KR20120000853A - Supported liquid membranes comprising room temperaure ioninc liquid blend and a pervaporative-recovery method using them - Google Patents

Supported liquid membranes comprising room temperaure ioninc liquid blend and a pervaporative-recovery method using them Download PDF

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KR20120000853A
KR20120000853A KR1020100061338A KR20100061338A KR20120000853A KR 20120000853 A KR20120000853 A KR 20120000853A KR 1020100061338 A KR1020100061338 A KR 1020100061338A KR 20100061338 A KR20100061338 A KR 20100061338A KR 20120000853 A KR20120000853 A KR 20120000853A
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liquid
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정욱진
카스콘 허큐레스
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명지대학교 산학협력단
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Abstract

PURPOSE: A supported liquid membrane containing room temperature ionic liquid blend and a prevaporative-recovery method based on the same are provided to improve the prevaporation performance of butanol. CONSTITUTION: A supported liquid membrane includes room temperature ionic liquid(RTIL) blend. The RTIL blend is phosphonium/ammonium ion mixed liquid or phosphonium/oleyl alcohol mixed liquid. The supported liquid membrane is used for prevaporative-recovering butanol. A prevaporative-recovery method for organic materials uses an organic material-water solution as a supplying solution. The supported liquid membrane with the RTIL blend is mounted at a permeation cell. The organic material is butanol.

Description

실온 이온성 액체 블렌드를 포함하는 지지체 액막 및 그에 의한 투과증발 회수 방법{Supported liquid membranes comprising room temperaure ioninc liquid blend and a pervaporative-recovery method using them}Supported liquid membranes comprising room temperaure ioninc liquid blend and a pervaporative-recovery method using them

본 발명은 실온 이온성 액체(RTIL: Room Temperature Ionic Liquid) 블렌드를 포함하는 지지체 액막 및 그에 의한 투과증발 회수 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 고 소수성이고 유기물에 대해 고 친화도를 갖는 실온 이온성 액체인 포스포늄/암모늄 이온성 혼합 액체계 또는 포스포늄 [Ph3t][NTF]/올레일 알코올의 혼합 액체계를 포함한 지지체 액막을 부탄올 투과증발 회수에 사용하여 추출용매의 손실을 최소로 하고 부탄올 선택도와 투과도 성능을 최대로 하는 지지체 액막 및 그에 의한 부탄올 투과증발 회수 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a support liquid membrane comprising a room temperature ionic liquid (RTIL) blend and a method for recovering pervaporation thereof, and more specifically, to a room temperature ionic having high hydrophobicity and high affinity for organic matter. A support liquid membrane including a liquid phosphonium / ammonium ionic mixed liquid system or a mixed liquid system of phosphonium [Ph3t] [NTF] / oleyl alcohol is used for recovery of butanol pervaporation to minimize the loss of the extraction solvent and to select butanol. The present invention relates to a support liquid membrane for maximizing the degree of permeability and a method for recovering butanol pervaporation.

이온성 액체는 미세다공성 중합체 막 지지체에 함침되어 유기 화합물(예: 공업적으로 중요한 알코올, 예컨대 에탄올, 부탄올 등)의 투과증발 회수 방법에서 사용될 수 있다. RTIL-RTIL 또는 RTIL-유기 용매 블렌딩을 통해, 지지체 이온성 액막(SILM: Supported Ionic Liquid Membrane)의 안정성 및 분리능의 개선이 이루어진다. 미국특허 제04617125(1986.10.14)에서는 “지지체 액막 캐스캐이드에 의한 분리방법”에 대하여 기재하고 있다.Ionic liquids can be impregnated in the microporous polymer membrane support and used in the pervaporation recovery method of organic compounds (eg, industrially important alcohols such as ethanol, butanol, etc.). Through RTIL-RTIL or RTIL-organic solvent blending, improvements in stability and resolution of the Supported Ionic Liquid Membrane (SILM) are achieved. U.S. Patent No. 04617125 (October 14, 1986) describes a "method of separation by a support liquid membrane cascade."

석유 유래 가솔린의 의존도를 줄이는 방법의 하나로 바이오매스(biomass)로부터 부탄올을 생성(solventogenic clostridial 박테리아를 이용한 발효에 의함)하는 방법이 다시 주목받고 있다. 이는 오래된 기술로, 발효 동안에 부탄올 생성 억제 효과에 의해 크게 제한되어서 매우 낮은 최종 broth 농도(0.5 내지 1.0중량%)에 이르게 된다.As one of the ways to reduce the dependence of petroleum-derived gasoline, the method of producing butanol from biomass (by fermentation using solventogenic clostridial bacteria) is receiving attention again. This is an older technique, which is greatly limited by the butanol production inhibitory effect during fermentation leading to very low final broth concentrations (0.5 to 1.0% by weight).

투과증발은 높은 선택도, 낮은 에너지 소모, 단순함 및 취급 용이함과 같은 중요한 이점을 제공하므로 매우 바람직한 분리 방법으로 밝혀졌다. 대한민국 특허출원 10-2002-0006665호는 “휘발성 향기성분의 농축을 위한 투과증발장치 및 이를 이용한 농축방법”에 대하여 기재하고 있다.Pervaporation has been found to be a very preferred separation method because it provides important advantages such as high selectivity, low energy consumption, simplicity and ease of handling. Korean Patent Application No. 10-2002-0006665 describes "Pervaporation apparatus for concentrating volatile fragrance components and concentration method using the same".

RTIL은 적절한 양이온 및 음이온의 조합을 선택함으로써 공정 요건을 간단하게 매치시킬 수 있는 특성으로 인해 연구 관심도가 매우 큰 신규한 디자이너 용매(designer solvent) 군이다.RTIL is a new family of designer solvents that are of great interest for research because of the ability to simply match process requirements by selecting the appropriate combination of cations and anions.

이들은 높은 소수성, 매우 낮은 또는 zero(0) 증기압, 넓은 액체 온도 범위, 적절한 점도, 일반적으로 높은 용매 커패시티(capacity) 및 표면장력과 같은 유기물 분리에 적합한 특성을 갖는 광범위한 선택 또는 디자인된 특정 이온성 액체 군으로부터 선택될 수 있으므로 액막 추출제(LME: Liquid Membrane Extractant)로서 높은 가능성을 갖는다.They are a wide range of selected or designed specific ionics with properties suitable for organic separations such as high hydrophobicity, very low or zero (0) vapor pressure, wide liquid temperature range, suitable viscosity, high solvent capacity and surface tension in general. It has a high potential as a liquid membrane extractant (LME) as it can be selected from the group of liquids.

액체-액체 추출, 전세포 생체촉매에 있어서, 특히 기체 분리를 위한 SILM에 있어서 이온성 액체 용도에 대한 많은 논문이 보고되고 있다.Many papers have been reported on the use of ionic liquids in liquid-liquid extraction, whole cell biocatalysts, especially in SILM for gas separation.

투과증발 막 유형 중에서, 지지체 액막(SLM)은 액체중 분자 확산이 고체에서보다 훨씬 빠르고 특정 이온 또는 분자에 대하여 보다 선택적일 수 있기 때문에 높은 선택도 및 유동(flux)을 가질 수 있다.Among pervaporation membrane types, support liquid membranes (SLMs) may have high selectivity and flux because molecular diffusion in liquids can be much faster and more selective for specific ions or molecules.

