본 발명의 효과는 이하의 설명에서 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.The effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above. It should be understood that the effects of the present invention include all effects that can be inferred from the following description.

도 1은 본 발명에 따른 중공사 복합막의 형성과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 ETS-4의 XRD 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에서 제조된 ETS-4의 SEM(a) 및 EDX 분석(b) 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에서 제조된PD-ETS-4의 TEM(a, b)과 EDX 맵핑 결과로 Si(c), Ti(d), N(e), O(f), Si, Ti, N 및 O의 원소 이미지(g)를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 ETS-4 및 PD-ETS-4의 TGA 결과 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1 내지 3에서 제조된 PD-ETS-4, PES 중공사막, PT, ETS-4-PT의 ATR-FTIR 스펙트럼 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 비교예 1에서 제조된 PES 중공사막(a) 및 실시예 1에서 제조된 PD-ETS-4-PT(b)에 대한 XPS 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 비교예 1 내지 3 및 실시예 1에서 제조된 PES 중공사막(a, e), PT(b, f), ETS-4-PT(c, g), PD-ETS-4(d, h), 고정 ETS-4 나노입자(i)의 FE-SEM 단면 및 표면 이미지와 고정 ETS-4 나노입자의 EDX 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 비교예 1 내지 3 및 실시예 1에서 제조된 PES 중공사막, PT, ETS-4-PT, PD-ETS-4에 대하여 AFM의 접촉각과 3차원 이미지를 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 비교예 2, 3 및 실시예 1에서 제조된 PT, ETS-PT 및 PD-ETS-4에 대하여 작동압력(0.2 내지 2.0 bar)에 따른 CO2 가스 투과성(a), 작동 압력에 따른 N2 가스 투과성(b), 가스 운동 직경의 함수로서 다양한 가스(H2, CO2, N2, CH4)의 투과성(c), 작동 압력에 따른 CO2/N2 이상 기체 선택성(d), 다양한 이상기체 선택성(e) 및 H2 투과성에 따른 H2/CO2 선택성(f)을 분석한 결과 그래프들이다.
1 is a view schematically showing a process of forming a hollow fiber composite membrane according to the present invention.
2 is an XRD graph of ETS-4 prepared in Example 1 of the present invention.
Figure 3 shows the results of SEM (a) and EDX analysis (b) of ETS-4 prepared in Example 1 of the present invention.
Figure 4 shows Si (c), Ti (d), N (e), O (f), Si as a result of TEM (a, b) and EDX mapping of PD-ETS-4 prepared in Example 1 of the present invention. , Ti, N and O are shown in the elemental image (g).
5 is a TGA result graph of ETS-4 and PD-ETS-4 prepared in Example 1 of the present invention.
6 is a graph showing the results of ATR-FTIR spectrum analysis of PD-ETS-4, PES hollow fiber membranes, PT, and ETS-4-PT prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 to 3 of the present invention.
7 is a graph showing the results of XPS analysis for the PES hollow fiber membrane (a) prepared in Comparative Example 1 and the PD-ETS-4-PT (b) prepared in Example 1 of the present invention.
8 is a PES hollow fiber membrane (a, e), PT (b, f), ETS-4-PT (c, g), PD-ETS-4 prepared in Comparative Examples 1 to 3 and Example 1 of the present invention (d, h), FE-SEM cross-sectional and surface images of immobilized ETS-4 nanoparticles (i) and EDX analysis results of immobilized ETS-4 nanoparticles are shown.
9 shows AFM contact angles and three-dimensional images of PES hollow fiber membranes, PT, ETS-4-PT, and PD-ETS-4 prepared in Comparative Examples 1 to 3 and Example 1 of the present invention.
10 is CO 2 gas permeability (a) according to operating pressure (0.2 to 2.0 bar) for PT, ETS-PT, and PD-ETS-4 prepared in Comparative Examples 2 and 3 and Example 1 of the present invention, and operation N 2 gas permeability as a function of pressure (b), permeability of various gases (H 2 , CO 2 , N 2 , CH 4 ) as a function of gas kinetic diameter (c), CO 2 /N 2 ideal gas selectivity as a function of operating pressure (d), these are graphs as a result of analyzing various ideal gas selectivities (e) and H 2 /CO 2 selectivity (f) according to H 2 permeability.

이하 본 발명을 실시예 및 도면과 함께 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with examples and drawings.

본 발명은 중공사 복합막, 그 제조방법, 상기 중공사 복합막을 포함하는 기체 분리막에 관한 것이다.The present invention relates to a hollow fiber composite membrane, a manufacturing method thereof, and a gas separation membrane including the hollow fiber composite membrane.

앞서 설명한 바와 같이, 기존의 박막 나노복합체는 용액 혼합법에 의해 박막을 형성하였으나, 무기충전제의 균일한 분포가 어려워 기체 투과도 및 선택도에 영향을 미치는 분리계수로의 작용이 용이하지 않았으며, 제막하는데 많은 양의 무기물이 사용되어 가격 경쟁력이 떨어지는 문제가 있었다.As described above, the existing thin film nanocomposite was formed into a thin film by a solution mixing method, but it was difficult to uniformly distribute the inorganic filler, so it was not easy to act as a separation factor affecting gas permeability and selectivity. However, there was a problem in that a large amount of inorganic materials was used, and price competitiveness was low.

이에 본 발명에서는 이러한 단점을 보완하고자 중공사 복합막은 다공성 지지체 중공사막의 내표면 상에 계면 중합에 의해 폴리도파민으로 캡슐화된 미세다공성 무기충전제를 포함하는 폴리아미드층이 형성된 중공사 복합막을 제조함으로써 비표면적을 증대시키고, 무기충전제의 균일한 분산으로 기체분자의 이동통로 및 흡착을 용이하게 하여 기체 투과도 및 선택도를 현저하게 향상시킬 수 있다. 뿐만 아니라 나노미터 두께의 무기충전제를 포함한 폴리아미드층을 형성하여 소량의 무기충전제 사용으로도 균일한 복합막 형성이 가능하며, 가격 경쟁력을 극대화할 수 있다. Therefore, in the present invention, in order to compensate for these disadvantages, the hollow fiber composite membrane is prepared by preparing a hollow fiber composite membrane in which a polyamide layer containing a microporous inorganic filler encapsulated with polydopamine is formed on the inner surface of the porous support hollow fiber membrane by interfacial polymerization. The gas permeability and selectivity can be remarkably improved by increasing the surface area and facilitating the passage and adsorption of gas molecules through the uniform dispersion of the inorganic filler. In addition, by forming a polyamide layer including an inorganic filler with a nanometer thickness, a uniform composite film can be formed even with a small amount of inorganic filler, and price competitiveness can be maximized.

구체적으로 본 발명은 다공성 지지체 중공사막; 및 상기 다공성 지지체 중공사막의 내표면에 형성되고, 폴리도파민으로 캡슐화된 미세다공성 무기충전제를 포함하는 폴리아미드층;을 포함하고, 상기 미세다공성 무기충전제는 하기 화학식 1로 이루어진 티타노실리케이트(Engelhard titanosilicate-4, ETS-4)인 것인 중공사 복합막을 제공한다.Specifically, the present invention is a porous support hollow fiber membrane; and a polyamide layer formed on the inner surface of the porous support hollow fiber membrane and including a microporous inorganic filler encapsulated with polydopamine, wherein the microporous inorganic filler is a titanosilicate (Engelhard titanosilicate- 4, ETS-4) to provide a hollow fiber composite membrane.

[화학식 1][Formula 1]

Na9Si12Ti5O35(OH)·xH2ONa 9 Si 12 Ti 5 O 35 (OH) xH 2 O

(상기 화학식 1에서, x는 1 내지 20의 정수이다.)(In Formula 1, x is an integer from 1 to 20.)

상기 다공성 지지체 중공사막은 다른 종류의 분리막에 비해 단위 부피 당 훨씬 큰 비표면적을 가지고 있어 높은 가스 투과가 가능하며 대규모 공정에 적용 가능한 이점이 있다. 또한 이러한 상기 다공성 지지체 중공사막의 내표면 상에 높은 가스 투과도 및 선택도를 갖는 무기충전제를 포함한 폴리아미드층을 형성함으로써 실제 기체 분리공정에 적용 가능한 수준의 우수한 가스 투과도 및 선택성을 갖는 이점이 있다.The porous support hollow fiber membrane has a much larger specific surface area per unit volume than other types of separation membranes, enabling high gas permeability and being applicable to large-scale processes. In addition, by forming a polyamide layer including an inorganic filler having high gas permeability and selectivity on the inner surface of the porous support hollow fiber membrane, there is an advantage of having excellent gas permeability and selectivity applicable to an actual gas separation process.

상기 다공성 지지체 중공사막은 폴리에테르술폰, 폴리술폰, 폴리에테르이미드, 폴리이미드, 폴리카보네이트, 폴리아크릴로니트릴 및 셀룰로오스아세테이트로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 고분자로 이루어진 것일 수 있다. 바람직하게는 상기 다공성 지지체 중공사막은 폴리에테르술폰, 폴리술폰 또는 이들의 혼합물일 수 있고, 가장 바람직하게는 폴리에테르술폰일 수 있다. 상기 폴리에테르술폰은 다른 고분자들에 비해 고분자 사실간의 인력이 높아 높은 기체 투과도는 낮지만 상대적으로 높은 선택도를 가질 수 있다. The porous support hollow fiber membrane may be made of at least one polymer selected from the group consisting of polyethersulfone, polysulfone, polyetherimide, polyimide, polycarbonate, polyacrylonitrile, and cellulose acetate. Preferably, the porous support hollow fiber membrane may be polyethersulfone, polysulfone, or a mixture thereof, and most preferably may be polyethersulfone. Compared to other polymers, the polyethersulfone has a high gas permeability due to high attraction between polymers, but may have relatively high selectivity despite low gas permeability.

상기 다공성 지지체 중공사막은 내경이 100 내지 400 ㎛이고, 평균 두께가 100㎛ 내지 300㎛일 수 있고, 바람직하게는 상기 내경이 200 내지 300 ㎛이고, 평균 두께가 100 내지 200 ㎛일 수 있다. 이때, 상기 다공성 지지체 중공사막의 내경 및 평균 두께가 상기 범위를 모두 만족하지 않는 경우 기체분자가 투과 및 흡착되는 표면적이 줄어들고, 무기충전제가 표면에 균일하게 분포되지 않아 결과적으로 기체 투과도 및 선택도가 저하될 수 있다.The porous support hollow fiber membrane may have an inner diameter of 100 to 400 μm and an average thickness of 100 μm to 300 μm, preferably an inner diameter of 200 to 300 μm and an average thickness of 100 to 200 μm. At this time, when the inner diameter and average thickness of the porous support hollow fiber membrane do not satisfy both of the above ranges, the surface area through which gas molecules are permeated and adsorbed is reduced, and the inorganic filler is not uniformly distributed on the surface, resulting in increased gas permeability and selectivity. may be lowered

상기 화학식 1로 표시되는 티타노실리케이트(Engelhard titanosilicate-4, ETS-4)는 Si/Ti의 중량비가 2 내지 4, 바람직하게는 2.5 내지 3.5, 가장 바람직하게는 3.0 내지 3.2일 수 있다. 상기 Si/Ti의 중량비는 상기 범위를 만족하는 경우 기체분자의 투과도 및 선택도를 증대시킬 수 있으며, 이상적인 가스투과 분리막의 물질로서 잠재력을 나타낼 수 있다. The titanosilicate (Engelhard titanosilicate-4, ETS-4) represented by Chemical Formula 1 may have a Si/Ti weight ratio of 2 to 4, preferably 2.5 to 3.5, and most preferably 3.0 to 3.2. When the weight ratio of Si/Ti satisfies the above range, permeability and selectivity of gas molecules can be increased, and it can exhibit potential as an ideal gas permeation separation membrane material.

