KR20180007394A - Hollow fiber membrane having carbon molecular sieve supported by inorganic support and a method for gas separation using the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 무기물 지지체에 의해 보강된 탄소분자체 중공사막; 이의 제조방법; 및 상기 탄소분자체 중공사막을 분리막으로 이용하여 올레핀/파라핀의 혼합물 또는 질소/수소의 혼합물을 분리하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a carbon molecular sieve hollow fiber membrane reinforced by an inorganic support; A method for producing the same; And a method for separating a mixture of olefin / paraffin or a mixture of nitrogen and hydrogen using the carbon molecular sieve hollow fiber membrane as a separator.
석유화학공정에서 올레핀/파라핀의 분리정제는 일반적으로 증류 공정으로 이루어진다. 증류법은 두 기체 간의 끊는점 차이를 이용한 것으로, 끓는점이 유사한 프로필렌/프로판 분리의 경우 200개 이상의 증류 단수가 요구되므로 많은 에너지가 소모된다. 그에 반해, 분리막 기술은 열역학적 평형에 의존하지 않기 때문에 높은 에너지 효율로 프로필렌/프로판의 분리가 가능하여 기존의 액화증류법을 대체할 수 있는 기술로 기대된다.Separation and purification of olefins / paraffins in petrochemical processes generally consists of distillation processes. The distillation process utilizes the difference in boiling point between the two gases. Propylene / propane separations with similar boiling points require more than 200 distillation stages, thus consuming a lot of energy. On the contrary, since the membrane technology does not depend on the thermodynamic equilibrium, propylene / propane can be separated with high energy efficiency, which is expected to replace the conventional liquid distillation method.
분리막 기술은 물리적 경계층을 이용하여 둘 또는 다성분 혼합물로부터 선택적으로 특정성분(한 성분 또는 다 성분)을 분리하는 기술이다. 현재 분리막 기술은 고순도, 고기능성 물질의 제조와 산업용 오폐수 처리를 비롯한 지구 환경 보호에 대한 사회적 요구에 따라 간단한 실험실 규모에서부터 대규모의 산업분야에 이르기까지 광범위하게 응용되고 있다. 분리막 공정은 상변화를 필요로 하지 않는 물리·기계적인 분리 조작이므로 기존의 에너지 다소비형인 공정과 비교하여 약 70 ~ 80 % 또는 그 이상까지도 에너지를 절약할 수 있고, 분리 원리 및 공정이 비교적 간단하여 장치의 구성이나 설치가 간단하고 차지하는 공간 역시 작아서 시설비용을 줄일 수 있는 장점이 있다.Membrane technology is a technique for separating a specific component (one component or multiple components) from a mixture of two or more components using a physical boundary layer. Currently, membrane technology has been widely applied in a wide range of applications ranging from simple laboratory scale to large-scale industry, in accordance with the social demand for the protection of the global environment, including the production of high-purity, highly functional materials and industrial wastewater treatment. Since the separation membrane process is a physical and mechanical separation operation that does not require a phase change, energy can be saved up to about 70% to 80% or more as compared with a conventional energy-less non-specific process, and the separation principle and process are relatively simple Thereby simplifying the configuration and installation of the apparatus and reducing the space occupied by the apparatus, thereby reducing the facility cost.
분리막은 재질, 미세기공의 크기에 따라 다양하게 분리할 수 있으며, 합성막은 유기계막과 무기계막으로 분류될 수 있고, 유기계막은 대부분 고분자로 이루어져 있어 고분자막이라고도 하며, 무기계막은 세라믹, 유리, 금속 재질 등이 소재로 사용된 막이다. The membrane can be divided into various materials according to the size of the material and the micropores. The synthetic membrane can be classified into an organic membrane and an inorganic membrane. The organic membrane is mostly composed of a polymer and is called a polymer membrane. The inorganic membrane is made of ceramics, glass, It is a membrane used for this material.