SILM의 분리능은 여러 LME 파라미터에 좌우된다. 가장 중요한 파라미터중 하나는 분리할 용질의 LME 분배계수(Kp)이다. 이는 소수성(물에 대한 바람직한 용질 분배) 이외에 LME 추출률과 직접적인 상관관계를 갖는다. 다른 중요한 파라미터는 LME 점도에 의해 직접 제어되는 분산성이다.The resolution of SILM depends on several LME parameters. One of the most important parameters is the LME partition coefficient (Kp) of the solute to be separated. This has a direct correlation with LME extraction rate in addition to hydrophobicity (desired solute distribution for water). Another important parameter is the dispersibility directly controlled by the LME viscosity.

현재, SLM의 산업적 용도에 대한 가장 큰 걸림돌은 용질 유동 및 막 선택성의 감소로 이어지는 불안정성(불충분한 장기적 수행능)이다. RTIL계 LME의 경우, 증기압이 존재하지 않으므로 증발에 의한 손실은 해당되지 않으며, 따라서 인접 상으로의 이동 및 용해가 불안정성의 주요 원인이다. 소수성 RTIL 조차도 수성 상과 무시할 수 없는 정도의 상호 용해도를 나타내는 것으로 알려져 있고, 알코올 용질의 존재 및 온도 증가에 의해 더 커지는 상기 특성은 불안정 메카니즘을 개시시키는 주요 유발요인이다.Currently, the biggest obstacle to industrial use of SLM is instability (inadequate long-term performance) leading to reduced solute flow and membrane selectivity. In the case of the RTIL-based LME, there is no vapor pressure, so the loss by evaporation is not applicable, and therefore the movement and dissolution to the adjacent phase are the main causes of instability. Even hydrophobic RTILs are known to exhibit an insignificant degree of solubility with the aqueous phase, and these properties, which are further increased by the presence of alcohol solutes and by increasing temperature, are the main triggers for initiating instability mechanisms.

SILM 불안정 메카니즘은 수성 상 및 RTIL의 상호 용해도로 인한 역 미셸(reversed micelle) 형성 또는 에멀션화를 포함한다. 미셸이 수성 상으로 이동함으로 인한 RTIL의 이동 및 이들 미시환경을 통한 용질 및 물 이동의 지배가 막을 통한 불충분한 선택적 이동을 야기한다.SILM instability mechanisms include reversed micelle formation or emulsification due to the mutual solubility of the aqueous phase and RTIL. The migration of RTIL and the domination of solute and water transport through these microenvironments due to the migration of the micelle to the aqueous phase results in insufficient selective migration through the membrane.

안정한 RTIL계 막을 제조하기 위한 극단적 방법으로 RTIL이 중합된다. 그러나, 이들 폴리(RTIL)에서의 용질 이동이 액상에서는 더 이상 이루어지지 않으므로 SILM의 분리능 이점이 실질적으로 사라진다.
RTIL is polymerized in an extreme way to produce stable RTIL-based membranes. However, since the solute transfer in these poly (RTIL) is no longer in the liquid phase, the resolution benefit of SILM is substantially lost.

본 발명에서는 종래 지지체 액막에서 부탄올 유량이 불충분한 문제점을 해결하고자 한다.In the present invention, to solve the problem of insufficient butanol flow rate in the conventional support liquid film.

또한, 본 발명에서는 LME가 인접상으로 이동하고 용해되는 문제점을 해결하고자 한다.In addition, the present invention is to solve the problem that the LME is moved to the adjacent phase and dissolved.

또한, 본 발명에서는 부탄올 투과증발 회수 성능을 개선시키고자 한다.
In addition, the present invention is to improve the butanol pervaporation recovery performance.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 RTIL 블렌드를 포함하는 지지체 액막에 있어서, 상기 RTIL 블렌드가 포스포늄/암모늄 이온성 혼합 액체 또는 포스포늄/올레일 알코올의 혼합 액체인 지지체 액막을 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention provides a support liquid membrane wherein the RTIL blend is a phosphonium / ammonium ionic mixed liquid or a mixed liquid of phosphonium / oleyl alcohol.

또한, 본 발명은 부탄올 투과증발 회수에 이용되는 상기와 같은 지지체 액막을 제공한다.In addition, the present invention provides a support liquid membrane as described above used for the recovery of butanol pervaporation.

또한, 본 발명은 유기물-물 용액을 공급 용액으로 사용하고, 실온 이온성 액체 블렌드를 포함하는 지지체 액막을 투과셀에 장착하는 단계를 포함하는 유기물 투과증발 회수 방법에 있어서, 상기 RTIL 블렌드가 포스포늄/암모늄 이온성 혼합 액체 또는 포스포늄/올레일 알코올의 혼합 액체인 방법을 제공한다.The present invention also provides a method for recovering an organic permeation evaporation method comprising using a organic-water solution as a feed solution and mounting a support liquid membrane including a room temperature ionic liquid blend to a permeation cell, wherein the RTIL blend is phosphonium. / Ammonium ionic mixed liquid or phosphonium / oleyl alcohol.

또한, 본 발명은 상기 유기물이 부탄올인 방법을 제공한다.
The present invention also provides a method in which the organic material is butanol.

본 발명의 포스포늄/암모늄 이온성 혼합 액체를 지지체 액막에 포함시킴으로써 추출 용매 손실을 최소화할 수 있다. 또한, 포스포늄/올레일 알코올의 혼합 액체를 지지체 액막에 포함시킴으로써 추출 용매 손실을 최소화할 수 있다. 또한, 부탄올 투과증발 성능이 개선된다.
The extraction solvent loss can be minimized by including the phosphonium / ammonium ionic mixed liquid of the present invention in the support liquid membrane. In addition, loss of extraction solvent can be minimized by including a mixed liquid of phosphonium / oleyl alcohol in the support liquid membrane. In addition, butanol pervaporation performance is improved.

