KR20000008961A - 고분자 함침 복합 분리막 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다공성 무기 지지체(20)의 기공(30)에 고분자 물질(40)이 함침되어 있는 기체분리용 복합 분리막(10)으로서, 무기 지지체(20)로는 보로 실리케이트 글래스를 사용하였고, 고분자 물질(40)로는 폴리다이메틸실록세인(PDMS), 폴리스타이렌(PS) 그리고 폴리에틸렌(PE)이 함침되었다.
기체분리용 복합분리막의 제조방법은 먼저, 고분자 물질이 용해된 용액 또는 상온에서 유동성을 갖는 고분자 액체를 준비하고, 고분자 물질이 용해된 용액 또는 액체에 다공성 무기 지지체를 담근 다음, 고분자물질이 무기 지지체내의 기공에 충분히 함침될때까지 유지시킨 이후에 무기 지지체를 고분자 용액 또는 액체에서 꺼내는 순서로 제조된다.
Description
본 발명은 기체분리용 고분자 함침 복합분리막과 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다공성의 무기지지체에 비교적 낮은 유리전이 온도 또는 용융온도를 갖는 고분자물질을 함침시켜 고온의 막분리 공정에 사용할 수 있는 기체분리용 복합분리막과 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 막(membrane)을 이용한 기체분리는 기체성분의 막에 대한 선택적인 가스투과원리를 응용하여 기체 혼합물중의 특정 기체성분만을 분리시키는 분리방법을 말한다.
기체분리 공정에서 주로 사용되는 막은 고분자막이다.
기존의 고분자막의 경우 기체분리 공정에 있어서 선택도가 높다는 장점은 있으나 제철소나 발전소 또는 보일러와 같은 고온상태의 기체 분리 공정에 사용 할 수 없다는 단점이 있다.
이것은 막을 형성하는 고분자 물질 자체의 용융점이 낮기 때문에 제철소의 배가스에서 이산화탄소를 분리하는 것과 같은 고온상태의 분리공정에 고분자막을 사용할 경우 공정온도가 고분자 물질의 유리전이온도 혹은 용융온도 이상이 되므로 이러한 고온에서는 고분자막의 지지기능이 상실하여 막으로서의 기능을 발휘 할 수 없기 때문이다.
이러한 고분자막의 단점을 극복하기 위하여 최근에는 세라믹과 같은 무기막을 고온 상태의 기체분리 공정에 사용하는 방안이 대두되고 있다.
무기막은 내열성이 매우 좋다는 세라믹 고유의 물리적 특성 때문에 고온 공정에 직접 적용할 수 있다는 장점은 있지만, 고온 상태의 기체 특히 이산화탄소를 분리하는데 선택도가 낮다는 치명적인 단점이 있다.
이러한 이유로 이산화탄소의 분리 선택도가 높은 고분자막을 고온공정에서도 사용하기 위하여 유리전이 온도나 용융온도가 높은 고분자 물질을 개발하기 위한 연구가 많이 이루어지고 있지만 아직까지 알려진 바는 없다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 고온공정에 사용할 수 있는 기체분리용 고분자 함침 복합 분리막과 이러한 복합 분리막을 제조하는 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명에 의한 기체분리용 복합분리막을 개략적으로 도시한 구성도,
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 복합분리막의 제조방법을 나타내는 공정도,
도 3은 본 발명의 실시예 2에 따른 복합분리막의 제조방법을 나타내는 공정도,
도 4는 본 발명의 실시예 3에 따른 복합분리막의 제조방법을 나타내는 공정도,
도 5는 제조된 복합분리막의 기체분리 실험을 위한 실험장치중 가스 셀의 구성을 나타내는 단면도,
도 6의 a는 폴리다이메틸실록세인이 함침된 복합분리막의 온도에 따른 분리계수의 변화에 대한 기체분리 실험결과를 나타내는 그래프,
b는 폴리다이메틸실록세인이 함침된 복합분리막의 온도에 따른 투과도의 변화에 대한 기체분리 실험결과를 나타내는 그래프,
도 7의 a는 폴리스타이렌 또는 폴리에틸렌이 함침된 복합분리막의 온도에 따른 분리계수의 변화에 대한 기체분리 실험결과를 나타내는 그래프,
b는 폴리스타이렌 또는 폴리에틸렌이 함침된 복합분리막의 온도에 따른 투과도의 변화에 대한 기체분리 실험결과를 나타내는 그래프,
도 8의 a는 폴리스타이렌 또는 폴리에틸렌이 함침된 복합분리막과 옐로우 에이비가 함침된 분리막의 시간에 따른 분리계수의 변화에 대한 기체분리 실험결과를 나타내는 그래프,
b는 폴리스타이렌 또는 폴리에틸렌이 함침된 복합분리막과 옐로우 에이비가 함침된 분리막의 시간에 따른 투과도의 변화에 대한 기체분리 실험결과를 나타내는 그래프이다.