또한 상기 티타노실리케이트는 기공 직경이 0.3 내지 0.4 nm를 가질 수 있다. 상기 티타노실리케이트는 코너 공유(corner-sharing) SiO4 4면체(tetrahedral) 및 TiO6 8면체(octahedral) 구조로 구성되어 있다. 이러한 균일한 기공 직경뿐만 아니라 높은 비표면적을 가져 분자체(molecular sieving)의 공극크기 보다 작은 직경의 기체 분자들을 흡수할 수 있는데, 기공 직경이 0.3 nm 보다 크기가 작은 H2O, N2, NH3, H2S, SO2 같은 분자들을 흡착할 수 있다. 특히 H2 투과도 및 H2/CO2 선택도를 현저하게 향상시킬 수 있다. 이러한 특성을 이용하여 상기 티타노실리케이트(ETS-4)는 연료전지, 투과증발(pervaporation) 및 수증기 분리와 같이 다양한 분야에 적용 가능한 이점이 있다. In addition, the titanosilicate may have a pore diameter of 0.3 to 0.4 nm. The titanosilicate is composed of corner-sharing SiO 4 tetrahedral and TiO 6 octahedral structures. This uniform pore diameter as well as a high specific surface area can absorb gas molecules with a diameter smaller than the pore size of molecular sieving, H 2 O, N 2 , NH with a pore diameter smaller than 0.3 nm 3 , H 2 S, and SO 2 molecules can be adsorbed. In particular, H 2 permeability and H 2 /CO 2 selectivity can be significantly improved. Using these characteristics, the titanosilicate (ETS-4) has the advantage of being applicable to various fields such as fuel cells, pervaporation, and water vapor separation.

이러한 상기 티타노실리케이트는 상기 폴리아미드층을 형성하는 고분자들과의 상호작용과 계면 중합을 극대화하고, 상호 정전 반발력에 의해 상기 티타노실리케이트 나노입자 간에 응집 현상을 방지하여 상기 폴리아미드층에 고르게 분산시키기 위해 상기 티타노실리케이트의 표면을 양전하를 갖는 폴리도파민으로 자가 중합에 의해 캡슐화하는 것이 바람직하다. 상기 폴리도파민(polydopamine, PD)은 해양 홍합(marine mussels)에서 추출되며, 강한 공유 및 비공유 상호작용을 통하여 유기 및 무기 표면과의 상호작용을 형성할 수 있다.The titanosilicate maximizes interaction and interfacial polymerization with the polymers forming the polyamide layer, and prevents aggregation between the titanosilicate nanoparticles by mutual electrostatic repulsion to evenly disperse them in the polyamide layer. It is preferable to encapsulate the surface of the titanosilicate with positively charged polydopamine by self polymerization. The polydopamine (PD) is extracted from marine mussels and can form interactions with organic and inorganic surfaces through strong covalent and non-covalent interactions.

다시 말해, 상기 중공사 복합막에서 기체분자가 상기 폴리아미드층의 티타노실리케이트(ETS-4) 입자만을 통해서 통과할 때 효율적인 혼합매트릭스막(MMM)의 기체투과 분리막으로서의 특성을 나타낼 수 있다. 만일 상기 티타노실리케이트(ETS-4)와 폴리아미드층 사이에 열악한 상호작용이 발생할 경우 기체 분자는 상기 티타노실리케이트(ETS-4)를 통한 투과가 이루어지는 것이 아니라 상기 티타노실리케이트를 우회(tortuous pathway)하여 혼합매트릭막 내에 존재하는 공극(void)을 통한 투과가 이루어지게 되는데, 이 경우 낮은 기체 선택도를 야기하는 문제가 있다. 이에 따라 해양 홍합에서 추출되며 강한 공유 및 비공유 상호작용을 통하여 유기 및 무기 표면과의 상호작용을 형성할 수 있는 폴리도파민을 중합하여 상기 티타노실리케이트(ETS-4)를 에워싼 형태(encapsulated)로 캡슐화하여 공극(void) 발생으로 인한 문제를 최소화할 수 있다.In other words, in the hollow fiber composite membrane, when gas molecules pass only through the titanosilicate (ETS-4) particles of the polyamide layer, it can exhibit characteristics as an efficient gas permeation membrane of a mixed matrix membrane (MMM). If poor interaction occurs between the titanosilicate (ETS-4) and the polyamide layer, gas molecules do not permeate through the titanosilicate (ETS-4), but bypass the titanosilicate (tortuous pathway) and mix. Permeation occurs through voids existing in the matrix membrane, and in this case, there is a problem of causing low gas selectivity. Accordingly, polydopamine, which is extracted from marine mussels and can form interactions with organic and inorganic surfaces through strong covalent and non-covalent interactions, is polymerized to encapsulate the titanosilicate (ETS-4) in encapsulated form This can minimize problems caused by voids.

상기 폴리도파민은 미세다공성 무기충전제 100 중량%에 대하여 1 내지 5 중량%, 바람직하게는 2 내지 4 중량%, 가장 바람직하게는 3 중량%를 포함할 수 있다. 이때, 상기 폴리도파민의 함량이 1 중량% 미만이면 상기 미세다공성 무기충전체의 표면을 균일한 두께로 고르게 캡슐화하는 것이 어려울 수 있고, 반대로 5 중량% 초과이면 미세다공성 무기충전제의 기공을 막아 투과도의 저하를 초래할 수 있다. The polydopamine may be included in an amount of 1 to 5% by weight, preferably 2 to 4% by weight, and most preferably 3% by weight, based on 100% by weight of the microporous inorganic filler. At this time, if the content of the polydopamine is less than 1% by weight, it may be difficult to evenly encapsulate the surface of the microporous inorganic filler with a uniform thickness, and conversely, if it exceeds 5% by weight, the pores of the microporous inorganic filler are blocked to increase the permeability. may cause degradation.

상기 폴리아미드층은 수성 단량체인 폴리에틸렌이민(polyethylenimine)과 유기 단량체인 1,3,5-벤젠트리카르보닐트리클로라이드(1,3,5-benzenetricarbonyl trichloride)간의 축합반응(condensation)에 의한 계면 중합(interfacial polymerization, IP)법으로 형성될 수 있다. 보다 상세하게는 상기 폴리아미드층은 폴리에틸렌이민 및 1,3,5-벤젠트리카르보닐트리클로라이드가 1 내지 5: 1 몰비, 바람직하게는 1.5 내지 4 몰비, 더욱 바람직하게는 1.8 내지 3 몰비, 가장 바람직하게는 2:1 몰비로 계면 중합되어 형성된 것일 수 있다. The polyamide layer is interfacial polymerization by condensation between polyethylenimine, an aqueous monomer, and 1,3,5-benzenetricarbonyl trichloride, an organic monomer (1,3,5-benzenetricarbonyl trichloride). It can be formed by interfacial polymerization (IP) method. More specifically, the polyamide layer contains polyethyleneimine and 1,3,5-benzenetricarbonyltrichloride in a 1 to 5:1 molar ratio, preferably 1.5 to 4 molar ratio, more preferably 1.8 to 3 molar ratio, most Preferably, it may be formed by interfacial polymerization at a molar ratio of 2:1.

상기 폴리아미드층은 폴리아미드층 100 중량%에 대하여 미세다공성 무기충전제를 0.05 내지 1 중량%, 바람직하게는 0.08 내지 0.7 중량%, 더욱 바람직하게는 0.09 내지 0.5 중량%, 가장 바람직하게는 0.1 내지 0.3 중량%를 포함할 수 있다. 이때, 상기 미세다공성 무기충전제의 함량이 0.05 중량% 미만이면 기체분자의 선택적 흡수와 이동 통로의 감소로 기체 투과도 및 선택성이 현저하게 저하될 수 있고, 반대로 1 중량% 초과이면 더 이상의 향상된 기체 투과도 및 선택성을 기대할 수 없으며, 가격 경쟁력이 떨어지는 문제가 있다.The polyamide layer contains 0.05 to 1% by weight, preferably 0.08 to 0.7% by weight, more preferably 0.09 to 0.5% by weight, most preferably 0.1 to 0.3% by weight of the microporous inorganic filler based on 100% by weight of the polyamide layer. % by weight. At this time, if the content of the microporous inorganic filler is less than 0.05% by weight, the gas permeability and selectivity may be significantly reduced due to the selective absorption of gas molecules and the reduction in the passage of movement. Selectivity cannot be expected, and there is a problem of low price competitiveness.

상기 폴리아미드층은 두께가 50 내지 200 nm, 바람직하게는 60 내지 140 nm, 더욱 바람직하게는 80 내지 110 nm, 가장 바람직하게는 96 내지 97 nm일 수 있다. 이때, 상기 폴리아미드층의 두께가 50 nm 미만이면 기체분자를 흡착하는 면적이 줄어들어 기체 선택도가 저하될 수 있고, 반대로 200 nm 초과이면 기체분자가 이동하는 통로가 길어져 충분한 투과가 어려워 기체 투과도가 저하될 수 있다. The polyamide layer may have a thickness of 50 to 200 nm, preferably 60 to 140 nm, more preferably 80 to 110 nm, and most preferably 96 to 97 nm. At this time, if the thickness of the polyamide layer is less than 50 nm, the area for adsorbing gas molecules is reduced and gas selectivity may be lowered. may be lowered

이와 같이, 상기 중공사 복합막은 H2, CO2, N2, CH4에 대한 기체 투과실험을 통하여 CO2에 대한 촉진 수송적 특성(facilitated transport property toward CO2)을 가질 수 있으며, 상기 티타노실리케이트(ETS-4)가 갖는 분자체(molecular sieving) 효과에 의해 특히 H2 투과도 및 H2/CO2 선택도를 현저하게 향상시킬 수 있다. As such, the hollow fiber composite membrane may have facilitated transport properties toward CO 2 through gas permeation experiments for H 2 , CO 2 , N 2 , and CH 4 , and the titanosilicate In particular, the H 2 permeability and H 2 /CO 2 selectivity can be significantly improved by the molecular sieving effect of (ETS-4).

도 1은 본 발명에 따른 중공사 복합막의 형성과정을 개략적으로 나타낸 도면이다. 상기 도 1을 참조하면, 다공성 지지체 중공사막의 내표면 상에 폴리에틸렌이민(polyethylenimine) 및 1,3,5-벤젠트리카르보닐트리클로라이드(1,3,5-benzenetricarbonyl trichloride)간의 축합반응에 의한 계면 중합으로 폴리아미드층이 형성된 것을 보여준다. 또한 상기 폴리아미드층은 폴리도파민으로 캡슐화된 미세다공성 무기충전제(ETS-4)가 상기 폴리에틸렌이민(polyethylenimine) 및 1,3,5-벤젠트리카르보닐트리클로라이드와의 상호 결합에 의해 균일하고 고르게 분산된 것을 보여준다.1 is a view schematically showing a process of forming a hollow fiber composite membrane according to the present invention. Referring to FIG. 1, the interface by condensation reaction between polyethylenimine and 1,3,5-benzenetricarbonyl trichloride on the inner surface of the porous support hollow fiber membrane It shows that a polyamide layer was formed by polymerization. In addition, in the polyamide layer, the microporous inorganic filler (ETS-4) encapsulated with polydopamine is uniformly and evenly dispersed by mutual bonding with the polyethylenimine and 1,3,5-benzene tricarbonyl trichloride. show what has happened

한편, 본 발명은 상기 중공사 복합막을 포함하는 기체 분리막을 제공한다.Meanwhile, the present invention provides a gas separation membrane including the hollow fiber composite membrane.

또한, 본 발명은 다공성 지지체 중공사막을 제조하는 단계; 하기 화학식 1로 이루어진 티타노실리케이트(Engelhard titanosilicate-4, ETS-4)를 제조하는 단계; 상기 티타노실리케이트에 폴리도파민을 혼합하여 폴리도파민으로 캡슐화된 미세다공성 무기충전제를 제조하는 단계; 상기 다공성 지지체 중공사막의 내표면 상에 상기 폴리도파민으로 캡슐화된 미세다공성 무기충전제, 수성 단량체 용액 및 유기 단량체 용액을 투입하고, 계면중합 반응시켜 폴리아미드층이 형성된 중공사 복합막을 제조하는 단계; 및 상기 중공사 복합막을 열처리하는 단계;를 포함하는 중공사 복합막의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of preparing a porous support hollow fiber membrane; Preparing a titanosilicate (Engelhard titanosilicate-4, ETS-4) composed of Formula 1; preparing a microporous inorganic filler encapsulated with polydopamine by mixing polydopamine with the titanosilicate; Preparing a hollow fiber composite membrane having a polyamide layer by injecting a microporous inorganic filler encapsulated with polydopamine, an aqueous monomer solution, and an organic monomer solution on an inner surface of the porous support hollow fiber membrane and conducting an interfacial polymerization reaction; and heat-treating the hollow fiber composite membrane.