도 1은 블렌드 LME에 의한 SILM의 제조방법을 도식적으로 나타낸 것이다.
도 2는 투과증발 과정을 도식적으로 나타낸 것이다.
도 3은 물-포화된 혼화성(miscibility) 추출제(EX) 유기상의 혼합물에 의한 부탄올 분배를 나타낸 것으로, 여기서 ○: EX1=OA, EX2=[Ph3t][NTF], ■: EX1=[Ph3t][DCN], EX2=[Ph3t][NTF]이다.
도 4는 시뮬레이션 ABE 발효 broth의 구성성분에 대한 [Ph3t][DCN]의 Kp를 나타내고, 또한 부티르산 [HB] 및 그의 짝염기[B-]의 형성 %의 편차를 나타낸다 (부티르산의 pKa는 4.82이다).
도 5a 내지 5d는 1.5% (도 5a, 5c) 및 2.5%(5b, 5d) 부탄올 공급 농도에서 순수 RTIL계 SILM의 투과증발 성능을 나타낸다.
도 6은 본 발명에 따른 순수 RTIL계 SILM ([Ph3t][NTF], [OMA][NTF] 및 [Ph3t][DCN])의 부탄올 투과증발과 종래 문헌[Izak 등, 2008A&B; 2009A&B; Thongsukmak 등, 2007; Matsumura 등, 1992, Qureshi 및 Blaschek, 1999]에 보고된 부탄올 투과증발을 비교한 그래프이다.
도 7은 1.5% (A) 및 2.5% (B) 부탄올 공급 농도에서 투과 유동의 온도 의존도를 나타낸다.
도 8은 2.5% 부탄올 공급, 60 및 70℃ 온도에서의 블렌딩된 LME계 SILM 투과증발 성능을 나타낸다. 100% [Ph3t][NTF] 및 100% [Ph3t][DCN]에 대한 데이터도 또한 비교를 위해 제공되어 있다.
도 9a 및 9b는 순수 RTIL계 SILM(a) 및 블렌드 RTIL계 SILM(b)에 대한 정규화된 (8시간 PV로) 단기 안정성 데이터를 나타낸다. 도 9b의 선은 LIM 손실 변화를 보다 잘 드러내기 위한 것으로, 일차함수 관계를 의미하고자 한 것이 아니다.
Figure 1 schematically shows a method for producing SILM by blend LME.
Figure 2 schematically shows the pervaporation process.
FIG. 3 shows butanol distribution by a mixture of water-saturated miscibility extractant (EX) organic phases, where ○: EX1 = OA, EX2 = [Ph3t] [NTF], ■: EX1 = [Ph3t ] [DCN], EX2 = [Ph3t] [NTF].
4 shows the Kp of [Ph3t] [DCN] for the constituents of the simulated ABE fermentation broth, and also shows the deviation of the% formation of butyric acid [HB] and its base pair [B-] (pKa of butyric acid is 4.82) .
5A-5D show the pervaporation performance of pure RTIL-based SILM at 1.5% (FIGS. 5A, 5C) and 2.5% (5B, 5D) butanol feed concentrations.
FIG. 6 shows butanol permeation evaporation of pure RTIL-based SILMs ([Ph3t] [NTF], [OMA] [NTF] and [Ph3t] [DCN]) according to the present invention and the conventional literature [Izak et al., 2008A &B; 2009A &B; Thongsukmak et al., 2007; Matsumura et al., 1992, Qureshi and Blaschek, 1999] is a graph comparing butanol pervaporation reported.
7 shows the temperature dependence of permeate flow at 1.5% (A) and 2.5% (B) butanol feed concentrations.
FIG. 8 shows the blended LME based SILM pervaporation performance at 2.5% butanol feed, 60 and 70 ° C. temperatures. Data for 100% [Ph3t] [NTF] and 100% [Ph3t] [DCN] are also provided for comparison.
9A and 9B show normalized (in 8 hours PV) short term stability data for pure RTIL based SILM (a) and blended RTIL based SILM (b). The line in FIG. 9B is intended to better reveal the change in LIM loss, and is not intended to mean a linear function relationship.

본 발명에 따르면, 부탄올의 투과증발 회수에 이용될 수 있는 포스포늄/암모늄 이온성 혼합 액체계 또는 포스포늄/올레일 알코올의 혼합 액체계를 포함하는 지지체 액막 및 그에 의한 부탄올 투과증발 회수방법을 제공한다. 이하에서는 본 발명을 보다 상세하게 설명하나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
According to the present invention, there is provided a support liquid membrane comprising a phosphonium / ammonium ionic mixed liquid system or a mixed liquid system of phosphonium / oleyl alcohol, which can be used for pervaporation recovery of butanol, and a method for recovering butanol pervaporation thereby. do. Hereinafter, the present invention will be described in more detail, but the present invention is not limited thereto.

RTILRTIL /Of OAOA 블렌드에In blends 의한  by SILMSILM 의 제조Manufacture

LME는 높은 분리능에 중요한 최적 특성을 가져야 한다. 구체적으로, Kp가 높아야 하지만, 이와 동시에 LME는 물에 대해 매우 낮은 친화도를 가져야 하고 (양호한 용질 추출률), 용질이 SILM을 통한 높은 확산 속도를 갖기 위해서는 과도한 점성을 갖지 않아야 한다.LME should have optimal properties that are important for high resolution. Specifically, the Kp should be high, but at the same time the LME must have a very low affinity for water (good solute extraction rate) and the solute must not have excessive viscosity in order to have a high diffusion rate through SILM.

블렌딩은 LME에서 이들 특징을 미세 조정하기 위한 간단하지만 매우 효과적인 방법이다. LME 구성성분이 효과적으로 블렌딩되기 위해서 이들은 서로 회합되어야 한다. 이는 단순 혼화성 시험을 실시함으로써 시험된다 (RTIL 또는 유기 용매 희석물을 교반(vortex)-혼합한 후에 원심분리하여 블렌딩된 혼합물의 오랜 기간 정치후에 어떠한 상 분리도 발생하지 않음을 증명한다).Blending is a simple but very effective way to fine tune these features in the LME. In order for LME components to be effectively blended, they must be associated with each other. This is tested by conducting a simple miscibility test (vigorous mixing of the TRTI or organic solvent dilution followed by centrifugation to demonstrate that no phase separation occurs after a long period of standing of the blended mixture).

LME 블렌드를 단순히 적셔서(soaking) 소수성 미세다공성 막 지지체, 예컨대 Celgard 2400(등록상표) 또는 다른 회합가능한 중합체 지지 매트릭스(예: 소수성 Solupor(등록상표) 막)의 원형 세공에 함침시킨 후에 진공 챔버(chamber)에서 탈기시켜 포함된 공기를 제거하고 지지 막의 세공에 LME 블렌드가 완전히 흡수팽윤되도록 한다. 또한, LME는 투과증발 동안에 진공화되어서 세공으로부터 쉽게 누출되지 않아야 한다. 그 밖의 고려 요인은 LME 점도, 세공 크기, 지지 매트릭스 형태(LME 및 지지 매트릭스 간의 보다 강한 모세관력을 위함) 및 지지 매트릭스 두께(최소 내확산성을 위해 가능한 한 얇아야 함)이다.The vacuum chamber (chamber) is then simply soaked into the circular pores of a hydrophobic microporous membrane support such as Celgard 2400® or other associable polymer support matrix (eg hydrophobic Solupor® membrane). Degassing to remove the contained air and allow the LME blend to fully absorb and swell into the pores of the support membrane. In addition, the LME should be evacuated during pervaporation so that it does not readily leak out of the pores. Other considerations are LME viscosity, pore size, support matrix form (for stronger capillary force between LME and support matrix) and support matrix thickness (must be as thin as possible for minimum diffusion resistance).

우선 결이 고운 필터지 2장 사이에서 “젖은” 막을 눌러닦고(blotting), 부드러운 린트프리(lint-free) 티슈지로 양 면을 부드럽게 꼼꼼히 닦아내어서(wiping) 지지 막 표면 상의 과도한 LME를 제거한다. LME-충진된 지지 막은 종래 지지 막의 본래 불투명 백색 외양과 대조적으로 반투명 내지는 투명으로 보인다.First, blotting a “wet” membrane between two sheets of fine filter paper and gently wiping both sides with a soft lint-free tissue to remove excess LME on the surface of the support membrane. LME-filled support membranes appear translucent or transparent in contrast to the original opaque white appearance of conventional support membranes.

LME을 흡수 팽윤하기 전과 후에 지지 막의 질량을 측정하여서 액막 커패시티(종래 지지체의 본래 질량을 %로 표기함)을 계산할 수 있다.By measuring the mass of the support membrane before and after the absorption and swelling of the LME, the liquid membrane capacity (formerly expressed in% of the original mass of the support) can be calculated.

본 발명에 따른 SILM에 사용된 LME의 물성 및 본 발명에 따른 SILM 성능 평가에 대한 시험에 대하여 하기 표 1 및 2에 기재하였다.The physical properties of the LME used in the SILM according to the present invention and the tests for the evaluation of the SILM performance according to the present invention are described in Tables 1 and 2 below.