이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 다공성 무기 지지체에 고분자 물질이 함침되어 있는 기체분리용 복합 분리막과 그 제조방법을 제공한다.
본 발명에서 사용되는 무기 지지체는 무기 지지체의 기공 또는 세공내에 함침되는 고분자물질을 지지하는 역할을 한다. 이러한 점에서 기체를 분리하는 역할과 막을 지지하는 역할을 동시에 수행하는 무기막과 비교할 때 그 기능상에 있어서 차이가 있다. 따라서 본 발명에서 사용되는 무기 지지체는 그 세공의 구조나 크기에 상관없이 열적으로 안정한 다공성 무기재료는 모두 지지체로 이용될 수 있다. 이러한 종류의 무기 지지체로서 보로 실리케이트 글래스, 철망(steel mesh), 알루미나, 실리카, 다공성 글래스 등이 있다.
본 발명에서 사용되는 고분자 물질은 기체분리 기능을 담당한다. 고분자 물질은 용융온도가 비교적 낮아 고온 상태에서 유리되거나 용융되므로 막으로서의 지지 기능을 상실하게 된다.
그러나 본 발명은 이와 같이 고온상태에서 액체와 같은 물성을 지닌 고분자 물질을 무기 지지체의 기공내에 모세관력에 의하여 잡혀 있게 하므로써 비교적 낮은 유리전이온도나 용융점을 갖으면서도 기체분리 특성이 좋은 고분자 물질을 고온에서 기체분리용 막물질로 사용할 수 있게 하였다는 점에 그 특징이 있다.
따라서 본 발명에서 사용될 수 있는 고분자 물질은 유리전이 온도나 용융온도의 고저에 상관없이 분리하고자 하는 특정기체성분에 대한 용해도와 투과도 높은 물질은 모두 선택되어 질 수 있다.
이러한 기준에 따라 본 발명에서는 이산화탄소와 질소혼합기체에 대한 분리도가 높은 폴리다이메틸실록세인(Polydimethyl siloxane)이나 폴리스타이렌(Polystyrene) 또는 폴리에틸렌(Polyethylene)등의 고분자 물질이 선택되었다.
이하에서 설명되어질 제조방법에 의하여 제조된 본 발명에 의한 복합분리막은 무기 지지체에 함침된 고분자 물질의 특성에 따라 해당 고분자 물질의 유리전이 온도 또는 용융온도 이상에서 사용될 수 있으며, 비교적 고온 즉 100℃ 이상의 온도에서 기체를 분리하기 위한 분리막으로 사용된다.
본 발명에 의한 복합분리막은 기체 특히 이산화탄소와 질소 혼합기체의 분리를 위한 분리막으로 사용된다.
본 발명에 의한 복합분리막의 제조방법은 먼저, 고분자 물질이 용해된 용액 또는 상온에서 유동성을 갖는 고분자 액체를 준비하고, 고분자 물질이 용해된 용액 또는 액체에 다공성 무기 지지체를 담근 다음 고분자물질이 무기 지지체내의 기공에 충분히 함침될때까지 유지시킨 이후에 무기 지지체를 고분자 용액 또는 액체에서 꺼내는 순서로 제조된다.