상기 고분자막은 투과도와 선택도의 한계를 나타내는 upper-bound trade-off를 넘어서기 어려울 뿐만 아니라, 가소화 및 장기 안정성 등에 문제점을 갖는다. 최근에는 이러한 문제점을 해결하기 위해서, 열적, 화학적 안정성을 가지며 upper-bound를 극복할 수 있는 ZIF-8, hybrid silica 및 탄소분자체(Carbon molecular sieve, CMS) 분리막 등의 다공성 무기막이 개발되고 있다.The polymer membrane is difficult to exceed the upper-bound trade-off which shows the limit of the permeability and the selectivity, and has problems such as plasticization and long-term stability. In recent years, porous inorganic membranes such as ZIF-8, hybrid silica, and carbon molecular sieve (CMS) membranes have been developed to overcome the above-mentioned problems and have thermal and chemical stability and overcome upper bound.
CMS 분리막은 진공 또는 산소가 없는 환경에서 고분자 분리막의 탄화방법(pyrolysis or carbonization)에 의해 제조된다. slit-like 형태의 미세기공을 갖는 CMS 분리막 성능은 고분자 전구체, 열분해(pyrolysis) 조건 등에 의해 좌우된다. 분리막의 투과도는 특히 분리정제 공정에서 생산성을 결정하는 주요 인자로서, 선택층의 두께 조절을 통해 향상시킬 수 있다.CMS membranes are prepared by pyrolysis or carbonization of polymer membranes in a vacuum or oxygen free environment. The performance of CMS membranes with slit-like micropores depends on the polymer precursor, pyrolysis conditions, and the like. The permeability of the membranes is a major factor in determining the productivity, especially in the separation and purification process, which can be improved by controlling the thickness of the selective layer.
본 발명의 목적은 높은 충진밀도 및 모듈화에 의해 대면화가 용이하도록 중공사막 형태의 무기물 지지체에 탄소분자체 분리막이 형성된 비대칭 복합막을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide an asymmetric composite membrane in which a carbon molecular sieve separating membrane is formed on an inorganic support in the form of a hollow fiber membrane so as to facilitate the face-up by high packing density and modularization.
본 발명의 다른 목적은 중공사막 형태의 무기물 지지체에 유사한 분자 크기를 갖는 물질의 분리를 위해 얇고 균일한 탄소분자체 분리막이 형성된 비대칭 또는 복합막을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for producing an asymmetric or composite membrane in which a thin and uniform carbon molecular sieve separating membrane is formed for separation of a substance having a similar molecular size in an inorganic support of hollow fiber membrane type.
본 발명의 제1양태는 외경이 0.1 mm - 4 mm 이고, 내경이 0.05 mm - 3 mm 이며, 두께가 0.01 mm - 2 mm 인 복합 중공사막(hollow fiber composite membrane)으로서, 제1 입자 크기를 가진 제1 무기물 입자를 사용하여 제조된, 제1 기공 크기를 가지는 4 mm 이하 외경의 무기물 중공사 지지체; 상기 무기물 중공사 지지체 표면의 기공에, 제2 무기물 입자 또는 이의 전구체를 함유하는 졸(sol)을 충진시켜 제1 입자 크기보다 작은 제2 입자 크기를 가진 제2 무기물 입자가 상기 무기물 중공사 지지체 표면의 기공을 메운 제1층; 및 상기 제1층 상에 제1 유기 고분자 함유 용액을 코팅한 후 열분해(pyrolysis)하여 형성된 탄소분자체(Carbon molecular sieve) 함유 제2층을 구비한 것이 특징인 복합 중공사막을 제공한다.A first aspect of the present invention is a hollow fiber composite membrane having an outer diameter of 0.1 mm to 4 mm, an inner diameter of 0.05 mm to 3 mm and a thickness of 0.01 mm to 2 mm, An inorganic hollow support having an outer diameter of 4 mm or less and having a first pore size, prepared using the first inorganic particles; A sol containing a second inorganic particle or a precursor thereof is filled in the pores on the surface of the inorganic hollow fiber support to form a second inorganic particle having a second particle size smaller than the first particle size on the inorganic hollow fiber support surface A first layer filling the pores of the first layer; And a second layer containing a carbon molecular sieve formed by coating a first organic polymer-containing solution on the first layer and then pyrolysis.