SILM의 종류Type of SILM LME 전체 명칭
(full name)
LME full name
(full name)
약어Abbreviation MWMW 밀도, g/㎤Density, g / cm 3 구조식constitutional formula
트리헥실(테트라데실)포스포늄 비스(트리플루오로메틸설포닐)이마이드Trihexyl (tetradecyl) phosphonium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide [Ph3t][NTF][Ph3t] [NTF] 764.0764.0 1.0701.070

Figure pat00001
Figure pat00001
메틸트리옥틸암모늄 비스(트리플루오로메틸설포닐)이마이드Methyltrioctylammonium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide [OMA][NTF][OMA] [NTF] 648.8648.8 1.1051.105
Figure pat00002
Figure pat00002
트리헥실(테트라데실)포스포늄 다이시안아마이드Trihexyl (tetradecyl) phosphonium dicyamide [Ph3t][DCN][Ph3t] [DCN] 549.9549.9 0.8980.898
Figure pat00003
Figure pat00003
올레일 알코올Oleyl alcohol OAOA 268.5268.5 0.8550.855
Figure pat00004
Figure pat00004

SILM 성능 평가에 대한 시험Test for SILM performance evaluation 시험exam 수치shame 측정할 파라미터Parameter to measure
* 모든 RTIL 유형, LME 블렌드의 부탄올에 대한 친화도
* pH 영향


* Affinity for butanol of all RTIL types, LME blends
* pH effect

(표 1 참고)
* 순수 LME로서
* LME 블렌드로서
* 온도 = 25℃
* 시뮬레이션 발효 broth에 대하여 pH = 3, 5, 7 및 9
(See Table 1)
* As a pure LME
As an LME blend
* Temperature = 25 ℃
PH = 3, 5, 7 and 9 for simulated fermentation broth
하기에 대한 분배 계수 측정치(Kp):
* 부탄올-물 모델 용액으로부터 부탄올
* 시뮬레이션 발효 broth로부터 아세톤, 부탄올, 아세톤, 아세트산, 부티르산
Distribution factor measurements (Kp) for
* Butanol from butanol-water model solution
* Acetone, butanol, acetone, acetic acid, butyric acid from simulated fermentation broth
투과증발Pervaporation 다양한 부탄올 공급 농도: 1.5, 2.5 wt/vol%
다양한 온도: 35, 45, 60 및 70℃
Various butanol feed concentrations: 1.5, 2.5 wt / vol%
Variety of Temperatures: 35, 45, 60, and 70 ° C
* 분리 계수
* 침투물 중 부탄올%
* 유동 (부탄올, 물)
* Separation factor
* Butanol% in permeate
* Flow (butanol, water)
SILM 안정도SILM stability 단기 안정도Short-term stability 다양한 부탄올 공급 농도: 1.5, 2.5wt%/vol%
다양한 온도: 35, 45, 60 및 70℃
Various butanol feed concentrations: 1.5, 2.5 wt% / vol%
Variety of Temperatures: 35, 45, 60, and 70 ° C
* 액막 손실%
(8시간 투과증발 실시에 대하여 정규화됨)
* Liquid film loss%
(Normalized for 8 hour pervaporation)

부탄올Butanol 및 다른  And other brothbroth 구성성분의 분배 Distribution of ingredients

분배 계수(Kp)는 하기 수학식 1에 나타낸 바와 같이, 평형 하에서 유기 상 COP 및 수성 상 CAP에서 부탄올(또는 특정 용질) 농도의 비이다:The partition coefficient (Kp) is the ratio of butanol (or specific solute) concentrations in the organic phase C OP and the aqueous phase C AP under equilibrium, as shown in equation (1):

Figure pat00005
Figure pat00005

분배 실험을 위해 shake flask 방법을 이용하였다. COP을 직접 측정하는 것이 곤란하므로, 각 상의 체적이 평형 이후에 변하지 않는다는 가정하에, 즉, (VAP)i=(VAP)eq 및 (VOP)i=(VOP)eq 이라는 가정 하에 하기 수학식 2, 3의 용질 평형(solute balance)을 통해 근사치를 구하였다.The shake flask method was used for the dispensing experiment. Since it is difficult to measure C OP directly, it is assumed that the volume of each phase does not change after equilibrium, i.e., (V AP ) i = (V AP ) eq and (V OP ) i = (V OP ) eq Approximate values were obtained through the solute balance of Equations 2 and 3 below.

Figure pat00006
Figure pat00006

Figure pat00007
Figure pat00007

상기에서, C 및 V는 용질 농도 및 상 체적 각각을 의미하고, 아래첨자 i, eq, OP 및 AP는 초기 조건, 평형 조건, 유기 및 수성 상 각각을 지칭한다.In the above, C and V refer to solute concentration and phase volume respectively, and the subscripts i, eq, OP and AP refer to initial conditions, equilibrium conditions, organic and aqueous phases respectively.

공지 농도의 부탄올-물 용액을 수-포화된 추출물과 다른 수성:유기 상 체적비로 밀봉가능한 용기 내에서 전체 액체 체적에 맞추어 혼합하였다. 혼합물을 완전히 교반 혼합하고, 1일동안 평형에 이르도록 그대로 두고, 이어서 원심분리하여 상 분리시켰으며, 이들 모두는 온도 제어 조건(T=25℃)에 있었다. 또한, 액막 추출제 블렌드(2상 혼합물)에 의한 부탄올 분배를 연구하였다. 또한, 추출제에 의한 시뮬레이션 발효 broth의 구성성분의 분배를 일정한 유기:수성 상 체적비, 온도, 구성성분 농도에서 연구하였다. pH 제어 시험을 위해, 추출 단계 이전에 26% NH4OH 용액을 시뮬레이션 발효 broth에 첨가하여서 pH를 조정하고, Thermo Orion pH 미터(meter) 및 프로브(probe)를 이용하여 상기 특성을 측정하였다. 또한, 시뮬레이션 broth 구성성분의 평형 농도를 기체 크로마토그래피 분석에 의해 결정하는 한편, 샘플링될 수 있는 평형된 수성 상의 제한된 체적으로 인해 pH 스트립(strip)을 이용하여서 평형 pH를 확인하였다.
Known concentrations of butanol-water solution were mixed with the water-saturated extract to the total liquid volume in a sealable vessel with a different aqueous: organic volume ratio. The mixture was thoroughly stirred and mixed, left to equilibrate for 1 day, then centrifuged to separate the phases, all under temperature controlled conditions (T = 25 ° C.). In addition, butanol distribution by liquid film extractant blend (biphasic mixture) was studied. In addition, the distribution of the constituents of the simulated fermentation broth by extractant was studied at constant organic: aqueous phase volume ratio, temperature, and component concentration. For the pH control test, the pH was adjusted by adding a 26% NH4OH solution to the simulated fermentation broth prior to the extraction step, and the properties were measured using a Thermo Orion pH meter and probe. In addition, the equilibrium concentration of the simulated broth constituents was determined by gas chromatography analysis, while the equilibrium pH was confirmed using a pH strip due to the limited volume of the equilibrated aqueous phase that could be sampled.