고분자 물질을 용해하는 것은 고분자 물질이 무기 지지체의 기공내에 용이하게 스며들 수 있도록 유동성을 좋게 하는데 있으므로 고분자 물질의 물리적 특성에 따라 그 용액제조방법은 달라진다.
상온에서 액체상태인 고분자 물질의 경우에는 액체상태 그대로 사용하고, 유리전이 온도는 낮지만 가열하여도 유동성이 나쁜 경우에는 용매를 이용하여 고분자 물질을 용해하며, 용융점 이상에서 점도가 낮은 고분자 물질인 경우에는 용융점 이상으로 가열하여 용액을 준비한다.
본 발명의 실시예를 설명하기에 앞서, 본 발명의 여러 실시예에서 개시된 제조방법에 의하여 제조된 복합분리막의 개략적인 구성도를 도1을 이용하여 설명한다.
도1에 나타나 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 제조된 복합 분리막(10)은 판상의 무기 지지체(20)내에 형성되어 있는 무수히 많은 기공(30)내에 고분자 물질(40)이 구석구석 충진 되어 있는 구조로 되어 있다.
무기재료의 성형 특성상 지지체(20)내의 기공(30)은 통상 규칙적인 원통형상으로 형성되어 있는 것이 아니라 단면이 불규칙적이고 상하의 직경이 다르고 대략적으로 원통형상을 취하고 있어서, 이러한 기공(20)내에 채워진 고분자 물질(40)은 고온에서 액상으로 상변태 하여도 쉽게 흘러내리지 않는다.
이하에서 설명되어질 본 발명의 실시예에서 무기 지지체(20)로 사용된 물질은 모두 다공성의 보로실리케이트 글래스(Borosilicate Glass)이다.
본 발명에서 무기 지지체(20)로 사용한 보로실리케이트 글래스는 밀포아(MILLPORE)사의 제품으로 모델번호는 APFF04700 이며 흰색을 띄고 있고 그 물리적 특성은 표1에 나타나 있는 바와 같다.
[표 1]
| 지지체 직경(mm) | 평균 기공크기(㎛) | 지지체의 두께(㎛) | 최고내열온도(℃) |
| 47 | 2.7∼7 | 500 | 500 |
표1에서 알 수 있듯이 지지체(20)로 사용한 보로실리케이트 글래스는 그 내열온도가 500 ℃ 정도로 고온에서도 고유의 강도를 유지할 수 있어서 고온 지지체로 충분히 사용될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 의하여 제조된 복합 분리막(10)은 무기 지지체(20)로서 모두 보로실리케이트 글래스를 사용하였으므로 제조된 복합 분리막(10)의 구조는 도1에 나타나 있는 것과 모두 유사하며, 각 실시예의 차이점은 지지체(20)의 기공(30)내에 함침되는 고분자 물질(40)의 물리적 성질에 따른 함침방법의 차이에 있다.
본 발명의 각 실시예에서 사용된 고분자 물질은 폴리다이메틸실록세인(PDMS)과 폴리스타이렌(PS) 그리고 폴리에틸렌(PE)이며 이들의 물리적 특성은 표2에 나타나 있다. 표2에 나타나 있는 엘로우 에이비(Yellow AB)는 유기 화합물로서 본 발명의 고분자 함침막과의 열적 안정성을 비교하기 위하여 선택되었다.