본 발명의 제2양태는 제1양태의 복합 중공사막을 제조하는 방법으로서, 제1 무기물 입자를 사용하여 제조된, 제1 기공 크기를 가지는 4 mm 이하 외경의 무기물 중공사 지지체를, 제2 무기물 입자 또는 이의 전구체를 함유하는 졸(sol)로 코팅하는 제1단계; 선택적으로 상기 무기물 중공사 지지체 표면의 기공에 충진된 졸을 제2 무기물 입자가 연결되어 형성된 망상 조직의 겔(gel)로 겔화시키는 제2단계; 건조 또는 열처리에 의해 제1 입자 크기보다 작은 제2 입자 크기를 가진 제2 무기물 입자가 상기 무기물 중공사 지지체 표면의 기공을 메운 제1층을 형성시키는 제3단계; 상기 제1층 상에 제1 유기 고분자 함유 용액을 코팅하는 제4단계; 및 코팅된 제1 유기 고분자를 열분해(pyrolysis)하여 탄소분자체(Carbon molecular sieve) 함유 제2층을 형성시키는 제5단계를 포함하는, 복합 중공사막 제조 방법을 제공한다.The second aspect of the present invention is a method for producing the composite hollow fiber membrane of the first aspect, wherein the inorganic hollow fiber support having an outer diameter of 4 mm or less and having a first pore size, which is produced by using the first inorganic particles, A first step of coating with a sol containing a particle or a precursor thereof; A second step of gelling a sol filled in the pores of the surface of the inorganic hollow fiber support with a gel of a network formed by connecting the second inorganic particles; A third step in which a second inorganic particle having a second particle size smaller than the first particle size is formed by drying or heat treatment to form a first layer filled with pores on the surface of the inorganic hollow fiber support; A fourth step of coating the first organic polymer-containing solution on the first layer; And a fifth step of forming a second layer containing a carbon molecular sieve by pyrolysis of the coated first organic polymer.
본 발명의 제3양태는 제1양태의 복합 중공사막들을 구비한 분리막 모듈을 제공한다.A third aspect of the present invention provides a membrane module comprising the composite hollow fiber membranes of the first aspect.
본 발명의 제4양태는 제3양태의 분리막 모듈을 이용하여, 동일 탄소수의 올레핀과 파라핀을 분리하는 방법을 제공한다.A fourth aspect of the present invention provides a method for separating olefins and paraffins of the same carbon number using the membrane module of the third aspect.
본 발명의 제5양태는 제3양태의 분리막 모듈을 이용하여, 올레핀 및 파라핀 함유 기체를 분리하는 단계를 포함하는 분리된 올레핀 또는 분리된 파라핀의 제조방법을 제공한다.A fifth aspect of the present invention provides a method for producing a separated olefin or a separated paraffin comprising separating an olefin and a paraffin-containing gas using the separation membrane module of the third aspect.
본 발명의 제6양태는 제3양태의 분리막 모듈을 이용하여 질소와 수소를 분리하는 방법을 제공한다.A sixth aspect of the present invention provides a method for separating nitrogen and hydrogen using the membrane module of the third aspect.
이하, 본 발명을 자세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 명세서에서, 기공 크기 및 입자 크기는 바람직하게는 평균 기공 크기 및 평균 입자 크기이다.In the present specification, the pore size and the particle size are preferably an average pore size and an average particle size.
CMS 분리막은 4~6 Å 마이크로 이하의 기공(Ultramicro pore)과 6~20 Å 마이크로 기공(Micropore)의 두 가지 크기의 기공 채널을 가질 수 있다. 4~6 Å 마이크로 이하의 기공에서 분자체 성질이 구현되며 상대적으로 넓은 마이크로 기공 채널에서는 확산을 빠르게 해주기 때문에 높은 투과도와 선택도를 가질 수 있다. 특히, CMS 분리막은 유사한 크기의 매우 작은 분자들 분리에 상당히 우수한 특성을 가진다. 즉, CMS 분리막 미세 구조 및 다공성을 제어하는 것이 매우 중요하다. CMS membranes can have pore channels of two sizes: 4 ~ 6 Å micropores (Ultramicro pore) and 6 ~ 20 Å micropores. The molecular sieve property is realized in the pore of 4 ~ 6 Å micro or less, and it is possible to have high permeability and selectivity because it spreads rapidly in a relatively wide micro pore channel. In particular, CMS membranes have very good properties for separating very small molecules of similar size. That is, it is very important to control the microstructure and porosity of the CMS membrane.