투과증발Pervaporation

투과증발 장치에서 공지 농도의 부탄올-물 용액을 공급 용액으로 사용하였다(도 2). 제조된 SILM을 투과 셀(cell)에 장착하고, 농도 편향을 최소화하기에 적절한 정도로 공급 흐름 속도를 설정하고, 투석물을 공급 탱크로 재순환시켰다. 공급 온도를 제어하고, 진공 펌프를 이용하여 막의 다운스트림(downstream) 쪽으로 구동력을 제공하였다. 투과물을 농축시키고, 동결제로서 액체 질소를 이용하는 차가운 트랩(trap)에서 수거하였다. 최종 투과물 샘플을 수거하기 이전에 항상 1시간 이상의 투과증발 평형을 이루게 하여서 정상 상태(steady state)를 달성하였다. 2 리터 이상의 공급 용액을 이용하고, 실제 투과증발을 1.5 내지 2.5 시간 실시한 후에 공급 부탄올 농도에 주목할만한 변화가 없도록 하였다. 이는, SILM이 조밀 중합체 막에 비해 매우 높은 유동 특징을 가지므로 매우 중요하다.
In a pervaporation apparatus a known concentration of butanol-water solution was used as feed solution (FIG. 2). The prepared SILM was mounted in a permeation cell, the feed flow rate was set to an appropriate level to minimize concentration bias, and the dialysate was recycled to the feed tank. The feed temperature was controlled and a vacuum pump was used to provide driving force downstream of the membrane. The permeate was concentrated and collected in a cold trap using liquid nitrogen as the freezing agent. A steady state was achieved by always allowing at least 1 hour pervaporation equilibrium prior to collecting the final permeate sample. At least 2 liters of feed solution was used and there was no noticeable change in feed butanol concentration after 1.5 to 2.5 hours of actual pervaporation. This is very important as SILM has very high flow characteristics compared to dense polymer membranes.

SILMSILM 성능 평가 Performance evaluation

1. 순수 액막 추출제1. Pure liquid film extractant

[Ph3t][NTF]는 매우 소수성이고 여러 박테리아에 대해 가벼운 정도의 억제 효과를 나타내므로 추출 과정에서의 적용 가능성을 주된 이유로 하여 가장 많이 보고되는 비-이미다졸륨계 RTIL중 하나이다. 수득된 Kp=1.1은 용매화 파라미터 모델에 근거한 공지된 수치 (Kp=1.00)와 잘 일치한다. 이러한 이온성 액체에서, 용질 분배에 대해 가장 큰 원인은 쌍극자 상호작용에 대한 커패시티 및 H-결합 염기도/H-결합 수용기이다.[Ph3t] [NTF] is one of the most reported non-imidazolium based RTILs for the main reason for its applicability in the extraction process since it is very hydrophobic and has a mild inhibitory effect against various bacteria. The obtained Kp = 1.1 is in good agreement with the known numerical value (Kp = 1.00) based on the solvation parameter model. In such ionic liquids, the biggest cause for solute distribution is the capacity for dipole interactions and the H-bond basicity / H-bond receptor.

[Ph3t][DCN]은 [Ph3t][NTF]보다 훨씬 높은 부탄올 분배 계수를 갖는다; 이는 Kp 차이를 일으키는 음이온에 의한 것임이 틀림없으며, 여기서 [DCN] > [NTF]이다. 이러한 경향은 [NTF]를 사용하는 경우보다 [DCN]과 부탄올 간의 훨씬 강한 수소 결합 강도에 의해 유발된다.[Ph3t] [DCN] has a much higher butanol partition coefficient than [Ph3t] [NTF]; This must be due to the anion causing the Kp difference, where [DCN]> [NTF]. This tendency is caused by a much stronger hydrogen bond strength between [DCN] and butanol than with [NTF].

추출제 중 부탄올 Kp 측정치 (T=25℃)Butanol Kp measurement in extractant (T = 25 ° C) 추출제Extractant KpKp S.D.*S.D. * [Ph3t][NTF][Ph3t] [NTF] 1.101.10 0.160.16 [OMA][NTF][OMA] [NTF] 1.441.44 0.070.07 [Ph3t][DCN][Ph3t] [DCN] 7.497.49 0.090.09 OAOA 3.323.32 0.180.18

[OMA][NTF]에 대한 부탄올 Kp(1.44)는 [Ph3t][NTF]의 수치(1.10)보다 조금 더 크다. 이들 음이온이 동일하므로, 이러한 분배 특징의 약간의 차이는 이들 각각의 양이온에 기인한 것임에 틀림없다.Butanol Kp (1.44) for [OMA] [NTF] is slightly larger than that of [Ph3t] [NTF] (1.10). Since these anions are the same, some difference in these distribution characteristics must be due to their respective cations.

부탄올에 대한 OA의 Kp 측정치 3.3은 3.2, 3.6 및 3.8과 같은 다른 선행 연구에서 보고된 수치에 비해 바람직하다. 부탄올-OA 친화도에 대한 여러 가능한 메카니즘이 확인될 수 있다; 각각의 알킬부 간의 소수성-소수성 상호작용 및 분산 상호작용에 대한 보다 큰 커패시티가 가장 확실하다.
Kp measurement 3.3 of OA for butanol is preferred over the values reported in other previous studies such as 3.2, 3.6 and 3.8. Several possible mechanisms for butanol-OA affinity can be identified; Larger capacities for hydrophobic-hydrophobic and dispersion interactions between each alkyl moiety are most certain.

2. 블렌드 액막 추출제2. Blend Liquid Extractor

액막 추출제 블렌드에 의한 부탄올 분배는 블렌드 구성성분 농도에 크게 좌우된다: 블렌드 Kp는 보다 높은 Kp를 갖는 추출제 구성성분(순수 추출제로서)의 체적 분획율이 증가함에 따라 증가하거나, 또는 보다 낮은 Kp를 갖는 추출제 구성성분의 체적 분획율이 증가함에 따라 감소한다 (도 3). 이러한 관계의 비일차 함수 관계(OA-[Ph3t][NTF] 시스템에 의해 나타남)는 다양한 용매-용매 및 용매-용질 상호작용의 결과이다. [Ph3t][NTF]-[Ph3t][DCN] 시스템은 cosolvency에서 일차함수 관계를 나타내고, 이 시스템은 동일한 양이온 유형으로 구성된다. 이들 결과는 RTIL-RTIL 블렌드의 경우, 보다 거대한(bulkier) 양이온의 유사함이 블렌드 용매화 특성의 일차함수 양태의 보다 큰 요인중 하나일 수 있음을 나타낼 수 있다.The butanol distribution by the liquid film extractant blend is highly dependent on the blend component concentration: Blend Kp increases or decreases as the volume fraction of the extractant component (as pure extractant) with higher Kp increases. It decreases with increasing volume fraction of the extractant component having Kp (FIG. 3). The non-linear functional relationship of this relationship (represented by the OA- [Ph3t] [NTF] system) is the result of various solvent-solvent and solvent-solute interactions. The [Ph3t] [NTF]-[Ph3t] [DCN] systems exhibit a first-order relationship in cosolvency, which consists of the same cation type. These results may indicate that for RTIL-RTIL blends, the similarity of the bulkier cations may be one of the larger factors of the first functional aspect of the blend solvation properties.