[표 2]
| 실시예 | 고분자물질 | 용융온도/유리전이온도 | 분자량/점도(cs) | 밀도(g/㎤) | 상온에서의 상태 | 제조업체 |
| 실시예 1 | PDMS1 | 50 | 0.960 | 액체 | ShinEtsu | |
| PDMS2 | 1000 | 0.970 | 액체 | ShinEtsu | ||
| PDMS3 | 100000 | 0.977 | 액체 | ShinEtsu | ||
| PDMS4 | 300000 | 0.977 | 액체 | ShinEtsu | ||
| 실시예 2 | PS | 13℃(Tg) | 760 | 고체 | Aldrich | |
| 실시예 3 | PE | 109∼111℃ | 중간밀도 | 고체 | Aldrich | |
| Yellow AB | 102∼104℃ | 고체 | Tokyo Kasei Kogyo Co. |
이하에서는 폴리다이메틸실록세인(PDMS)과 폴리스타이렌(PS) 그리고 폴리에틸렌(PE)을 다공성 보로실리케이트 글래스에 함침시킨 분리막을 중심으로 실시예를 설명하겠지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니라 무기 지지체에 고분자 물질을 함침시킨 것을 주요 기술적 사상으로 하는 모든 발명에 미치는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이하, 본 발명의 실시예를 설명한다.
[실시예 1]
실시예 1에 의한 복합분리막을 제조 공정을 도2에 나타내고 있다.
실시예 1에서 사용한 고분자 물질은 점도가 각기 다른 4가지 폴리다이메틸 실록세인(PDMS)이며, 상온에서 액체 상태를 유지하고, 기타 물리적 성질은 표2에 나타나 있다.
먼저, 액체 상태의 폴리다이메틸 실록세인을 용기(도시하지 않음)에 채운 다음(50) 보로실리케이트 글래스를 상기 용기 내에 담근다(52). 폴리다이메틸 실록세인이 보로실리케이크 글래스내에 형성된 기공내에 스며들어 흰색의 보로실리케이크 글래스가 반투명해질 때가지 폴리다이메틸 실록세인 용액 내에 유지시킨다(54). 폴리다이메틸 실록세인이 충분히 함침된 다음 보로실리케이크 글래스를 꺼내어 표면에 남아 있는 과량의 폴리다이메틸 실록세인을 제거(56)하는 순으로 보로실리케이크 글래스의 기공내에 폴리다이메틸 실록세인이 함침된 복합분리막이 제조(58)된다.
이상과 동일한 방법으로 밀도가 각기 다른 폴리다이메틸 실록세인을 무기 지지체에 함침시켜 4개의 복합분리막(PDMS1, PDMS2, PDMS3, PDMS4)을 제조하였다.
이렇게 제조된 복합분리막은 지지체의 구조가 그물구조이고, 2.7∼7 ㎛ 크기의 기공내에 액상의 폴리다이메틸 실록세인이 조밀하게 충진되어 있는 것을 확인하였다.
[실시예 2]
실시예 2에 의한 복합분리막을 제조 공정을 도3에 나타내고 있다.
실시예 2에서 사용한 고분자 물질은 폴리스타이렌(PS)이다. 폴리스타이렌은 표2에서와 같이 유리전이온도는 13℃이나 이 온도 이상 가열하여도 유동성을 갖지 않으므로 지지체(20)에 쉽게 함침되지 않는다. 따라서 용매를 사용하여 폴리스타이렌을 용액상태로 만든 후 지지체(20)를 담그어야 한다. 폴리스타이렌에 대한 용매로는 용해도가 높은 테트라하이드로퓨렌(Tetrahydrofuran)을 사용하였다.
먼저, 고체 상태의 폴리스타이렌을 준비(60)한 후, 테트라하이드로퓨렌(THF)으로 폴리스타이렌을 용해(61)하여 준비된 용액을 용기에 채운다. 그리고 보로실리케이트 글래스를 상기 용기 내에 담근다(62). 폴리스타이렌 용액이 보로실리케이크 글래스내에 형성된 기공내에 충분히 스며들 때까지 용액 내에 유지시킨다(64). 폴리스타이렌 용액이 충분히 함침된 다음 보로실리케이크 글래스를 꺼낸 후 80℃로 유지된 오븐내에서 용매를 증발시킨다(66). 그리고 제조된 복합분리막을 폴리스타이렌 용액에 다시 담근(62)후 함침시키고(64), 용매를 증발시키는 과정(66)을 제조된 복합분리막의 무게가 증가되지 않을 때까지 수차례 반복하는 순으로 보로실리케이크 글래스의 기공내에 폴리스타이렌이 함침된 복합분리막을 제조(68)한다.