[화학식 1][Formula 1]

Na9Si12Ti5O35(OH)·xH2ONa 9 Si 12 Ti 5 O 35 (OH) xH 2 O

(상기 화학식 1에서, x는 1 내지 20의 정수이다.)(In Formula 1, x is an integer from 1 to 20.)

상기 다공성 지지체 중공사막을 제조하는 단계는, 고분자, 기공 형성제 및 유기 용매를 혼합하여 도프 용액을 제조하는 단계; 상기 도프 용액을 방사노즐로 공급한 후 토출하여 중공사를 제조하는 단계; 상기 토출된 중공사를 내부응고제에 접촉시켜 다공성 지지체 중공사막을 형성하는 단계; 및 상기 다공성 지지체 중공사막을 세척한 후 건조하는 단계;를 더 포함할 수 있다.The preparing of the porous support hollow fiber membrane may include preparing a dope solution by mixing a polymer, a pore former, and an organic solvent; supplying the dope solution to a spinning nozzle and then discharging it to manufacture a hollow fiber; contacting the discharged hollow fiber with an internal coagulant to form a porous support hollow fiber membrane; and washing and then drying the porous support hollow fiber membrane.

상기 도프 용액을 제조하는 단계에서 고분자는 폴리에테르술폰, 폴리술폰, 폴리에테르이미드, 폴리이미드, 폴리카보네이트, 폴리아크릴로니트릴 및 셀룰로오스아세테이트로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 바람직하게는 상기 다공성 지지체 중공사막은 폴리에테르술폰, 폴리술폰 또는 이들의 혼합물일 수 있고, 가장 바람직하게는 폴리에테르술폰일 수 있다. In the step of preparing the dope solution, the polymer may be at least one selected from the group consisting of polyethersulfone, polysulfone, polyetherimide, polyimide, polycarbonate, polyacrylonitrile, and cellulose acetate. Preferably, the porous support hollow fiber membrane may be polyethersulfone, polysulfone, or a mixture thereof, and most preferably may be polyethersulfone.

상기 기공 형성제는 염화리튬(LiCl), 폴리에틸렌글리콜(PEG) 및 폴리비닐피로리돈(PVP)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있고, 바람직하게는 염화리튬(LiCl)일 수 있다. 상기 기공 형성제는 상기 다공성 지지체 중공사막의 기공율을 증가시키고, 기공 크기를 일정범위 내로 조절하는 역할을 할 수 있다. The pore forming agent may be at least one selected from the group consisting of lithium chloride (LiCl), polyethylene glycol (PEG), and polyvinylpyrrolidone (PVP), and preferably may be lithium chloride (LiCl). The pore former may serve to increase the porosity of the porous support hollow fiber membrane and control the pore size within a certain range.

상기 도프 용액을 제조하는 단계에서 도프 용액은 고분자 16 내지 22 중량%, 기공 형성제 4 내지 8 중량% 및 유기 용매 70 내지 80 중량%를 포함할 수 있다. In the step of preparing the dope solution, the dope solution may include 16 to 22% by weight of a polymer, 4 to 8% by weight of a pore former, and 70 to 80% by weight of an organic solvent.

상기 내부응고제는 도프용액 중 유기 용매와의 상호작용을 통해 막에 기공을 형성하고, 응고시켜 다공성 지지체 중공사막을 형성하는 역할을 할 수 있으며, 히드록시기(-OH) 작용기가 있는 용매라면 모두 사용이 가능하나, 바람직하게는 물, 에탄올, 프로판올 및 부탄올로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 사용하는 것이 좋다.The internal coagulant may serve to form pores in the membrane through interaction with the organic solvent in the dope solution and solidify to form a porous support hollow fiber membrane, and any solvent having a hydroxy group (-OH) functional group can be used. It is possible, but it is preferable to use at least one selected from the group consisting of water, ethanol, propanol and butanol.

상기 티타노실리케이트를 제조하는 단계는 증류수에 삼염화티타늄 용액, 과산화수소 용액 및 규산 나트륨 용액을 혼합하여 5H2O2: 0.5TiO2: 10SiO2: 18NaOH: 675H2O의 몰 조성을 갖는 혼합 용액을 제조할 수 있다. 상기 혼합 용액은 180 내지 230 ℃의 온도에서 40 내지 55 시간 동안 건조하여 결정화된 티타노실리케이트를 형성할 수 있다.In the step of preparing the titanosilicate, a mixed solution having a molar composition of 5H 2 O 2 : 0.5TiO 2 : 10SiO 2 : 18NaOH: 675H 2 O can be prepared by mixing a titanium trichloride solution, a hydrogen peroxide solution, and a sodium silicate solution in distilled water. there is. The mixed solution may be dried at a temperature of 180 to 230 °C for 40 to 55 hours to form crystallized titanosilicate.

상기 폴리도파민으로 캡슐화된 미세다공성 무기충전제를 제조하는 단계는 상기 티타노실리케이트에 폴리도파민을 투입하고, 자석 교반기를 이용하여 1 내지 3시간 동안 혼합한 후 상온에서 20 내지 26 시간 동완 반응시킬 수 있다. 이때, 상기 폴리도파민은 미세다공성 무기충전제 100 중량%에 대하여 1 내지 5 중량%, 바람직하게는 2 내지 4 중량%, 가장 바람직하게는 3 중량%를 혼합할 수 있다. In the step of preparing the microporous inorganic filler encapsulated with polydopamine, polydopamine is added to the titanosilicate, mixed for 1 to 3 hours using a magnetic stirrer, and then allowed to react at room temperature for 20 to 26 hours. In this case, the polydopamine may be mixed in an amount of 1 to 5% by weight, preferably 2 to 4% by weight, and most preferably 3% by weight, based on 100% by weight of the microporous inorganic filler.

상기 중공사 복합막을 제조하는 단계에서 계면 중합(interfacial polymerization, IP)은 박막 복합체(thin-film composite, TFC)막을 쉽게 얻을 수 있는 방법 중 하나로 상기 수성 단량체(아민계 화합물)과 유기 단량체(염화물계 화합물)간의 축합중합에 의해 수용액과 유기용매 간의 계면에서 폴리아미드층을 형성시킬 수 있다. 이때, 상기 계면 중합은 기존의 딥코팅(dip-coating), 스프레이 코팅(spray coating), 스핀 코팅(spin coating) 방법에 비해 중합이 단순하고 다양한 단량체들을 사용할 수 있는 장점이 있으며, 계면 중합법에 의해 얻어진 밀집된 박막층은 높은 기체 선택성을 가질 수 있다.In the step of manufacturing the hollow fiber composite membrane, interfacial polymerization (IP) is one of the ways to easily obtain a thin-film composite (TFC) membrane, and the aqueous monomer (amine-based compound) and the organic monomer (chloride-based) A polyamide layer can be formed at the interface between the aqueous solution and the organic solvent by condensation polymerization between the compounds). At this time, the interfacial polymerization has the advantage of simple polymerization and the use of various monomers compared to conventional dip-coating, spray coating, and spin coating methods, and the interfacial polymerization method The dense thin film layer obtained by can have high gas selectivity.

상기 중공사 복합막을 제조하는 단계에서 수성 단량체 용액은 폴리에틸렌이민을 포함할 수 있고, 유기 단량체 용액은 1,3,5-벤젠트리카르보닐트리클로라이드를 포함할 수 있다. 이때, 상기 수성 단량체 용액 및 유기 단량체 용액은 1 내지 5: 1 몰비, 바람직하게는 1.5 내지 4 몰비, 더욱 바람직하게는 1.8 내지 3 몰비, 가장 바람직하게는 2:1 몰비로 계면 중합시켜 폴리아미드를 합성할 수 있다.In the step of preparing the hollow fiber composite membrane, the aqueous monomer solution may include polyethyleneimine, and the organic monomer solution may include 1,3,5-benzenetricarbonyltrichloride. At this time, the aqueous monomer solution and the organic monomer solution are interfacially polymerized at a molar ratio of 1 to 5:1, preferably at a molar ratio of 1.5 to 4, more preferably at a molar ratio of 1.8 to 3, and most preferably at a molar ratio of 2:1 to obtain polyamide. can be synthesized.

상기 중공사 복합막을 제조하는 단계에서 상기 폴리도파민으로 캡슐화된 미세다공성 무기충전제는 상기 폴리아미드층 100 중량%에 대하여 0.05 내지 1 중량%, 바람직하게는 0.08 내지 0.7 중량%, 더욱 바람직하게는 0.09 내지 0.5 중량%, 가장 바람직하게는 0.1 내지 0.3 중량%를 포함할 수 있다. In the step of preparing the hollow fiber composite membrane, the microporous inorganic filler encapsulated with polydopamine is 0.05 to 1% by weight, preferably 0.08 to 0.7% by weight, more preferably 0.09 to 0.09% by weight, based on 100% by weight of the polyamide layer. 0.5% by weight, most preferably 0.1 to 0.3% by weight.

상기 중공사 복합막을 열처리하는 단계에서 열처리는 60 내지 100 ℃에서 5 내지 20분 동안 수행할 수 있고, 바람직하게는 70 내지 90 ℃에서 8 내지 12 분 동안 수행할 수 있다. 이때, 상기 열처리 온도 및 시간 조건을 모두 만족하지 않는 경우 상기 폴리아미드층에 잔존하는 용매가 충분히 제거되지 않을 수 있고, 잔존하는 용매에 의해 폴리아미드층의 구조적 변화를 야기하기 때문에 충분히 제거시키는 것이 중요하다.In the heat treatment of the hollow fiber composite membrane, the heat treatment may be performed at 60 to 100 °C for 5 to 20 minutes, preferably at 70 to 90 °C for 8 to 12 minutes. At this time, if both the heat treatment temperature and time conditions are not satisfied, the solvent remaining in the polyamide layer may not be sufficiently removed, and it is important to sufficiently remove the solvent because the remaining solvent causes structural changes in the polyamide layer. do.

이하, 실시예에 의하여 본 발명을 상세히 설명하겠으나, 다음 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by examples, but the present invention is not limited by the following examples.

실시예 1 Example 1

(1) PES 중공사막의 제조(1) Manufacture of PES hollow fiber membrane

PES 중공사막 제조를 위한 고분자 도프 용액은 하기 표 1과 같이 PES와 기공 형성제로 LiCl를 사용하고, 용매로 NMP를 사용하여 각각 18 : 5 : 77 중량%의 비율로 혼합하여 제조하였다. 구체적으로 PES 고분자(Ultrasonㄾ E6020P, BASF, Germany, M.W.=58,000 g/mol)를 LiCl (lithium chloride sigma Aldrich, USA)와 함께 NMP(N-methylpyrrolidone, SAMCHUM CHEMICALS, Korea) 용매 하에서 160 rpm 조건 하에서 3일 동안 60 ℃에서 약 160 rpm으로 교반하여 하기 표 1의 조성을 갖는 도프 용액(dope solution)을 제조하였다. 그 다음 상기 도프 용액을 진공펌프(vacuum pump)에 넣고, 하루 동안 도프 용액의 거품(bubbles)을 제거하였다. 이후 도프 용액은 기어 펌프를 이용하여 마이크론 필터(micron filter)를 거쳐 방적돌기(spinneret)(0.12/0.5 mm)로 이동시키고, 내부 응고제(internal coagulant)인 증류수(D.I. water)를 HPLC 펌프(Series pump, Lab alliance, USA)를 통해 공급하였다. 방적돌기를 통해 방사된 중공사는 1차 응고배치(primary coagulation bath)에서 완전한 상 전환이 일어나고, 2차 응고 배치를 거친 뒤 와인더 배치(winder bath)에서 세척한 후, 방사된 중공사막은 잔존 용매를 제거시키기 위해 1 주일간 세척 배치에서 흐르는 물 50 cm3/min로 세척 후 항온 건조실(313 K)에서 완전히 건조하여 다공성 지지체인 PES 중공사막을 제조하였다. As shown in Table 1 below, a polymer dope solution for preparing a PES hollow fiber membrane was prepared by mixing PES, LiCl as a pore forming agent, and NMP as a solvent at a ratio of 18:5:77% by weight, respectively. Specifically, the PES polymer (Ultrason E6020P, BASF, Germany, MW=58,000 g/mol) was mixed with LiCl (lithium chloride sigma Aldrich, USA) under NMP (N-methylpyrrolidone, SAMCHUM CHEMICALS, Korea) solvent at 160 rpm under 3 A dope solution having the composition shown in Table 1 was prepared by stirring at about 160 rpm at 60 °C for 1 day. Then, the dope solution was put into a vacuum pump, and bubbles in the dope solution were removed for one day. Thereafter, the dope solution is moved to a spinneret (0.12/0.5 mm) through a micron filter using a gear pump, and distilled water (DI water), an internal coagulant, is passed through a HPLC pump (Series pump). , Lab alliance, USA). The hollow fiber spun through the spinneret undergoes complete phase conversion in the primary coagulation bath, and after going through the secondary coagulation bath and washing in the winder bath, the spun hollow fiber membrane is left with residual solvent. In order to remove the PES hollow fiber membrane as a porous support, it was washed with 50 cm 3 /min of flowing water in a washing batch for one week and then completely dried in a constant temperature drying room (313 K).