연구된 추출제 모두는 부탄올과 함께 시뮬레이션 발효 broth로부터 아세톤, 에탄올, 아세트산 및 부티르산을 공-추출할 수 있는 커패시티를 갖는다고 알려졌다. 3가지 비-유기 산 구성성분 중에서, 분배 선호도는 부탄올 > 아세톤 > 에탄올 순서에 따른다. 명확하게, 이들 화합물의 소수성은 분배 경향에 대한 중요한 요인이다. [Ph3t][NTF] 및 [OMA][NTF]는 약 60 내지 80%로 아세톤 분배와 매우 유사하고, 부탄올에 대한 이들 각각의 분배 수치 약 10%로 에탄올과 매우 유사하다.All of the extractants studied were known to have the capacity to co-extract acetone, ethanol, acetic acid and butyric acid from the simulated fermentation broth with butanol. Among the three non-organic acid constituents, the partition preference is in the order of butanol> acetone> ethanol. Clearly, the hydrophobicity of these compounds is an important factor for the distribution tendency. [Ph3t] [NTF] and [OMA] [NTF] are very similar to the acetone distribution at about 60-80% and very similar to ethanol at about 10% of their respective partition values for butanol.

[Ph3t][DCN]은 부탄올 분배 수치 약 10%로 아세톤과 에탄올을 분배한다. OA는 상응하는 부탄올 분배 수치에 대하여 각각 20% 및 10%로 아세톤과 에탄올을 분배한다. 화학적으로 유사하지만 목표로 하지 않는 용질의 공-추출이 이러한 방법 적용시에 문제를 일으킬 수 있다.[Ph3t] [DCN] distributes acetone and ethanol with a butanol partition value of about 10%. OA distributes acetone and ethanol at 20% and 10%, respectively, for the corresponding butanol partition values. Co-extraction of chemically similar but untargeted solutes can cause problems when applying this method.

[Ph3t][DCN]은 산성 pH 수준에서 유기 산에 대하여 매우 높은 분배 커패시티를 나타낸다(도 4 참고). 유기 산의 높은 분배 수치는 유기산-추출제 복합체의 형성 때문이다. [Ph3t][DCN]은 분리되지 않은 유기 산의 수화 복합체를 형성하는 것으로 밝혀진 대표적인 테트라알킬포스포늄 이온성 액체이다. 복합체 형성은 이들 산이 분리되지 않은 형태로 있을 때에만 발생하므로, pH 조정은 유기 산의 분배를 제어하는 매우 효과적이고 편리한 방법으로 밝혀졌다 (아세트산 및 부티르산의 pKa 값은 각각 4.76 및 4.82이다; 따라서, 약 pH 7에서 이들 이온의 완전한 해리가 예상되고, 이는 이들의 가장 낮은 분배에 해당한다.)
[Ph3t] [DCN] shows very high partitioning capacity for organic acids at acidic pH levels (see FIG. 4). The high partition value of organic acids is due to the formation of organic acid-extractant complexes. [Ph3t] [DCN] is a representative tetraalkylphosphonium ionic liquid that has been found to form a hydrated complex of unseparated organic acid. Since complex formation occurs only when these acids are in unseparated form, pH adjustment has been found to be a very effective and convenient way to control the distribution of organic acids (pKa values of acetic acid and butyric acid are 4.76 and 4.82, respectively; At about pH 7, complete dissociation of these ions is expected, which corresponds to their lowest distribution.)

투과증발 성능 평가Pervaporation Performance Evaluation

1. 순수 LME계 SILM1. Pure LME SILM

일반적으로, 분리 계수는 온도 증가에 따라 증가하지만 60℃에서 최적 양태를 나타내는 반면, 부탄올 유동은 온도 증가에 따라 지속적으로 증가한다(도 5a 및 5b). 동일한 경향이 투과증발 분리 지수(PSI) 수치에 반영된다(도 5c 및 5d).In general, the separation coefficient increases with increasing temperature but exhibits an optimal mode at 60 ° C., while the butanol flow continues to increase with increasing temperature (FIGS. 5A and 5B). The same trend is reflected in pervaporation separation index (PSI) values (FIGS. 5C and 5D).

[Ph3t][DCN] SILM은 약 90 정도의 높은 분리 계수(부탄올 공급 농도 둘다에 대해), 보다 낮은 공급 농도(1.5중량%)에서는 약 165g/㎡h의 부탄올 유동 및 보다 높은 공급 농도(2.5중량%)에서는 약 320 g/㎡h의 부탄올 유동에서 우수한 성능을 나타내었다. 특히 보다 높은 부탄올 공급 농도에서는 [Ph3t][NTF]의 분리 계수가 [OMA][NTF]의 분리 계수보다 더 높더라도 [Ph3t][NTF] 및 [OMA][NTF]은 거의 유사한 유동을 제공한다. 이러한 결과는 부탄올에서 보다 진한 생성물 스트림을 제공할 수 있으므로 LME로서 [OMA][NTF]보다 [Ph3t][NTF]의 경우에 보다 높은 효율을 가짐을 나타낸다. SILM 유동 수치에서의 이와 같은 경향은 [Ph3t][DCN] (7.5) > [OMA][NTF] (1.4) > [Ph3t][NTF] (1.1) 순서의 이온성 액체 Kp와 관련될 수 있다. 이는, 용액-확산 모델에 따르면, 부탄올에 대한 RTIL의 높은 친화도(Kp에 의해 나타남)가 높은 투과성(따라서, 유동)을 유발하기 때문이다(도 5a 내지 5d).[Ph3t] [DCN] SILM has a high separation coefficient (for both butanol feed concentrations) of about 90, butanol flow of about 165 g / m2h and higher feed concentrations (2.5 weights) at lower feed concentrations (1.5 wt%). %) Showed good performance at a butanol flow of about 320 g / m 2 h. In particular, at higher butanol feed concentrations, [Ph3t] [NTF] and [OMA] [NTF] provide nearly similar flows even though the separation coefficient of [Ph3t] [NTF] is higher than that of [OMA] [NTF]. . These results indicate that there is a higher efficiency for [Ph3t] [NTF] than [OMA] [NTF] as LME as it can provide a thicker product stream in butanol. This trend in SILM flow values can be related to the ionic liquid Kp in the sequence [Ph3t] [DCN] (7.5)> [OMA] [NTF] (1.4)> [Ph3t] [NTF] (1.1). This is because, according to the solution-diffusion model, the high affinity of RTIL to butanol (indicated by Kp) results in high permeability (and therefore flow) (FIGS. 5A-5D).

상기 결과와 문헌에 보고된 다른 막의 성능의 비교는 여태까지 보고된 막의 상한치가 연구된 2가지 이온성 액체 유형에 의해 쉽게 돌파될 수 있으므로 SILM계 투과증발이 실제로 매우 바람직함을 알 수 있다 (도 6).Comparison of the results with the performance of other membranes reported in the literature shows that SILM-based pervaporation is indeed very desirable as the upper limit of the membranes reported so far can easily be broken by the two ionic liquid types studied (Fig. 6).

부탄올 및 물 유동의 온도 의존도는 아레니우스 관계식을 따르는 것으로 밝혀졌다 (도 7). 부탄올 유동은 물 유동보다 온도에 의해 보다 많이 영향받는데, 이는 이온성 액체의 친유기 특성에 기인한 것으로 보인다. SILM 중에서, 부탄올 유동의 온도 감도는 수득된 겉보기 활성화 에너지 (2.5% 부탄올 공급에서 각각 약 10.5, 14.1 및 14.2 kcal/mol)로 표시되는 바와 같이 [Ph3t][DCN] > [OMA][NTF] > [Ph3t][NTF] 순서를 따른다. 이러한 결과는 [Ph3t][DCN]계 SILM이 부탄올 투과에 대해 보다 낮은 에너지를 요구하므로 부탄올 회수에서 매우 효율적임을 증명한다(도 7).
The temperature dependence of butanol and water flow was found to follow the Arrhenius equation (FIG. 7). Butanol flow is more affected by temperature than water flow, which appears to be due to the lipophilic properties of the ionic liquid. In SILM, the temperature sensitivity of the butanol flow is [Ph3t] [DCN]> [OMA] [NTF]> as indicated by the apparent activation energy obtained (about 10.5, 14.1 and 14.2 kcal / mol respectively at 2.5% butanol feed). Follow the sequence [Ph3t] [NTF]. These results demonstrate that [Ph3t] [DCN] -based SILMs require lower energy for butanol permeation and are very efficient in butanol recovery (FIG. 7).