이렇게 제조된 복합분리막은 폴리스타이렌이 보로실리케이크 글래스의 기공내에 고르게 함침되어 있는 것을 주사전자 현미경으로 확인하였다.
[실시예 3]
실시예 3에 의한 복합분리막을 제조 공정을 도4에 나타내고 있다.
실시예 3에서 사용한 고분자 물질은 폴리에틸렌(PE)이다. 폴리에틸렌은 표2에서 알 수 있듯이 용융온도는 109℃이며 용융점 이상에서는 점도가 낮은 특성이 있다. 따라서 폴리에틸렌을 용융온도보다 5∼10℃정도 높게 가열하여 용융시킨 다음 지지체(20)를 담그어야 한다.
먼저, 고상의 폴리에틸렌을 준비하고(70) 용기에 넣고 용융온도 이상으로 가열(71)하여 용융시킨 다음 보로실리케이트 글래스를 상기 용기 내에 담근다(72). 그리고 폴리에틸렌 용액이 보로실리케이크 글래스내에 형성된 기공내에 충분히 스며들 때까지 용액 내에 유지시킨다(74). 폴리에틸렌 용액이 충분히 함침된 보로실리케이크 글래스를 용기에서 꺼내는 순으로 보로실리케이크 글래스의 기공내에 폴리에틸렌이 함침된 복합분리막을 제조한다(78).
이렇게 제조된 복합분리막은 폴리에틸렌이 보로실리케이크 글래스의 기공내에 고르게 함침되어 있었으며 이것을 주사전자 현미경으로 확인하였다.
실시예 3에서는 본 발명에 의하여 제조된 고분자 함침 분리막과 유기화합물이 함침된 분리막과의 열적안정성을 비교하기 위하여 유기화합물인 엘로우 에이비(Yellow AB)가 보로실리케이트 글래스의 기공내에 함침된 유기 화합물 복합분리막을 제조하였다.
엘로우 에이비의 용융온도는 102∼104℃이므로 폴리에틸렌을 보로실리케이트 글래스에 함침시키는 방법과 동일한 방법으로 엘로우 에이비가 보로실리케이트 글래스에 함침된 유기 화합물 복합분리막을 제조하였다.
이렇게 제조된 복합분리막은 엘로우 에이비가 보로실리케이크 글래스내에 고르게 함침되어 있었으며 이 또한 주사전자 현미경으로 확인하였다.
[실험 결과]
본 발명에 의하여 제조된 고분자 함침 복합분리막에 대하여 기체분리 실험과 열적 안정성을 측정하였다.
기체분리 실험에 사용된 실험장치는 이산화탄소와 질소 그리고 두 개의 헬륨가스 공급원과 복합분리막이 장착된 가스 셀(Gas Cell)이 장입된 전기로와 분리된 기체의 성분과 량을 측정하기 위한 가스 크로마토그래피 그리고 이들을 연결하는 가스라인으로 이루어져있다.
기체분리 실험장치의 가스라인은 크게 공급라인과 배기라인으로 구분되며 공급라인쪽에는 기체의 공급을 단속하는 조정기, 기체내의 수분을 제거하기 위한 수분트랩, 공급되는 기체의 량을 미세하게 조절하기 위한 질량 유속 조절기 그리고 기체의 역류를 방지하기 위한 체크 밸브들이 가스 라인마다 장착되어 있어서 가스 셀내로 공급되는 측정 기체를 정확하게 제어할 수 있다.
가스 셀은 전기로내에 장입되어 있어서 전기로를 가열하여 가스 셀내의 온도를 50∼300℃ 범위내로 조절 할 수 있다. 가스 셀의 온도 조절은 측정용 복합분리막의 2mm 상부에 장착된 열전대를 이용하여 조절하였다.
기체분리 실험장치에 중요한 부분은 가스 셀이며 이를 도 5에 나타내었다.