Figure 112021050163024-pat00001
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(2) ETS-4 및 폴리도파민으로 캡슐화된 ETS-4(PD-ETS-4) 합성(2) Synthesis of ETS-4 and polydopamine-encapsulated ETS-4 (PD-ETS-4)

(2-1) ETS-4 합성(2-1) Synthesis of ETS-4

미네랄 제올라이트 8면체/4면체 골격체(Mineral zeolite octahedral/tetrahedral framework)를 갖는 ETS-4는 다음과 같이 합성되었다. 즉, 증류수에 수산화나트륨(Aldrich, 97%)을 용해시킨 후 삼염화티타늄 용액(Aldrich, ca. 20 내지 30 중량% HCl 내 10 중량%)을 천천히 혼합 후 30분 동안 교반하였다. 형성된 백색 침전물에 과산화수소 용액과 규산 나트륨 용액(Aldrich, 27% SiO2, 14% NaOH)를 첨가한 후 30분 동안 반응시켜 5H2O2: 0.5TiO2: 10SiO2: 18NaOH: 675H2O의 몰 조성을 갖는 용액을 얻었으며 생성된 용액은 500 mL 테프론이 코팅된 오토클레이브(autoclave)에서 210 ℃에서 2일 동안 결정화시켰다. 합성된 생성물은 냉각 후 증류수로 수차례 세척한 후 마찰 밀(attrition mill)을 사용하여 입자 크기를 조절하였고, 최종 생성물인 ETS-4를 수득하였다. ETS-4 with a mineral zeolite octahedral/tetrahedral framework was synthesized as follows. That is, after dissolving sodium hydroxide (Aldrich, 97%) in distilled water, a titanium trichloride solution (Aldrich, ca. 10 wt% in 20 to 30 wt% HCl) was slowly mixed and stirred for 30 minutes. A hydrogen peroxide solution and a sodium silicate solution (Aldrich, 27% SiO 2 , 14% NaOH) were added to the formed white precipitate and reacted for 30 minutes to obtain 5H 2 O 2 : 0.5TiO 2 : 10SiO 2 : 18NaOH: 675 moles of H 2 O A solution having the composition was obtained and the resulting solution was crystallized at 210° C. for 2 days in a 500 mL Teflon-coated autoclave. The synthesized product was cooled and washed several times with distilled water, and then the particle size was adjusted using an attrition mill to obtain ETS-4 as a final product.

(2-2) 폴리도파민으로 캡슐화된 ETS-4(PD-ETS-4) 합성(2-2) Synthesis of polydopamine-encapsulated ETS-4 (PD-ETS-4)

합성된 ETS-4를 캡슐화하기 위하여 도파민(Aldrich)을 이용하여 알칼리성 수용액 내에서 자발적 중합화를 수행하였다. 구체적으로 그레인된(Grained) ETS-4 나노입자들을 완충액(1.0 M Tris HCl, pH 8.5) 내 도파민 3 중량%과 혼합한 후 자석 교반기를 이용하여 2 시간 동안 교반한 후 상온에서 24시간 동안 보관하였다. PD-캡슐화된 ETS-4 입자들은 pH가 중성이 될 때까지 수차례 세척한 후 4000 RPM에서 원심 분리하여 합성된 PD-ETS-4를 분리하였다. To encapsulate the synthesized ETS-4, spontaneous polymerization was performed in an alkaline aqueous solution using dopamine (Aldrich). Specifically, grained ETS-4 nanoparticles were mixed with 3% by weight of dopamine in a buffer solution (1.0 M Tris HCl, pH 8.5), stirred for 2 hours using a magnetic stirrer, and then stored at room temperature for 24 hours. . The PD-encapsulated ETS-4 particles were washed several times until the pH was neutral, and then the synthesized PD-ETS-4 was separated by centrifugation at 4000 RPM.

(3) 중공사 복합막(PD-ETS-4) 제조(3) Manufacture of hollow fiber composite membrane (PD-ETS-4)

제조된 PES 중공사막은 TFN막을 위한 지지체로 사용하였다. 수성 단량체(aqueous monomer)로서 아민계인 PEI(polyethylenimine, branched, Sigma-Aldrich)을 사용하였고, 유기 단량체로서 염소계인 TMC(1,3,5-Benzenetricarbonyl trichloride, Sigma-Aldrich)를 사용하였으며, 용매로는 n-헥산(99.9%, Ducsan)을 사용하였다. The prepared PES hollow fiber membrane was used as a support for the TFN membrane. An amine-based PEI (polyethylenimine, branched, Sigma-Aldrich) was used as an aqueous monomer, and a chlorine-based TMC (1,3,5-Benzenetricarbonyl trichloride, Sigma-Aldrich) was used as an organic monomer, and as a solvent n-Hexane (99.9%, Ducsan) was used.

계면중합을 통한 TFN막의 조성은 하기 표 2와 같으며, 제조된 PES 중공사막을 모듈 제작한 후 주사기 펌프(syringe pump)를 이용하여 각각의 PEI 및 TMC 단량체를 다음과 같이 공급하였다. 즉, PES 중공사막 지지체 상에 폴리도파민으로 캡슐화된 ETS-4(PD-ETS-4)과 수성 단량체 용액(PEI)을 1 분간 주입 후, 1 분 동안 질소가스 퍼징을 실시하였다. 그 다음 다시 유기 단량체 용액(TMC)을 1 분 동안 주입시킨 후 다시 1 분 동안 질소가스 퍼징을 실시하였다. 이때, 상기 폴리도파민으로 캡슐화된 ETS-4(PD-ETS-4)은 수성 단량체인 PEI와 유기 단량체인 TMC와의 반응에 의한 계면중합법으로 상기 PES 중공사 내표면 상에 혼합매트릭스막(mixed matrix membranes, MMM) 형태로 폴리아미드층을 형성하여 중공사 복합막(PD-ETS-4)을 제조하였다. 그 다음 1 시간 동안 상온에서 PEI 및 TMC의 혼합에 의해 형성된 폴리아미드층의 안정화 과정을 거친 후 80 ℃의 오븐에서 10 분간 열처리하였다. 잔존 용매는 건조 과정 이후 증류수를 사용하여 제거하였다. 즉, 계면중합 반응이 순간적으로 일어나 PES 중공사막의 내부 표면에 폴리아미드층이 형성되었다. The composition of the TFN membrane through interfacial polymerization is shown in Table 2 below. After manufacturing the manufactured PES hollow fiber membrane as a module, each PEI and TMC monomer was supplied using a syringe pump as follows. That is, ETS-4 (PD-ETS-4) encapsulated with polydopamine and an aqueous monomer solution (PEI) were injected onto the PES hollow fiber membrane support for 1 minute, followed by nitrogen gas purging for 1 minute. Then, after injecting the organic monomer solution (TMC) for 1 minute, nitrogen gas purging was performed for another 1 minute. At this time, the polydopamine-encapsulated ETS-4 (PD-ETS-4) is a mixed matrix film on the inner surface of the PES hollow fiber by interfacial polymerization by the reaction of PEI, an aqueous monomer, with TMC, an organic monomer. A polyamide layer was formed in the form of membranes (MMM) to prepare a hollow fiber composite membrane (PD-ETS-4). Then, after stabilizing the polyamide layer formed by mixing PEI and TMC at room temperature for 1 hour, heat treatment was performed in an oven at 80 °C for 10 minutes. Residual solvent was removed using distilled water after the drying process. That is, an interfacial polymerization reaction occurred instantaneously to form a polyamide layer on the inner surface of the PES hollow fiber membrane.

비교예 1 내지 3Comparative Examples 1 to 3

하기 표 2에 나타낸 바와 같이, 비교예 1은 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하되, PES 중공사막을 제조하였다.As shown in Table 2 below, Comparative Example 1 was carried out in the same manner as Example 1, but a PES hollow fiber membrane was prepared.

비교예 2는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하되, 수성 단량체인 PEI와 유기 단량체인 TMC와의 반응에 의한 계면 중합으로 폴리아미드막을 제조하였다.Comparative Example 2 was carried out in the same manner as Example 1, but a polyamide film was prepared by interfacial polymerization by reaction of PEI, an aqueous monomer, with TMC, an organic monomer.

비교예 3은 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하되, 폴리도파민으로 캡슐화되지 않은 ETS-4를 사용하고, 수성 단량체인 PEI와 유기 단량체인 TMC와의 반응에 의한 계면 중합으로 폴리아미드막을 제조하였다.Comparative Example 3 was carried out in the same manner as Example 1, except that ETS-4 not encapsulated with polydopamine was used, and a polyamide membrane was prepared by interfacial polymerization by reaction of PEI, an aqueous monomer, with TMC, an organic monomer.

Figure 112021050163024-pat00002
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실험예 1: ETS-4의 XRD, SEM 및 EDX 분석Experimental Example 1: XRD, SEM and EDX analysis of ETS-4

상기 실시예 1에서 제조된 ETS-4의 구조를 확인하기 위해 XRD, FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) 및 EDX(Energy-dispersive X-ray spectroscopy) 분석을 실시하였으며, 그 결과는 도 2 및 3에 나타내었다.XRD, FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) and EDX (Energy-dispersive X-ray spectroscopy) analyzes were performed to confirm the structure of ETS-4 prepared in Example 1, and the results are shown in FIGS. 3.

도 2는 상기 실시예 1에서 제조된 ETS-4의 XRD 그래프이다. 상기 도 2를 참조하면, ETS-4의 특정적인 회절 피크들이 2θ가 7.5°, 12.7° 및 30.0°인 구간에서 각각 관찰되었고, 이는 기존 연구에서 보고된 수치들과 일치하였다.2 is an XRD graph of ETS-4 prepared in Example 1 above. Referring to FIG. 2, specific diffraction peaks of ETS-4 were observed in the 2θ ranges of 7.5 °, 12.7 ° and 30.0 °, respectively, which were consistent with the values reported in previous studies.

도 3은 상기 실시예 1에서 제조된 ETS-4의 SEM(a) 및 EDX 분석(b) 결과를 나타낸 것이다. 상기 도 3을 참조하면, 상기 ETS-4 입자가 아령모양(Dumbbell-like)인 것을 FE-SEM을 통해서 확인하였으며, 역시 기존 연구에서 발표된 것과 같이 동일한 형태를 나타내고 있음을 확인하였다. 또한 추가로 EDX 분석을 통해서도 ETS-4의 Si/Ti 비율이 약 3.0 정도로 관찰되었으며, 이는 기존 연구에서 보고된 2.7 내지 2.9 수치와 거의 일치하였다.3 shows the results of SEM (a) and EDX analysis (b) of ETS-4 prepared in Example 1 above. Referring to FIG. 3, it was confirmed through FE-SEM that the ETS-4 particles were dumbbell-like, and it was also confirmed that they had the same shape as those reported in previous studies. In addition, through EDX analysis, the Si/Ti ratio of ETS-4 was observed to be about 3.0, which was almost consistent with the values of 2.7 to 2.9 reported in previous studies.