2. 블렌드 LME계 SILM2. Blend LME SILM

이들 SILM의 경우, 최적 투과증발 성능에 근접한 온도(60 및 70℃) 만이 초기에 연구되었다. 예상되는 바와 같이, 블렌드 LME계 SILM의 성능은 부탄올 유동 측면에서 일반적으로 블렌드 중 각 구성성분(순수 LME로서) 성능의 중간이다. For these SILMs, only temperatures close to optimum pervaporation performance (60 and 70 ° C.) were initially studied. As expected, the performance of the blend LME based SILM is generally in the middle of the performance of each component (as pure LME) in the blend in terms of butanol flow.

RTIL-RTIL 또는 RTIL-OA 블렌드의 부탄올 분배 결과로부터, 블렌드 Kp는 항상 구성성분 Kp 및 체적 비의 일차함수/비일차함수 조합의 결과이고, 따라서 부탄올 투과에 대해 유사한 경향이 예측된다(도 8).From the butanol distribution results of the RTIL-RTIL or RTIL-OA blends, the blend Kp is always the result of the first / non-first-order combination of component Kp and volume ratio, and thus a similar trend is expected for butanol permeation (FIG. 8). .

분리 계수의 경우, 올레일 알코올을 함유하는 블렌드(20% [Ph3t][NTF]-80% OA 및 50% [Ph3t][NTF]-50% OA)는 상당한 향상을 나타내었다. 이는 이들의 유리한 소수성(물과의 매우 낮은 상호 용해도; 표 1 참고)의 상승 효과 및 OA의 부탄올 분배에 대한 보다 높은 커패시티 및 보다 낮은 점도에 기인한 것으로 보인다.For the separation coefficient, blends containing oleyl alcohol (20% [Ph3t] [NTF] -80% OA and 50% [Ph3t] [NTF] -50% OA) showed a significant improvement. This appears to be due to the synergistic effect of their favorable hydrophobicity (very low mutual solubility with water; see Table 1) and higher capacity and lower viscosity for butanol distribution of OA.

하기 표 4 내지 6에서 종래 액막의 부탄올 성능과 본 발명에 따른 지지체 액막의 부탄올 성능을 비교하였다.In Tables 4 to 6, butanol performance of the conventional liquid film and the butanol performance of the support liquid film according to the present invention were compared.

Figure pat00009
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Figure pat00010
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상기로부터 본 발명에 따른 RTIL 블렌드를 포함한 지지체 액막은 종래 액막에 비해 부탄올 유량이 많은 동시에, 동등하거나 높은 분리 계수를 갖고 LM 손실율은 최소화되어서, 부탄올 투과증발 회수에 유리하게 이용될 수 있다는 것을 알 수 있다.
From the above, it can be seen that the support liquid membrane including the RTIL blend according to the present invention has a higher butanol flow rate than the conventional liquid membrane, and has the same or higher separation coefficient and the LM loss rate is minimized, which can be advantageously used for recovery of butanol pervaporation. have.

블렌드Blend LMELME system SILMSILM 의 안정도Stability

실제 투과증발 시간은 단지 1.5 내지 2시간 범위이지만, LM 손실을 다른 선행 기술과 보다 잘 비교하기 위하여 8시간 작동으로 정규화하였다. 순수 RTIL계 SILM에 대한 초기 안정도 데이터는 불충분한 성능을 나타내었다: 60 내지 70℃에서 1.5% 부탄올 공급에 대해 6 내지 16중량% LME 손실 및 2.5% 부탄올 공급에 대해 11 내지 54중량% LME 손실이 보고되었다 (도 9a). 액막 손실에 대한 내성은 [Ph3t][NTF] > [OMA][NTF] > [Ph3t][DCN] 순서를 따르고, 공급 농도 및 조작 온도 둘다에 의해 크게 영향을 받는 것으로 밝혀졌다. 고온 및 수성 상 중 높은 알코올 농도가 RTIL-물 상호 용해도를 증가시키고, RTIL 표면 장력을 감소시켜서, 이는 다시 세공-함침된 RTIL 상으로부터 쉽게 분리되어 SILM 불안정성으로 이어질 수 있는 RTIL 에멀젼 방울의 형성을 증가시키게 된다.The actual pervaporation time ranged from just 1.5 to 2 hours, but was normalized to 8 hour operation to better compare LM losses with other prior art. Initial stability data for pure RTIL-based SILMs showed insufficient performance: 6-16 wt% LME loss for 1.5% butanol feed and 11-54 wt% LME loss for 2.5% butanol feed at 60-70 ° C. Reported (FIG. 9A). Resistance to liquid film loss was found to be greatly influenced by both feed concentration and operating temperature, following the order [Ph3t] [NTF]> [OMA] [NTF]> [Ph3t] [DCN]. High alcohol concentrations in the hot and aqueous phases increase the RTIL-water intersolubility and decrease the RTIL surface tension, which increases the formation of RTIL emulsion droplets that can easily separate from the pore-impregnated RTIL phases and lead to SILM instability Let's go.

블렌드의 단기 안정성은 블렌드에 사용된 가장 안정한 RTIL, 즉, [Ph3t][NTF]와 매우 유사한 것으로 나타났다. 이들은 8시간 실시 정규화에 대하여 10 내지 14% LM 손실 범위에 있다.
The short term stability of the blend was found to be very similar to the most stable RTIL used in the blend, [Ph3t] [NTF]. These are in the range of 10 to 14% LM loss for 8 hour run normalization.

결론conclusion

1. 조밀 중합체 막의 성능과 비교하여, 포스포늄 및 암모늄-계 RTIL에 의해 제조된 SILM을 이용하여 매우 높은 수치의 선택도 및 유동을 얻었다. 일반적인 경향은 투과증발 온도가 증가함에 따라 유동 및 선택도 성능이 증가하지만, 온도 한계는 분리 계수에 대하여 나타났다.1. Compared to the performance of dense polymer membranes, very high values of selectivity and flow were obtained using SILM made by phosphonium and ammonium-based RTILs. The general trend is that flow and selectivity performance increases with increasing evaporation temperature, but temperature limits are shown for the separation coefficient.

[Ph3t][DCN]계 SILM은 보다 낮은 온도(35 및 45℃)의 경우 약 65의 분리 계수에서 가장 높은 성능을 나타내었으며, 이는 1.5% 부탄올 공급에서 보다 높은 온도의 경우 약 90까지 일차함수 관계로 증가하였다. [Ph3t] [DCN] -based SILMs exhibited the highest performance at a separation factor of about 65 at lower temperatures (35 and 45 ° C), with a first-order relationship up to about 90 at higher temperatures at 1.5% butanol feed. Increased to.