가스 셀(80)은 상하 지지부(81,82)와 이들을 연결하여 고정하는 연결부(83)로 이루어져 있다. 상부 지지부(81)에는 열전대(88)와 혼합기체를 공급하기 위한 유입구(84)가 형성되어 있고, 하부 지지부(82)에는 분리된 기체를 가스 크로마토그래피에 공급하기 위한 투과구(85)가 형성되어 있다. 그리고 연결부(83) 내에는 지지턱이 형성되어 있어서, 상기 지지턱 위에 측정용 복합분리막(86)을 장착하고 테프론 오링(87, O-ring)을 복합 분리막(86)의 상하에 위치시켜 가스 셀(80)에서 기체가 누출되는 것을 방지하였다. 이러한 가스 셀(80)의 구조적 특징으로 인하여 유입구(84)로 공급된 이산화탄소/질소 혼합기체는 복합분리막(86)을 거쳐야만 투과구(85)로 배출될 수 있다.
기체분리 실험장치를 이용한 혼합기체의 분리 실험과정은 다음과 같다.
먼저, 본 발명에 의하여 제조된 복합분리막 또는 유기 화합물 복합분리막을 도 5에서와 같이 가스 셀(80)에 장착하고, 실험장치의 배기 라인쪽으로 헬륨 가스를 30㎤/min으로 흐르게 하여 배기 라인내의 잔여 기체를 제거하였으며, 가스 셀(80)내부의 투과구(85)쪽으로 투과된 기체를 가스 크로마토그래피로 운반하기 위하여 별도의 라인으로 헬륨 가스를 30 ㎤/min으로 분리 실험내내 계속해서 흘려보낸다.
전기로를 작동시켜 가스 셀(80)내의 온도를 측정하고자 하는 온도까지 가열시킨 다음, 가스 셀(80)과 배기 라인내에 남아 있는 질소가 모두 제거되었는지를 가스 크로마토그래피로 확인한다. 그리고 공급라인의 바이패스로 흐르고 있던 이산화탄소/질소 혼합기체를 가스 셀(80)의 유입구(84)내로 흘려보낸다. 이때 이산화탄소의 몰분율은 0.25로 고정하였으며, 이산화탄소와 질소의 총유량은 5 ㎤/min으로 고정하였다.
기체분리 실험 중에 가스 셀(80)내의 압력은 유입구(84)와 투과구(85)쪽 모두 1기압으로 유지하였으며, 장착된 분리막(86)을 통과한 기체의 몰비와 투과량을 가스 크로마토그래피를 이용하여 측정하였다.
기체분리 실험에 사용된 분리막은 모두 7가지로서, 본 발명의 실시예에 의하여 제조된 복합분리막 6가지와, 열적 안정성에 대한 비교실험을 목적으로 제조된 유기 화합물 복합분리막 1가지이다. 이들 분리막은 가스 셀 내에 하나씩 장착되어 앞서 설명한 측정방법과 동일한 조건으로 순차적으로 각각의 기체분리 실험을 행하였다.
기체분리 실험장치를 이용한 혼합기체의 분리 실험결과는 다음과 같다.
도 6은 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 4가지 복합분리막의 점도(분자량)에 따른 기체 분리도(a) 및 투과도(b)의 영향에 대한 실험결과이다.
무기 지지체에 함침된 폴리다이메틸 실록세인은 동일한 온도에서 점도가 증가함에 따라 기체 분리계수는 증가하고(도 6의 a 참조) 기체 투과도는 감소하였다(도 6의 b 참조). 이것은 폴리다이메틸 실록세인의 점도가 높을수록 폴리다이메틸 실록세인의 사슬(chain)의 운동도가 낮으므로 이산화탄소/질소의 분리능은 크고 투과도 역시 큰 값을 나타내기 때문이라고 생각된다.
한편, 폴리다이메틸 실록세인의 온도에 따른 분리계수의 영향은 다른 고분자 물질의 경우와 마찬가지로 온도에 따라 분리계수가 감소하는 경향을 나타내었으며(도 6의 a 참조), 50℃에서 6.2∼8.2 이였던 것이 250℃에서 1.6∼2.4로 감소하였다.