실험예 2: PD-ETS-4의 TEM, EDX 맵핑 및 TGA 분석Experimental Example 2: TEM, EDX mapping and TGA analysis of PD-ETS-4

상기 실시예 1에서 제조된 PD-ETS-4의 구조, 원소 분포도 및 열적 특성을 확인하기 위해 TEM 및 EDX(Energy-dispersive X-ray spectroscopy) 맵핑 및 TGA (Thermogravimetric analysis) 분석을 실시하였으며, 그 결과는 도 4 및 5에 나타내었다.TEM and EDX (Energy-dispersive X-ray spectroscopy) mapping and TGA (Thermogravimetric analysis) analysis were performed to confirm the structure, elemental distribution, and thermal characteristics of PD-ETS-4 prepared in Example 1, and the results is shown in Figures 4 and 5.

도 4는 상기 실시예 1에서 제조된 PD-ETS-4의 TEM(a, b)과 EDX 맵핑 결과로 Si(c), Ti(d), N(e), O(f), Si, Ti, N 및 O의 원소 이미지(g)를 나타낸 것이다. 상기 도 4를 참조하면, 약 30 nm 폭을 갖은 ETS-4를 폴리도파민(polydopamine, PD)이 둘러싸고 있는 것을 확인하였다(도 3a 및 5b의 빨간 동그라미 부분). 또한 EDX 맵핑을 통하여 극명하게 Si와 Ti의 경계층이 나누어짐을 확인할 수 있었고(도 3c 및 3d), PD에 포함되어 있는 N, O 피크가 골고루 분포되어 있는 것을 확인할 수 있었다(도 3e 내지 3g). 4 shows Si(c), Ti(d), N(e), O(f), Si, Ti as a result of TEM (a, b) and EDX mapping of PD-ETS-4 prepared in Example 1 above. , N and O are shown in the elemental image (g). Referring to FIG. 4, it was confirmed that ETS-4 having a width of about 30 nm was surrounded by polydopamine (PD) (red circles in FIGS. 3a and 5b). In addition, it was confirmed through EDX mapping that the boundary layer between Si and Ti was clearly divided (Figs. 3c and 3d), and it was confirmed that the N and O peaks included in the PD were evenly distributed (Figs. 3e to 3g).

도 5는 상기 실시예 1에서 제조된 ETS-4 및 PD-ETS-4의 TGA 결과 그래프이다. 상기 도 5를 참조하면, 분석 초반의 30 내지 100 ℃의 범위에서는 느슨하게 결합된 수분의 손실이 일어난 것을 확인하였다. 이 후 지속적으로 200 ℃에서 250 ℃의 온도영역까지 순수 ETS-4 및 PD-ETS-4의 무게 감량이 진행되는 것을 확인할 수 있었다. 이는 구조 용수(structural water)의 손실에 의해서 ETS-4가 결정성을 잃고, 비정질 재료(amorphous material)로 붕괴(collapse)된 것임을 알 수 있었다.5 is a TGA result graph of ETS-4 and PD-ETS-4 prepared in Example 1 above. Referring to FIG. 5, it was confirmed that loss of loosely bound moisture occurred in the range of 30 to 100 ° C. at the beginning of the analysis. After that, it was confirmed that the weight loss of pure ETS-4 and PD-ETS-4 continued from 200 ℃ to 250 ℃ temperature range. It was found that ETS-4 lost its crystallinity due to the loss of structural water and collapsed into an amorphous material.

뿐만 아니라, 상기 순수 ETS-4의 경우 250 ℃까지의 열분해에 의해 약 15 중량%에 이르는 중량감소가 나타난 반면, 상기 PD-ETS-4시료의 경우 같은 온도 범위까지 약 30 중량%의 중량감소가 수반되었으며, 이는 위에 언급한 구조 용수의 손실 외에 추가적으로 폴리도파민이 갖고 있는 OH-와 -NH2 작용기의 분해에 의한 것임을 알 수 있었다. 또한, 상기 PD-ETS-4의 경우 800 ℃까지 점진적인 체중 감소(gradual weight loss)가 나타나게 되는데 이는 폴리도파민의 열적 분해에 기인한 것임을 알 수 있었다.In addition, in the case of the pure ETS-4, a weight loss of about 15% by weight was exhibited by thermal decomposition up to 250 ° C., whereas in the case of the PD-ETS-4 sample, a weight loss of about 30% by weight was exhibited at the same temperature range. It was found that this was caused by decomposition of OH- and -NH 2 functional groups of polydopamine in addition to the loss of structural water mentioned above. In addition, in the case of the PD-ETS-4, a gradual weight loss was shown up to 800 ° C., which was found to be due to the thermal decomposition of polydopamine.

실험예 3: 중공사 복합막의 ATR-FTIR, XRD, FE-SEM 및 AFM 표면분석Experimental Example 3: ATR-FTIR, XRD, FE-SEM and AFM surface analysis of hollow fiber composite membranes

상기 실시예 1 및 비교예 1 내지 3에서 제조된 PD-ETS-4, PES 중공사막, PT, ETS-4-PT의 구조 분석은 ATR-FTIR, XRD, FE-SEM 및 AFM 표면분석을 실시하였으며, 그 결과는 표 3 및 도 6 내지 9에 나타내었다. The structure analysis of PD-ETS-4, PES hollow fiber membrane, PT, and ETS-4-PT prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 to 3 was performed by ATR-FTIR, XRD, FE-SEM and AFM surface analysis , The results are shown in Table 3 and Figures 6 to 9.

도 6은 상기 실시예 1 및 비교예 1 내지 3에서 제조된 PD-ETS-4, PES 중공사막, PT, ETS-4-PT의 ATR-FTIR 스펙트럼 분석 결과를 나타낸 그래프이다. 상기 도 6을 참조하면, 상기 ETS-4의 경우, 1650 cm-1 영역에서 흡수된 물 분자의 가위질(scissoring)에 의한 피크가 나타났으며, 986 cm-1 및 913 cm-1에서 각각 Si-O-Si, Si-O-Ti 결합의 스트레칭 진동(stretching vibration)에 의한 피크를 확인하였다. 6 is a graph showing the results of ATR-FTIR spectrum analysis of PD-ETS-4, PES hollow fiber membrane, PT, and ETS-4-PT prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 to 3. Referring to FIG. 6, in the case of the ETS-4, a peak due to scissors (scissoring) of absorbed water molecules appeared in the 1650 cm -1 region, and at 986 cm -1 and 913 cm -1 , respectively, Si- Peaks due to stretching vibration of O-Si and Si-O-Ti bonds were confirmed.

또한 상기 PD-ETS-4(PD-ETS)의 경우 ETS-4와 PD(polydopamine)에 기인하는 특징적인 Si-O-Si 및 Si-O-Ti 피크(986, 913 cm-1)와 함께 3200 cm-1의 영역에서 -OH 및 N-H 그룹의 스트레칭(stretching)에 기인하는 피크를 확인하였다. 또한 1630 cm-1 및 1295 cm-1에서 PD에 기인하는 특징적인 C=O 및 C-O 피크들을 확인할 수 있었다. 이를 통해 ETS-4가 폴리도파민에 의해 성공적으로 캡슐화되었음을 확인할 수 있었다.In addition, in the case of the PD-ETS-4 (PD-ETS), the characteristic Si-O-Si and Si-O-Ti peaks (986, 913 cm -1 ) caused by ETS-4 and PD (polydopamine) were observed at 3200 Peaks due to stretching of -OH and NH groups in the area of cm -1 were confirmed. In addition, characteristic C=O and CO peaks due to PD were confirmed at 1630 cm -1 and 1295 cm -1 . Through this, it was confirmed that ETS-4 was successfully encapsulated by polydopamine.

또한 ETS-4가 포함되지 않고 오직 계면중합을 통해 제조된 상기 비교예 2(PT)의 경우 IR 스펙트럼에서 순수 PES 지지체에 없는 피크가 1665 cm-1에 나타남을 확인하였다. 이는 계면중합으로부터 생성된 폴리아미드에 의한 아미드기에 기인한 것이며, 이를 통해 계면중합이 성공적으로 일어났음을 알 수 있었다. In addition, in the case of Comparative Example 2 (PT) prepared only through interfacial polymerization without ETS-4, it was confirmed that a peak not found in the pure PES support appeared at 1665 cm -1 in the IR spectrum. This is due to the amide group of the polyamide generated from interfacial polymerization, and it was found that interfacial polymerization occurred successfully.

한편, 상기 실시예 1(PD-ETS-PT)의 경우 순수 ETS-4와 중공사 복합막에 의한 주요 피크들과 겹칠 뿐만 아니라 사용된 ETS-4의 양이 매우 소량(PEI 대비 0.2 중량%)이므로 IR 스펙트럼을 통해서 ETS-4의 Si-O-Si, Si-O-Ti그룹의 스트레칭 진동에 의한 명확한 피크를 확인할 수 없었다.On the other hand, in the case of Example 1 (PD-ETS-PT), the main peaks caused by the pure ETS-4 and the hollow fiber composite membrane overlapped, and the amount of ETS-4 used was very small (0.2% by weight compared to PEI). Therefore, it was not possible to confirm clear peaks due to the stretching vibration of the Si-O-Si and Si-O-Ti groups of ETS-4 through the IR spectrum.

도 7은 상기 비교예 1에서 제조된 PES 중공사막(a) 및 실시예 1에서 제조된 PD-ETS-4-PT(b)에 대한 XPS 분석 결과를 나타낸 그래프이다. 상기 도 7을 참조하면, 280 내지 290 eV의 바인딩 에너지에서 상기 비교예 1(PES 중공사막)와 상기 실시예 1(PD-ETS-4-PT)의 C1s 코어 레벨 스팩트럼을 비교한 결과, 상기 비교예 1(PES 중공사막)의 경우 283.5 eV에서 C-C, C-H의 결합에너지(binding energy)에 해당하는 주요 피크가 나타났고, 284.3 eV 와 285.8 eV 에서는 벤젠과 C-O 결합에 해당하는 피크가 나타남을 알 수 있었다. 7 is a graph showing XPS analysis results for the PES hollow fiber membrane (a) prepared in Comparative Example 1 and the PD-ETS-4-PT (b) prepared in Example 1. Referring to FIG. 7, as a result of comparing C 1s core level spectra of Comparative Example 1 (PES hollow fiber membrane) and Example 1 (PD-ETS-4-PT) at binding energies of 280 to 290 eV, the In the case of Comparative Example 1 (PES hollow fiber membrane), a main peak corresponding to the binding energy of CC and CH appeared at 283.5 eV, and peaks corresponding to the binding of benzene and CO appeared at 284.3 eV and 285.8 eV. could

반면에 상기 실시예 1(PD-ETS-4-PT)의 경우 286.6 eV에서 PES의 C-O 탄소에 기인하는 피크가 강하게 나타났고, 286.7 eV에서는 N-C=O의 카보닐(Carbonyl) 피크가 새로이 생성된 아미드 결합의 존재를 확인시켜 주었다. 이를 통해, XPS에서 C1s의 피크를 통해서 중공사 복합막의 성공적인 제조를 확인할 수 있었다.On the other hand, in the case of Example 1 (PD-ETS-4-PT), the peak at 286.6 eV due to the CO carbon of PES appeared strongly, and at 286.7 eV, the carbonyl peak of NC=O was newly generated. The presence of an amide bond was confirmed. Through this, it was confirmed through the peak of C 1s in XPS that the hollow fiber composite membrane was successfully manufactured.

추가로 FE-SEM을 통하여 계면중합법으로 형성된 중공사 복합막의 단면(cross-section) 및 표면(Surface)을 분석하였으며, 그 결과는 도 8에 나타내었다.In addition, the cross-section and surface of the hollow fiber composite membrane formed by the interfacial polymerization method were analyzed through FE-SEM, and the results are shown in FIG. 8 .