2.5% 부탄올 공급에서 분리 계수는 또한 온도 증가에 따라 증가하였으나, 최적 수치(약 90)는 60℃에서 얻어졌고, 이어서 보다 높은 온도(70℃)에서는 약 70까지 감소하였다. 부탄올 유동 및 PSI 둘다는 온도 증가에 따라 지속적으로 증가하였다. 부탄올 유동의 경우, 약 165 및 320g/㎡h의 최대 수치가 1.5% 및 2.5% 부탄올 공급 농도 각각에서 얻어졌다. 4,000 내지 26,000 (1.5% 부탄올 공급) 및 5,000 내지 36,000 (2.5% 부탄올 공급)의 PSI 수치가 고려된 온도 범위(35 내지 70℃)에 대하여 얻어졌다.The separation coefficient in the 2.5% butanol feed also increased with increasing temperature, but the optimum value (about 90) was obtained at 60 ° C. and then decreased to about 70 at higher temperature (70 ° C.). Both butanol flow and PSI continued to increase with increasing temperature. For butanol flow, maximum values of about 165 and 320 g / m 2 h were obtained at 1.5% and 2.5% butanol feed concentrations, respectively. PSI values of 4,000 to 26,000 (1.5% butanol feed) and 5,000 to 36,000 (2.5% butanol feed) were obtained for the considered temperature range (35 to 70 ° C.).

[Ph3t][NTF]의 분리 계수는 특히 보다 진한 공급 용액에서 [OMA][NTF]의 분리 계수보다 높지만, [Ph3t][NTF] 및 [OMA][NTF]는 부탄올 유동에 대하여 거의 유사한 수치를 나타낸다. 이러한 경향은 [Ph3t][NTF]의 경우 보다 높은 PSI 수치로도 나타난다. 이 결과는 [Ph3t][NTF]가 부탄올에서 보다 진한 생성물 스트림을 제공할 수 있으므로 LME로서 [OMA][NTF]에 비해 [Ph3t][NTF]가 보다 높은 효율을 가짐을 나타낸다.The separation coefficient of [Ph3t] [NTF] is higher than that of [OMA] [NTF], especially in the thicker feed solution, while [Ph3t] [NTF] and [OMA] [NTF] show nearly similar values for butanol flow. Indicates. This trend is also seen with higher PSI values for [Ph3t] [NTF]. This result indicates that [Ph3t] [NTF] has a higher efficiency than [OMA] [NTF] as LME as [Ph3t] [NTF] can provide a thicker product stream in butanol.

투과 유동이 사용된 RTIL의 부탄올 분배 커패시티 (Kp)에 [Ph3t][DCN] (7.5) > [Ph3t][NTF] (1.1) ≒ [OMA][NTF](1.4) 순서로 직접 관련되어 있음을 나타낸다. Permeate flow is directly related to the butanol distribution capacity (Kp) of the used RTIL in the order [Ph3t] [DCN] (7.5)> [Ph3t] [NTF] (1.1) ≒ [OMA] [NTF] (1.4) Indicates.

2. 유기 산과 복합체를 형성하는 포스포늄 함유 RTIL에 의해 제조된 SILM의 경우, 공급 용액의 pH 제어는 SILM을 통한 유기 산의 이동을 최소화하는데 매우 효과적일 수 있다.2. For SILMs made by phosphonium containing RTILs that form complexes with organic acids, pH control of the feed solution can be very effective to minimize the migration of organic acids through the SILM.

3. 블렌딩된 LME계 SILM의 성능은 부탄올 유동 측면에서 일반적으로 블렌드의 각 구성성분(순수 LME로서) 성능의 중간이다. 올레일 알코올(20% [Ph3t][NTF] - 80% OA 및 50% [Ph3t][NTF] - 50% OA)을 함유하는 블렌드는 특히 70℃에서 분리 계수가 상당히 증가하였음을 나타내는데, 평균 25% (순수 [Ph3t][NTF] SILM에 근거) 증가하였다. 이는 이들의 유리한 소수성(물과의 매우 낮은 상호 용해도), OA의 부탄올 분배에 대한 보다 높은 커패시티 및 보다 낮은 점도의 상승작용 효과에 기인한 것으로 보인다.3. The performance of blended LME based SILMs is generally in the middle of the performance of each component of the blend (as pure LME) in terms of butanol flow. Blends containing oleyl alcohol (20% [Ph3t] [NTF]-80% OA and 50% [Ph3t] [NTF]-50% OA) showed a significant increase in the separation coefficient, especially at 70 ° C. % (Based on pure [Ph3t] [NTF] SILM). This appears to be due to their favorable hydrophobicity (very low mutual solubility with water), higher capacity for butanol distribution of OA and lower synergistic effects.

RTIL-RTIL 또는 RTIL-올레일 알코올 희석 블렌드의 이용은 SILM 안정도를 상당히 증가시켰으며, 투과증발 성능은 그다지 감소시키지 않는 것으로 증명되었다. 가장 불안정한 RTIL([Ph3t][DCN])의 경우, 이를 50 내지 80%로 [Ph3t][NTF]와 블렌딩시키면 LM 손실을 54%에서 11 내지 15%로 감소시키는 반면, 부탄올 유동을 약 41%(평균)만 감소시킨다. 블렌드의 생성된 부탄올 유동 (170 내지 200g/㎡h)는 중합체 및 혼합된-매트릭스 막에 의해 일반적으로 얻어지는 것에 유사하다.The use of RTIL-RTIL or RTIL-oleyl alcohol dilution blends significantly increased the SILM stability and proved to not significantly reduce pervaporation performance. For the most unstable RTIL ([Ph3t] [DCN]), blending it with [Ph3t] [NTF] from 50 to 80% reduces LM loss from 54% to 11 to 15%, while reducing butanol flow by about 41%. Only decrease (average). The resulting butanol flow (170-200 g / m 2 h) of the blend is similar to that generally obtained by polymers and mixed-matrix membranes.

Claims (4)

실온 이온성 액체(Room Temperature Ionic Liquid: RTIL) 블렌드를 포함하는 지지체 액막(Supported Liquid Membrane)에 있어서,
상기 RTIL 블렌드가 포스포늄/암모늄 이온성 혼합 액체 또는 포스포늄/올레일 알코올의 혼합 액체인 지지체 액막.
In a Supported Liquid Membrane comprising a Room Temperature Ionic Liquid (RTIL) blend,
And the RTIL blend is a phosphonium / ammonium ionic mixed liquid or a phosphonium / oleyl alcohol mixed liquid.
청구항 1에 있어서,
부탄올 투과증발 회수에 이용되는 지지체 액막.
The method according to claim 1,
A support liquid membrane used for butanol pervaporation recovery.
유기물-물 용액을 공급 용액으로 사용하고, 실온 이온성 액체 블렌드를 포함하는 지지체 액막을 투과셀에 장착하는 단계를 포함하는 유기물 투과증발 회수 방법에 있어서,
상기 RTIL 블렌드가 포스포늄/암모늄 이온성 혼합 액체 또는 포스포늄/올레일 알코올의 혼합 액체인 방법.
In the organic permeation evaporation recovery method comprising using an organic-water solution as a feed solution, and mounting a support liquid membrane comprising a room temperature ionic liquid blend to the permeation cell,
Said RTIL blend is a phosphonium / ammonium ionic mixed liquid or a phosphonium / oleyl alcohol mixed liquid.
청구항 3에 있어서,
상기 유기물이 부탄올인 방법.
The method according to claim 3,
The organic material is butanol.
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