그리고 폴리다이메틸 실록세인의 이산화탄소의 투과도는 7200∼11000 베러(barrer; 10-10㎤(STP)cm/㎠ sec cmHg)로써 다른 고분자 물질에 비해서 큰 값을 나타내고 있다. 이것은 폴리다이메틸 실록세인의 실리콘-산소(Si-O) 결합구조에 따른 영향으로 이러한 결합구조에 의하여 유연성(flexibility)이 매우 좋기 때문인 것으로 생각된다.
도 7은 본 발명의 실시예 2 와 3에 따라 제조된 복합분리막의 이산화탄소/질소 혼합기체의 기체 분리도(a) 및 투과도(b)에 대한 실험결과를 나타내고 있다.
폴리스타이렌이 함침된 복합분리막의 경우 100℃에서의 분리계수는 11.1로 비교적 높았으나 온도가 증가함에 따라 분리능은 다소 떨어져서 250℃에서는 분리계수가 3.7을 나타내었다(도 7의 a).
폴리에틸렌이 함침된 복합분리막의 경우 120℃에서의 분리계수는 6.6이었으나 250℃에서는 분리계수가 2.7을 나타내었다(도 7의 a).
한편, 이산화탄소의 투과도는 폴리스타이렌이 함침된 복합분리막의 경우 온도에 따라 투과도가 증가하였으나, 폴리에틸렌이 함침된 복합분리막의 경우에는 온도에 따라 투과도가 다소 감소하였다(도 7의 b). 이와 같은 투과도 패턴은 폴리에틸렌에서는 온도 증가에 따른 이산화탄소의 용해도의 감소가 확산도 증가보다 더 지배적이기 때문이라고 생각한다. 폴리스타이렌이 함침된 복합분리막과 폴리에틸렌이 함침된 복합분리막에서의 이산화탄소 투과도는 1000∼1200 베러이었다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 폴리스타이렌과 폴리에틸렌 복합분리막 그리고 엘로우 에이비 유기 화합물 복합분리막의 열적 안정성을 측정한 실험결과를 나타내고 있다.
폴리스타이렌과 폴리에틸렌이 함침된 복합분리막의 경우에는 250℃에서 사용하였을 때 6시간까지 열적으로 안정하였다. 즉 폴리스타이렌의 경우 분리계수가 3.4정도로 그리고 폴리에틸렌의 경우 분리계수가 3.1정도로 6시간까지 일정하게 측정되었다. 그러나 엘로우 에이비가 함침된 분리막의 경우 3시간까지는 분리계수가 3.2 정도로 일정하였으나 4시간이 경과한 후에는 분리계수가 1로써 분리막으로의 기능을 상실함을 알 수 있다(도 8의 a참조).
한편 각 분리막에 대한 이산화탄소의 투과도에 대하여 살펴보면, 폴리스타이렌과 폴리에틸렌이 함침된 복합분리막의 경우 모두 900∼1100 베러로 일정하였으나 엘로우 에이비의 경우 초기에는 1150 베러이었던 것이 4 시간이 경과한 이후부터 11000 베러로 급격히 증가하였다. 이것은 엘로우 에이비가 무기 지지체로부터 증발하여 분리기체가 자유롭게 기공을 통과하였음을 의미한다.
이러한 실험결과로부터 본 발명에 의한 고분자 물질 함침 복합분리막은 유기 화합물이 함침된 분리막보다 열적으로 안정하다는 사실이 확인되었다.
이와 같이 본 발명은 이산화탄소의 분리 선택도가 높은 고분자 물질을 무기 지지체에 함침시켜 제조된 고분자/무기 지지체 복합 분리막을 제공함으로써 발전소나 제철소와 같은 고온공정에서 혼합 폐 가스를 안정적이면서도 효과 적으로 분리 할 수 있는 방법을 제공하였다.