도 8은 상기 비교예 1 내지 3 및 실시예 1에서 제조된 PES 중공사막(a, e), PT(b, f), ETS-4-PT(c, g), PD-ETS-4(d, h), 고정 ETS-4 나노입자(i)의 FE-SEM 단면 및 표면 이미지와 고정 ETS-4 나노입자의 EDX 분석 결과를 나타낸 것이다. 상기 도 8을 참조하면, 상기 비교예 2(PT)(b, f)의 경우 다공성의 표면을 갖고 있는 상기 비교예 1(PES 중공사막)(a, e) 상에 PEI와 TMC간의 중합반응 이후 선택층이 형성된 것을 단면과 표면 이미지를 통해 확인할 수 있었다. 또한 상기 비교예 3(ETS-4-PT)(c, g)의 경우 ETS-4 나노입자의 추가적인 첨가에 의해 막 표면의 코팅층의 두께는 당초 68.8 nm에서 100 nm까지 증가하는 것을 확인하였으며, 이를 통해 ETS-4 입자가 선택층에 성공적으로 혼입(incorporation)되었고, 계면중합에 의해 폴리아미드층이 형성된 것을 확인할 수 있었다(도 8b 내지 8d). 8 is a PES hollow fiber membrane (a, e), PT (b, f), ETS-4-PT (c, g), and PD-ETS-4 (d) prepared in Comparative Examples 1 to 3 and Example 1 , h), FE-SEM cross-sectional and surface images of the immobilized ETS-4 nanoparticles (i) and EDX analysis results of the immobilized ETS-4 nanoparticles. Referring to FIG. 8, in the case of Comparative Example 2 (PT) (b, f), after polymerization between PEI and TMC on Comparative Example 1 (PES hollow fiber membrane) (a, e) having a porous surface Formation of the selective layer was confirmed through cross-section and surface images. In addition, in the case of Comparative Example 3 (ETS-4-PT) (c, g), it was confirmed that the thickness of the coating layer on the surface of the membrane increased from 68.8 nm to 100 nm by the additional addition of ETS-4 nanoparticles. Through this, it was confirmed that the ETS-4 particles were successfully incorporated into the selective layer and a polyamide layer was formed by interfacial polymerization (FIG. 8b to 8d).

또한, 상기 비교예 3(ETS-4-PT)과 실시예 1(PD-ETS-PT)의 분리막은 각각 100 nm, 96.9nm의 두께로 유사한 선택층(selective layer)의 두께를 갖는 것을 단면 이미지 분석을 통해서 확인하였다(도 8c, 8d). 이는 두 분리막의 제조 시에 ETS-4의 함량을 동일한 농도 및 나노 입자의 함량에 맞추어 제조하였기 때문임을 알 수 있었다. In addition, the separators of Comparative Example 3 (ETS-4-PT) and Example 1 (PD-ETS-PT) have a thickness of 100 nm and 96.9 nm, respectively, and a similar selective layer thickness. It was confirmed through analysis (FIG. 8c, 8d). It was found that this was because the ETS-4 content was prepared according to the same concentration and nanoparticle content during the manufacture of the two separators.

그러나 표면분석 이미지에서는 상기 실시예 1(PD-ETS-PT)의 분리막이 조금 더 고르게 분산되어 있는 것을 확인할 수 있었다(도 8h). 이는 양전하(positive charge)를 갖는 폴리도파민으로 캡슐화된 ETS-4의 경우 상호 정전 반발력(reciprocal electrostatic repulsion)에 의해서 ETS-4 나노입자 간에 응집 현상이 억제되었기 때문임을 알 수 있었다. 추가로 폴리아미드층 내에 혼입되어 있는 ETS-4의 EDX 분석결과를 확인한 결과, ETS-4로부터 검출된 Si, Ti의 피크를 확인할 수 있었으며, 이를 통해 TFN 중공사막이 성공적으로 제조된 것을 확인할 수 있었다(도 8j).However, in the surface analysis image, it was confirmed that the separator of Example 1 (PD-ETS-PT) was more evenly dispersed (FIG. 8h). It was found that this was because the aggregation between ETS-4 nanoparticles was suppressed by reciprocal electrostatic repulsion in the case of ETS-4 encapsulated with polydopamine having a positive charge. In addition, as a result of confirming the EDX analysis result of ETS-4 incorporated in the polyamide layer, it was possible to confirm the peaks of Si and Ti detected from ETS-4, through which it was confirmed that the TFN hollow fiber membrane was successfully manufactured. (FIG. 8j).

추가로 각 분리막의 AFM 표면분석을 통한 평균 제곱근 거칠기(root mean square roughness, Rq), 평균 거칠기(average roughness, Ra), 및 최대 거칠기(maximum roughness, Rmax)을 계산하여 비교하였다. 그 결과는 도 9에 나타내었다.In addition, the root mean square roughness (Rq), average roughness (Ra), and maximum roughness (Rmax) of each separator through AFM surface analysis were calculated and compared. The results are shown in FIG. 9 .

도 9는 상기 비교예 1 내지 3 및 실시예 1에서 제조된 PES 중공사막, PT, ETS-4-PT, PD-ETS-4에 대하여 AFM의 접촉각과 3차원 이미지를 나타낸 것이다. 상기 도 9를 참조하면, 전체적으로 계면중합 및 ETS-4의 혼입 이후에 평균 거칠기(average roughness)가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 뿐만 아니라, 상기 비교예 3(ETS-4-PT) 및 실시예 1(PD-ETS-PT)은 동일한 ETS-4 혼입(incorporation) 조건임에도 불구하고 상기 실시예 1(PD-ETS-PT)이 더 높은 거칠기를 나타내고 있는데 이를 통해 실시예 1(PD-ETS-PT)이 응집 없이 표면에 잘 퍼져있음을 알 수 있으며, 이는 앞선 SEM 이미지에서 나타난 결과와 일치하였다.9 shows the contact angle and three-dimensional images of AFM for the PES hollow fiber membranes, PT, ETS-4-PT, and PD-ETS-4 prepared in Comparative Examples 1 to 3 and Example 1. Referring to FIG. 9, it was confirmed that the average roughness increased after interfacial polymerization and incorporation of ETS-4 as a whole. In addition, despite the fact that Comparative Example 3 (ETS-4-PT) and Example 1 (PD-ETS-PT) have the same ETS-4 incorporation conditions, Example 1 (PD-ETS-PT) It shows a higher roughness, and through this, it can be seen that Example 1 (PD-ETS-PT) spreads well on the surface without agglomeration, which is consistent with the results shown in the previous SEM image.

또한, 계면중합 전후의 분리막 표면의 표면 계면 에너지를 계산하였고, 그 결과는 표 3에 나타내었다.In addition, the surface interface energy of the surface of the separator before and after interfacial polymerization was calculated, and the results are shown in Table 3.

Figure 112021050163024-pat00003
Figure 112021050163024-pat00003

상기 표 3을 참조하면, 상기 비교예 1의 경우 106.6 mJ/m2에서 계면 중합 후 상기 비교예 2와 같이 118.5 mJ/m2으로 더 높은 표면 계면 에너지를 나타나는 것을 확인하였고, 이후 ETS-4의 추가적인 혼입에 따라 PT보다 더 높은 128.2 mJ/m2 값을 상기 실시예 1(PD-ETS-PT)에서 나타내었다. 이러한 평균 표면 거칠기 및 계면에너지의 증가는 분리막의 표면적을 증가시켜 기체 투과성을 증가시키는데 기여할 수 있음을 알 수 있었다.Referring to Table 3, in the case of Comparative Example 1, after interfacial polymerization at 106.6 mJ/m 2 , as in Comparative Example 2, it was confirmed that a higher surface interface energy was exhibited at 118.5 mJ/m 2 , and then ETS-4 A higher value of 128.2 mJ/m 2 than PT was shown in Example 1 (PD-ETS-PT) with additional incorporation. It was found that the increase in average surface roughness and interfacial energy could contribute to increasing the gas permeability by increasing the surface area of the separator.

실험예 4: 중공사 복합막의 가스분리 성능 분석Experimental Example 4: Gas Separation Performance Analysis of Hollow Fiber Composite Membrane

상기 실시예 1 및 비교예 2, 3에서 제조된 PD-ETS-4, PT 및 ETS-PT에 대하여 CO2 및 H2, N2, CH4 등의 다양한 기체에 대한 투과실험을 분석하였으며, 그 결과는 도 10에 나타내었다. For the PD-ETS-4, PT, and ETS-PT prepared in Example 1 and Comparative Examples 2 and 3, permeation experiments for various gases such as CO 2 and H 2 , N 2 , CH 4 were analyzed. Results are shown in FIG. 10 .

제조된 중공사 복합막의 기체 분리 실험을 위해 모듈을 제작하였으며 제작된 모듈의 운전 조건은 표 4와 같다. 실험은 운전압력 0.1 내지 2.0 bar에서 압력을 변화시키면서 실험이 실시되었고, 이때 운전온도는 25 ℃로 오븐 내부의 공기 순환으로 유지시켰다. 중공사 복합막 모듈에서 투과된 기체는 버블 유량계(bubble flow meter)(Holiba VP-1)를 이용하여 측정을 하였으며, 투과된 가스는 다음의 수학식 1을 이용하여 투과도를 계산하였다. A module was manufactured for the gas separation experiment of the manufactured hollow fiber composite membrane, and the operating conditions of the manufactured module are shown in Table 4. The experiment was conducted while changing the pressure at an operating pressure of 0.1 to 2.0 bar, and at this time, the operating temperature was maintained at 25 ° C by air circulation inside the oven. The gas permeated through the hollow fiber composite membrane module was measured using a bubble flow meter (Holiba VP-1), and the permeability of the permeated gas was calculated using Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112021050163024-pat00004
Figure 112021050163024-pat00004

여기서, QP는 분리막을 통하여 투과되는 기체의 유속(permeate flow rate)이며, △P는 분리막에서의 압력 차, A는 분리막의 유효단면적을 가리킨다. 투과 단위(Permeance unit)는 SI 시스템에서 mol/(m2 s Pa) 또는 cm3(STP)/(cm2 cmHg sec) 으로 표현된다. 그러나 여기서 P는 gas permeation units (GPU), 즉 1 GPU = 1 x 10-6 cm3 (STP)/(cm2 ㅇ cmHg ㅇ sec)로 더 널리 사용되고 있다. 투과된 단일기체의 이상선택도(ideal selectivity)는 다음의 수학식 2와 같이 계산하였다. Here, Q P is the permeate flow rate of gas passing through the membrane, ΔP is the pressure difference in the membrane, and A is the effective cross-sectional area of the membrane. The permeance unit is expressed as mol/(m 2 s Pa) or cm 3 (STP)/(cm 2 cmHg sec) in the SI system. However, here P is more widely used as gas permeation units (GPU), i.e. 1 GPU = 1 x 10 -6 cm 3 (STP)/(cm 2 ㅇ cmHg ㅇ sec). The ideal selectivity of the permeated single gas was calculated as in Equation 2 below.

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112021050163024-pat00005
Figure 112021050163024-pat00005

Figure 112021050163024-pat00006
Figure 112021050163024-pat00006

도 10은 상기 비교예 2, 3 및 실시예 1에서 제조된 PT, ETS-PT 및 PD-ETS-4에 대하여 작동압력(0.2 내지 2.0 bar)에 따른 CO2 가스 투과성(a), 작동 압력에 따른 N2 가스 투과성(b), 가스 운동 직경의 함수로서 다양한 가스(H2, CO2, N2, CH4)의 투과성(c), 작동 압력에 따른 CO2/N2 이상 기체 선택성(d), 다양한 이상기체 선택성(e) 및 H2 투과성에 따른 H2/CO2 선택성(f)을 분석한 결과 그래프들이다.10 shows the CO 2 gas permeability (a) according to the operating pressure (0.2 to 2.0 bar) for PT, ETS-PT, and PD-ETS-4 prepared in Comparative Examples 2 and 3 and Example 1, and (b) permeability of various gases (H 2 , CO 2 , N 2 , CH 4 ) as a function of gas kinetic diameter (c), CO 2 / N 2 ideal gas selectivity as a function of operating pressure (d) ), various ideal gas selectivities (e), and H 2 /CO 2 selectivity (f) according to H 2 permeability.

상기 도 10의 (a) 및 (b)를 참조하면, 각 막들은 25 ℃의 건조 상태에서 0.25 내지 2.0 bar범위의 운전압력 변화에 따른 CO2와 N2의 투과특성을 관찰한 결과, 운전압력이 증가함에 따라 N2의 투과도는 압력의 증가에 따른 확산도의 증가에 의해 약간 증가하나, CO2의 경우는 반대되는 촉진 수송적(facilitated transport)인 투과경향을 나타내었다. 즉, 상기 도 10의 (d)에서 확인할 수 있듯이 PD-ETS-PT 분리막은 낮은 압력(0.25 bar)에서 ~17 GPU로 가장 높은 CO2 투과도 및 ~34의 CO2/N2 선택도의 결과를 나타내었다. 이러한 촉진 수송적(facilitated transport)인 특성은 중공사 복합막 제조에 사용된 PEI와 PDA로부터 그 이유를 찾을 수 있다. Referring to (a) and (b) of FIG. 10, as a result of observing the permeation characteristics of CO 2 and N 2 according to the change in the operating pressure in the range of 0.25 to 2.0 bar in the dry state of each membrane at 25 ° C, the operating pressure As N 2 increases, the permeability of N 2 increases slightly due to the increase in diffusivity according to the increase in pressure, but CO 2 shows the opposite trend of facilitated transport. That is, as can be seen in (d) of FIG. 10, the PD-ETS-PT membrane has the highest CO 2 permeability with ~17 GPU and CO 2 /N 2 selectivity of ~34 at low pressure (0.25 bar). showed up The reason for this facilitated transport property can be found from PEI and PDA used in the manufacture of hollow fiber composite membranes.

즉, PEI는 2개의 메틸렌 스페이서(methylene spacers)로 구성된 반복단위를 갖는 중합체로 CO2 분자에 강한 친화성을 갖는 다량의 1차, 2차 및 3차 아민기들을 가지며, PD도 다수의 1차 및 2차 아민기들을 가지고 있어 이러한 2차 및 3차 아민은 건식상태에서 CO2와 각각 하기 반응식 1, 2과 같이 반응할 수 있다. 즉, 2차 아민의 상호작용은 양성 이온(Zwitterion)형성에 의한 메커니즘을 따르며, 3차 아민은 CO2상호작용을 위해 양성 이온 탈양성자화(zwitterion deprotonation)를 따르지 않고, 정전기 인력 및 반데르발스힘 메커니즘을 따를 수 있다.That is, PEI is a polymer having a repeating unit composed of two methylene spacers, and has a large amount of primary, secondary, and tertiary amine groups with strong affinity to CO 2 molecules, and PD also has a large number of primary and secondary amine groups, such secondary and tertiary amines can react with CO 2 in a dry state as shown in Schemes 1 and 2 below, respectively. That is, the interaction of secondary amines follows the mechanism by zwitterion formation, and tertiary amines do not follow zwitterion deprotonation for CO 2 interaction, but electrostatic attraction and van der Waals force mechanism can be followed.

[반응식 1] 2차 아민 반응[Scheme 1] Secondary amine reaction

1 단계 : R2NH + CO2 ↔ R2NH + COO- Step 1: R 2 NH + CO 2 ↔ R 2 NH + COO -

2 단계 : R2NH+ COO- + R2NH ↔ R2N COO- + : R2NH+ Step 2: R 2 NH + COO - + R 2 NH ↔ R 2 N COO - + : R 2 NH +

[반응식 2] 2차 아민 반응[Scheme 2] Secondary amine reaction

1 단계 : R3N + CO2 ↔ R3N+COO- Step 1: R 3 N + CO 2 ↔ R 3 N + COO -

2 단계 : R3NH+ COO- + R3N ↔ R2N COO- + : R4N Step 2: R 3 NH + COO - + R 3 N ↔ R 2 N COO - + : R 4 N

이러한 아민 작용기는 CO2 용해도 증가에 따른 좋은 운반체가 될 수 있고, 가역적 반응을 통하여 CO2의 촉진수송 메커니즘을 통해 더 높은 투과도 및 선택도를 얻을 수 있다. 그러나 운전압력의 증가는 CO2 운반체의 흡착 용량의 포화를 초래하여 1.5 bar의 운전압력 지점에서는 통상적인 투과경향을 나타냄을 의미한다.Such an amine functional group can be a good carrier according to the increase in CO 2 solubility, and can obtain higher permeability and selectivity through a catalyzed transport mechanism of CO 2 through a reversible reaction. However, an increase in the operating pressure causes saturation of the adsorption capacity of the CO 2 carrier, which means that a typical permeation trend is shown at the operating pressure point of 1.5 bar.

특히 다른 분리막과 비교하여 상기 실시예 1(PD-ETS-PT)의 분리막이 높은 투과도를 나타내는 이유는 분리막의 분리메커니즘 중 용해 확산 모델로 설명할 수 있다. 특히 분리막은 친수성, 두께 및 가교밀도 및 투과경로에 따라 투과도가 결정될 수 있는데, CO2의 경우 응축성 기체이기 때문에 용해도의 영향을 받을 수 있다. 앞서 FE-SEM을 통한 분리막의 두께와 접촉각을 통한 분리막 표면의 친수성 변화, 및 표면 계면 에너지 계산결과에서도 상기 실시예 1(PD-ETS-PT)은 다른 분리막과 비교하여 명확한 차이를 나타내었고, 이를 통하여 계면중합 및 ETS-4의 첨가는 중공사 복합막 제조 시 용해도를 증가시켜 CO2투과도 향상에 긍정적인 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다. In particular, the reason why the membrane of Example 1 (PD-ETS-PT) exhibits high permeability compared to other membranes can be explained by the dissolution diffusion model among the separation mechanisms of the membrane. In particular, the permeability of the separation membrane may be determined according to hydrophilicity, thickness, crosslinking density, and permeation path. In the case of CO 2 , since it is a condensable gas, it may be affected by solubility. Example 1 (PD-ETS-PT) showed a clear difference compared to other separators in the hydrophilicity change of the separator surface and the surface interface energy calculation result through the thickness and contact angle of the separator through FE-SEM. Through this, it was confirmed that interfacial polymerization and the addition of ETS-4 had a positive effect on CO 2 permeability improvement by increasing the solubility in preparing the hollow fiber composite membrane.

한편, N2 투과도 결과의 경우 비교예 2(PT), 비교예 3(ETS-PT), 실시예 1(PD-ETS-PT)의 순서로 분리막 종류에 따라 투과도가 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 상기 비교예 2(PT)의 경우 계면중합(IP)법을 이용하여 TFN 제조 시 ETS-4의 첨가에 따라 운전압력 1.0 bar에서 N2 투과도가 약 1.4에서 0.5 GPU로 감소한 것을 확인할 수 있었다. 앞서 언급한 것처럼 ETS-4는 약 3~4 Å의 포어크기를 가지고 있으며, 이에 운동 직경과 충돌 직경이 상대적으로 큰 N2(3.64 Å, 3.8 Å)의 경우는 기체의 확산도에서 차이를 나타내기 때문에 상대적으로 투과가 효과적으로 제한되며, 이러한 특징은 상기 도 10의 (c)의 수소 투과도에서 명확하게 나타내었다. On the other hand, in the case of N 2 permeability results, it was confirmed that the permeability decreased according to the type of membrane in the order of Comparative Example 2 (PT), Comparative Example 3 (ETS-PT), and Example 1 (PD-ETS-PT). That is, in the case of Comparative Example 2 (PT), it was confirmed that the N 2 permeability decreased from about 1.4 to 0.5 GPU at an operating pressure of 1.0 bar according to the addition of ETS-4 when preparing TFN using the interfacial polymerization (IP) method. . As mentioned above, ETS-4 has a pore size of about 3 to 4 Å, and in the case of N 2 (3.64 Å, 3.8 Å), which has a relatively large kinetic diameter and collision diameter, there is a difference in gas diffusivity. Therefore, permeation is relatively effectively restricted, and this feature is clearly shown in the hydrogen permeability of FIG. 10(c).

상기 도 10의 (c)를 참조하면, 운전압력 2 bar 기준에서 H2, CO2, N2, CH4 단일기체(single gas)의 투과도를 나타내며, 투과실험 결과 ETS-4보다 기공크기가 더 작은 H2(2.89 Å)의 경우 약 50~60 GPU 로 높은 투과 경향을 나타냄을 확인하였다. Referring to (c) of FIG. 10, the permeability of H 2 , CO 2 , N 2 , CH 4 single gas at an operating pressure of 2 bar is shown, and as a result of the permeation experiment, the pore size is larger than that of ETS-4. In the case of small H 2 (2.89 Å), it was confirmed that a high transmission tendency of about 50 to 60 GPU was shown.

PD를 ETS-4에 캡슐화하지 않은 상기 비교예 3(ETS-PT)와 PD를 캡슐화한 상기 실시예 1(PD-ETS-PT)의 기체투과성을 비교해보면, 운전압력 2 bar기준에서 상기 비교예 3(ETS-PT) 보다 상기 실시예 1(PD-ETS-PT)의 경우 약 5 GPU정도 낮은 H2투과도를 나타내었고, N2투과도를 기준으로 각각 0.86와 0.6 GPU로 상기 실시예 1(PD-ETS-PT)이 더 낮은 투과도를 나타낸 것을 알 수 있었다. 이는 PD를 이용한 ETS-4의 캡슐화 효과에 기인하며 다음과 같이 설명이 가능하다. 앞서 언급한 것과 같이 MMM은 ETS-4와 같은 무기물이 고분자 분리막 사이에서의 결함(defect) 또는 핀홀(pin-hole)이 아닌 무기물질로만 통과할 때 기체분자가 이상적인 투과도와 선택도를 얻을 수 있음을 알 수 있었다.Comparing the gas permeability of Comparative Example 3 (ETS-PT) in which PD was not encapsulated in ETS-4 and Example 1 (PD-ETS-PT) in which PD was encapsulated, the Comparative Example at an operating pressure of 2 bar 3 (ETS-PT), in the case of Example 1 (PD-ETS-PT), H 2 transmittance was lower by about 5 GPU, and based on N 2 transmittance, 0.86 and 0.6 GPU, respectively, compared to Example 1 (PD-ETS-PT). -ETS-PT) was found to have lower permeability. This is due to the encapsulation effect of ETS-4 using PD and can be explained as follows. As mentioned above, MMM can obtain ideal permeability and selectivity for gas molecules when inorganic materials such as ETS-4 pass only through inorganic materials, not through defects or pin-holes between polymer separators. And it was found.

이에 따라 다양한 유무기 물질과 강한 공유 및 비공유 결합의 형성을 가능하게 하는 폴리도파민(PD)이 ETS-4 및 계면중합으로 형성된 폴리아미드 사이에서 무기물질의 응집 효과를 낮춰 분리막 내에서의 분산과 나노 다공성 특성을 이어갈 수 있었다. 또한 계면중합으로 생성된 폴리아미드층과 ETS-4 입자 사이에서 응집력을 향상시킴으로 인하여 기체 분자가 무기물질을 우회(bypass)하는 것이 아니라 ETS-4 내부를 이동경로로 이용하게 되는 것을 확인하였다. 그 결과 ETS-4에 PD를 캡슐화하지 않은 상기 비교예 3(ETS-PT)과 비교하여 상기 실시예 1(PD-ETS-PT)의 경우 투과도 측면에서는 약간의 손실이 있지만 선택도는 향상된 결과를 얻을 수 있었다(도 10의 c 및 e). Accordingly, polydopamine (PD), which enables the formation of strong covalent and non-covalent bonds with various organic and inorganic materials, lowers the aggregation effect of inorganic materials between ETS-4 and polyamide formed by interfacial polymerization, thereby dispersing and nanoparticles in the separator. Porous properties could be maintained. In addition, it was confirmed that the cohesive force between the polyamide layer produced by interfacial polymerization and the ETS-4 particles was improved, so that the gas molecules did not bypass the inorganic material but used the inside of ETS-4 as a migration path. As a result, compared to Comparative Example 3 (ETS-PT) in which PD was not encapsulated in ETS-4, in the case of Example 1 (PD-ETS-PT), there was a slight loss in terms of permeability, but improved selectivity. was obtained (c and e in FIG. 10).