Claims (15)
- 다공성 무기 지지체에 고분자 물질이 함침되어 있는 것을 특징으로 한 기체분리용 고분자 함침 복합 분리막.
- 제1항에 있어서, 상기 무기 지지체는 보로실리케이트 글래스인 것을 특징으로 하는 기체분리용 고분자 함침 복합 분리막.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 고분자 물질은 폴리다이메틸실록세인이나 폴리스타이렌 또는 폴리에틸렌 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 기체분리용 고분자 함침 복합분리막.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 복합분리막을 상기 고분자 물질의 유리전이 온도 이상에서 특정 기체를 분리하기 위해 사용하는 것을 특징으로 하는 기체분리용 고분자 함침 복합분리막.
- 제4항에 있어서, 상기 무기 지지체에 함침된 상기 고분자 물질은 분자량 또는 점도가 높은 고분자 물질을 사용하여 기체 선택도를 높게한 것을 특징으로 하는 기체분리용 고분자 함침 복합분리막.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 복합분리막을 상기 고분자 물질의 용융온도 이상에서 특정 기체를 분리하기 위해 사용하는 것을 특징으로 하는 기체분리용 고분자 함침 복합분리막.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 복합분리막을 100℃ 이상의 온도에서 특정 기체를 분리하기 위해 사용하는 것을 특징으로 하는 기체분리용 고분자 함침 복합분리막.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 복합분리막을 이산화탄소와 질소 혼합기체의 분리를 위해 사용하는 것을 특징으로 하는 기체분리용 고분자 함침 복합분리막.
- 고분자 물질이 용해된 용액을 준비하는 단계와준비된 상기 용액에 다공성 무기 지지체를 담그는 단계와상기 무기 지지체에 상기 용액이 충분히 함침될때까지 유지시키는 단계와상기 용액이 함침된 상기 무기 지지체를 상기 용액으로부터 꺼내는 단계로 이루어진 기체분리용 고분자 함침 복합분리막 제조방법.
- 제 9항에 있어서, 상기 용액을 준비하는 단계는 상기 고분자 물질을 유리전이 온도 이상에서 용해하는 것을 특징으로 하는 기체분리용 고분자 함침 복합분리막 제조방법.
- 제 9항에 있어서, 상기 용액을 준비하는 단계는 상기 고분자 물질을 용융온도 이상에서 용해하는 것을 특징으로 하는 기체분리용 고분자 함침 복합분리막 제조방법.
- 제 9항에 있어서, 상기 용액을 준비하는 단계는 상기 고분자 물질을 용매를 이용하여 용해시키는 것을 특징으로 하는 기체분리용 고분자 함침 복합분리막 제조방법.
- 제12항에 있어서, 상기 고분자 용액이 함침된 상기 무기 지지체를 상기 용액으로부터 꺼낸 후,상기 용매를 증발시키는 단계와상기 고분자 용액에 상기 무기 지지체를 다시 담그는 단계를 더 포함하여,상기 용매를 증발시키는 단계와 상기 고분자 용액에 상기 무기 지지체를 담그는 단계를 상기 무기 지지체에 상기 고분자 용액이 충분히 함침될때까지 계속해서 반복하는 것을 특징으로 하는 기체분리용 고분자 함침 복합분리막 제조방법.
- 제 9항에 있어서, 상기 무기 지지체는 보로실리케이트 글래스인 것을 특징으로 하는 기체분리용 고분자 함침 복합 분리막 제조방법.
- 제9항 또는 제14항에 있어서, 상기 고분자 물질은 폴리다이메틸실록세인이나 폴리스타이렌 또는 폴리에틸렌 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 기체분리용 고분자 함침 복합분리막 제조방법.
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| KR (1) | KR20000008961A (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100531129B1 (ko) * | 2002-10-07 | 2005-11-28 | 한국화학연구원 | 기체분리용 이온액 고정화 액막의 제조방법 |
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1998
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| 석사학위논문 - 포항공대 대학원; 화학공학과, 1997,23-26, 31, 35-37, 58, 69-70쪽 * |
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