상기 도 10의 (f)는 이러한 투과실험 결과를 바탕으로 대표적인 기체분리 고분자인 PIMs, TR, polybenzimidazole(PBI) 등의 고분자 분리막 및 MOF와 ZIF를 포함한 MMM등의 H2/CO2 투과도-선택도를 GPU유닛으로 비교한 결과이다. PIM 분리막의 경우 약 650 내지 7800 GPU으로 매우 높은 투과도와 약 2정도의 H2/CO2 선택도 경향을 나타내고 있고, TR막은 20~6000 GPU, H2/CO2 0.6~8.5 를 보여주었다. 또한 MMM base 분리막인 MOF와 ZIP의 경우 각각 1500와 7031 GPU, 그리고 각각 20과 18.4 H2/CO2 의 선택도 경향을 나타내었다. 또한 상기 ETS-4를 이용한 중공사막은 약 60 GPU의 상대적으로 낮은 선택도를 나타내고 있지만, H2/CO2 선택도는 13의 높은 결과를 나타내고 있으며, 향후 분자체(molecular sieving)에 의한 MMM 분리막으로의 적용 가능성을 나타내었다.10(f) shows the H 2 /CO 2 permeability-selectivity of polymer membranes such as PIMs, TR, and polybenzimidazole (PBI), which are representative gas separation polymers, and MMM including MOF and ZIF, based on the results of the permeation experiment. This is the result of comparing with the GPU unit. In the case of the PIM membrane, about 650 to 7800 GPU shows a very high permeability and a H 2 /CO 2 selectivity of about 2, and the TR membrane shows a trend of 20 to 6000 GPU and H 2 /CO 2 0.6 to 8.5. In addition, in the case of MOF and ZIP, which are MMM base separators, selectivity tended to be 1500 and 7031 GPU, respectively, and 20 and 18.4 H 2 /CO 2 , respectively. In addition, the hollow fiber membrane using the ETS-4 shows a relatively low selectivity of about 60 GPU, but the H 2 /CO 2 selectivity shows a high result of 13, and MMM separation membrane by molecular sieving in the future Its applicability to

이상과 같이, 본 발명에서는 ETS-4 나노입자의 기체 투과성을 확인하였으며, ETS-4 합성과 폴리도파민을 이용하여 ETS-4의 캡슐화를 실시하였고, 합성된 ETS-4는 PES 중공사막 상에서 PEI와 TMC를 이용하여 중공사 복합막을 제조하였다. As described above, in the present invention, the gas permeability of ETS-4 nanoparticles was confirmed, ETS-4 synthesis and encapsulation of ETS-4 were performed using polydopamine, and the synthesized ETS-4 was synthesized with PEI on a PES hollow fiber membrane. A hollow fiber composite membrane was prepared using TMC.

합성된 ETS-4는 XRD, SEM, EDX 및 TEM을 통하여 물리적 및 화학적 구조를 확인하였고, TFN의 경우 SEM, FT-IR 및 XPS를 통하여 ETS-4의 혼입여부를 확인하였다. 또한 중공사 복합막을 이용하여 다양한 기체의 투과성을 확인하였고, PEI 및 PD에 의해 CO2 분리 시 촉진 수송적 투과성을 나타내었다. 또한 ETS-4가 가지고 있는 구조적 특징(pore size)에 의한 기체분자의 운동 직경의 크기에 따른 분자체 효과를 확인할 수 있었다. 그 결과 최대 단일기체 수소투과도가 약 80 GPU이었고, H2/CO2 이상기체 선택도(ideal gas selectivity)가 13인 결과를 확인하였다. 이를 통해, ETS-4가 갖는 구조적 특징에 의해 운동 직경에 따른 기체분리를 위한 유망한 무기물질이며, 다양한 분야에 적용될 수 있음을 알 수 있었다. The synthesized ETS-4 was confirmed for its physical and chemical structure through XRD, SEM, EDX, and TEM, and in the case of TFN, the incorporation of ETS-4 was confirmed through SEM, FT-IR, and XPS. In addition, the permeability of various gases was confirmed using the hollow fiber composite membrane, and the enhanced transport permeability was shown during CO 2 separation by PEI and PD. In addition, the molecular sieve effect according to the size of the kinetic diameter of gas molecules due to the structural characteristics (pore size) of ETS-4 was confirmed. As a result, it was confirmed that the maximum single gas hydrogen permeability was about 80 GPU, and the H 2 /CO 2 ideal gas selectivity was 13. Through this, it was found that ETS-4 is a promising inorganic material for gas separation according to the motion diameter due to its structural characteristics and can be applied to various fields.

Claims (14)

중공사를 포함하는 다공성 지지체 중공사막; 및
상기 다공성 지지체 중공사막에 포함된 중공사의 내부 표면에 형성되고, 폴리도파민으로 캡슐화된 미세다공성 무기충전제를 포함하는 폴리아미드층;을 포함하고,
상기 미세다공성 무기충전제는 하기 화학식 1로 이루어진 티타노실리케이트(Engelhard titanosilicate-4, ETS-4)인 것인 중공사 복합막.
[화학식 1]
Na9Si12Ti5O35(OH)·xH2O
(상기 화학식 1에서, x는 1 내지 20의 정수이다.)
A porous support hollow fiber membrane comprising hollow fibers; and
A polyamide layer formed on the inner surface of the hollow fibers included in the porous support hollow fiber membrane and containing a microporous inorganic filler encapsulated with polydopamine;
The hollow fiber composite membrane wherein the microporous inorganic filler is titanosilicate (Engelhard titanosilicate-4, ETS-4) composed of Formula 1 below.
[Formula 1]
Na 9 Si 12 Ti 5 O 35 (OH) xH 2 O
(In Formula 1, x is an integer from 1 to 20.)
제1항에 있어서,
상기 다공성 지지체 중공사막은 폴리에테르술폰, 폴리술폰, 폴리에테르이미드, 폴리이미드, 폴리카보네이트, 폴리아크릴로니트릴 및 셀룰로오스아세테이트로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 고분자로 이루어진 것인 중공사 복합막.
According to claim 1,
The porous support hollow fiber membrane is made of one or more polymers selected from the group consisting of polyethersulfone, polysulfone, polyetherimide, polyimide, polycarbonate, polyacrylonitrile and cellulose acetate.
제1항에 있어서,
상기 다공성 지지체 중공사막은 내경이 100 내지 400 ㎛이고, 평균두께가 100 내지 300 ㎛인 것인 중공사 복합막.
According to claim 1,
The porous support hollow fiber membrane has an inner diameter of 100 to 400 μm and an average thickness of 100 to 300 μm.
제1항에 있어서,
상기 티타노실리케이트는 Si/Ti의 중량비가 2 내지 4이고, 기공 직경이 0.3 내지 0.4 nm인 것인 중공사 복합막.
According to claim 1,
The titanosilicate has a weight ratio of Si / Ti of 2 to 4 and a pore diameter of 0.3 to 0.4 nm.
제1항에 있어서,
상기 폴리도파민은 미세다공성 무기충전제 100 중량%에 대하여 1 내지 5 중량%를 포함하는 것인 중공사 복합막.
According to claim 1,
The hollow fiber composite membrane comprising 1 to 5% by weight of the polydopamine based on 100% by weight of the microporous inorganic filler.
제1항에 있어서,
상기 폴리아미드층은 폴리에틸렌이민 및 1,3,5-벤젠트리카르보닐트리클로라이드가 1 내지 5: 1 몰비로 계면 중합되어 형성된 것인 중공사 복합막.
According to claim 1,
The polyamide layer is a hollow fiber composite membrane formed by interfacial polymerization of polyethyleneimine and 1,3,5-benzenetricarbonyltrichloride in a molar ratio of 1 to 5: 1.
제1항에 있어서,
상기 폴리아미드층은 폴리아미드층 100 중량%에 대하여 미세다공성 무기충전제를 0.05 내지 1 중량%를 포함하는 것인 중공사 복합막.
According to claim 1,
The hollow fiber composite membrane, wherein the polyamide layer contains 0.05 to 1% by weight of a microporous inorganic filler based on 100% by weight of the polyamide layer.
제1항에 있어서,
상기 폴리아미드층은 두께가 50 내지 200 nm인 것인 중공사 복합막.
According to claim 1,
The polyamide layer is a hollow fiber composite membrane having a thickness of 50 to 200 nm.
제1항 내지 제8항 중에서 선택된 어느 한 항의 중공사 복합막을 포함하는 기체 분리막.
A gas separation membrane comprising the hollow fiber composite membrane of any one of claims 1 to 8.
중공사를 포함하는 다공성 지지체 중공사막을 제조하는 단계;
하기 화학식 1로 이루어진 티타노실리케이트(Engelhard titanosilicate-4, ETS-4)를 제조하는 단계;
상기 티타노실리케이트에 폴리도파민을 혼합하여 폴리도파민으로 캡슐화된 미세다공성 무기충전제를 제조하는 단계;
상기 다공성 지지체 중공사막에 포함된 중공사의 내부에 상기 폴리도파민으로 캡슐화된 미세다공성 무기충전제, 수성 단량체 용액 및 유기 단량체 용액을 주입하고, 계면중합 반응시켜 상기 중공사의 내부 표면 상에 폴리아미드층이 형성된 중공사 복합막을 제조하는 단계; 및
상기 중공사 복합막을 열처리하는 단계;
를 포함하는 중공사 복합막의 제조방법.
[화학식 1]
Na9Si12Ti5O35(OH)·xH2O
(상기 화학식 1에서, x는 1 내지 20의 정수이다.)
Preparing a porous support hollow fiber membrane comprising a hollow fiber;
Preparing a titanosilicate (Engelhard titanosilicate-4, ETS-4) composed of Formula 1;
preparing a microporous inorganic filler encapsulated with polydopamine by mixing polydopamine with the titanosilicate;
A microporous inorganic filler encapsulated with polydopamine, an aqueous monomer solution, and an organic monomer solution are injected into the hollow fibers included in the porous support hollow fiber membrane, and interfacial polymerization is performed to form a polyamide layer on the inner surface of the hollow fibers. Preparing a hollow fiber composite membrane; and
heat-treating the hollow fiber composite membrane;
Method for producing a hollow fiber composite membrane comprising a.
[Formula 1]
Na 9 Si 12 Ti 5 O 35 (OH) xH 2 O
(In Formula 1, x is an integer from 1 to 20.)
제10항에 있어서,
상기 다공성 지지체 중공사막을 제조하는 단계는,
고분자, 기공 형성제 및 유기 용매를 혼합하여 도프 용액을 제조하는 단계; 상기 도프 용액을 방사노즐로 공급한 후 토출하여 중공사를 제조하는 단계;
상기 토출된 중공사를 내부응고제에 접촉시켜 다공성 지지체 중공사막을 형성하는 단계; 및
상기 다공성 지지체 중공사막을 세척한 후 건조하는 단계;
를 더 포함하는 것인 중공사 복합막의 제조방법.
According to claim 10,
The step of preparing the porous support hollow fiber membrane,
preparing a dope solution by mixing a polymer, a pore former, and an organic solvent; supplying the dope solution to a spinning nozzle and then discharging it to manufacture a hollow fiber;
contacting the discharged hollow fiber with an internal coagulant to form a porous support hollow fiber membrane; and
washing and drying the porous support hollow fiber membrane;
Method for producing a hollow fiber composite membrane further comprising a.
제10항에 있어서,
상기 수성 단량체 용액은 폴리에틸렌이민을 포함하는 것인 중공사 복합막의 제조방법.
According to claim 10,
The aqueous monomer solution is a method for producing a hollow fiber composite membrane comprising polyethyleneimine.
제10항에 있어서,
상기 유기 단량체 용액은 1,3,5-벤젠트리카르보닐트리클로라이드를 포함하는 것인 중공사 복합막의 제조방법.
According to claim 10,
The method of manufacturing a hollow fiber composite membrane, wherein the organic monomer solution contains 1,3,5-benzenetricarbonyltrichloride.
제10항에 있어서,
상기 중공사 복합막을 열처리하는 단계에서 열처리는 60 내지 100 ℃에서 5 내지 20분 동안 수행하는 것인 중공사 복합막의 제조방법.
According to claim 10,
In the step of heat-treating the hollow fiber composite membrane, the heat treatment is performed at 60 to 100 ° C. for 5 to 20 minutes.
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