본 발명은 CMS 분리막을 높은 충진밀도 및 모듈화에 의해 대면화가 용이하도록 중공사막 형태로 제조하기 위해, 4 mm 이하 외경의 중공사 형태의 무기물 지지체 상에 고분자 용액을 코팅한 후 고분자를 열분해시켜 탄소분자체 분리막이 형성된 비대칭 복합막을 제공하는 것이 특징이다.In order to prepare a CMS membrane as a hollow fiber membrane by a high filling density and modularization, a polymer solution is coated on an inorganic support of a hollow fiber type having an outer diameter of 4 mm or less and pyrolyzed the polymer to form a carbon powder Thereby providing an asymmetric composite membrane having a separation membrane.
이때, 중공사 형태의 무기물 지지체 상에 유사한 분자 크기를 갖는 물질의 분리를 위해 얇고 균일한 탄소분자체 분리막을 형성시키기 위해, 중공사 형태의 무기물 지지체 상에 탄소분자체 분리막 형성을 위한 고분자 용액 코팅 전에, 상기 무기물 중공사 지지체 표면의 기공에, 무기물 입자 또는 이의 전구체를 함유하는 졸(sol)을 충진시킨 후, 건조 및/또는 열처리에 의해 무기물 입자가 상기 무기물 중공사 지지체 표면의 기공을 메운 중간층을 형성시키는 것이 다른 특징이다.In this case, in order to form a thin and uniform carbon molecular sieve separating membrane for separating a material having a similar molecular size on a hollow inorganic support, before coating a polymer solution for forming a carbon molecular sieve separator on a hollow inorganic support, A sol containing inorganic particles or a precursor thereof is filled in the pores on the surface of the inorganic hollow fiber support, and then an inorganic layer is formed by drying and / or heat treatment to form an intermediate layer filling the pores of the inorganic hollow fiber support Another feature is letting.
따라서, 본 발명에 따른 복합 중공사막은 외경이 0.1 mm - 4 mm 이고, 내경이 0.05 mm - 3 m m 이며, 두께가 0.01 mm - 2 mm 이면서,Therefore, the composite hollow fiber membrane according to the present invention has an outer diameter of 0.1 mm to 4 mm, an inner diameter of 0.05 mm to 3 mm, a thickness of 0.01 mm to 2 mm,
제1 입자 크기를 가진 제1 무기물 입자를 사용하여 제조된, 제1 기공 크기를 가지는 4 mm이하 외경의 무기물 중공사 지지체;An inorganic hollow support having an outer diameter of 4 mm or less and having a first pore size, prepared using a first inorganic particle having a first particle size;
상기 무기물 중공사 지지체 표면의 기공에, 제2 무기물 입자 또는 이의 전구체를 함유하는 졸(sol)을 충진시켜 제1 입자 크기보다 작은 제2 입자 크기를 가진 제2 무기물 입자가 상기 무기물 중공사 지지체 표면의 기공을 메운 제1층; 및A sol containing a second inorganic particle or a precursor thereof is filled in the pores on the surface of the inorganic hollow fiber support to form a second inorganic particle having a second particle size smaller than the first particle size on the inorganic hollow fiber support surface A first layer filling the pores of the first layer; And
상기 제1층 상에 제1 유기 고분자 함유 용액을 코팅한 후 열분해(pyrolysis)하여 형성된 탄소분자체(Carbon molecular sieve) 함유 제2층을 구비한다.And a second layer containing a carbon molecular sieve formed by coating a first organic polymer-containing solution on the first layer and then pyrolysis.
외경이 0.4 mm를 초과하면 중공사막들을 번들로 하여 모듈화시 중공사의 충진 밀도가 낮아지는 문제점이 있을수 있으며 외경이 0.1 mm미만이면 물리적인 강도가 낮아서 약한 충격에도 손상이 가는 문제점이 있을 수 있다. If the outer diameter exceeds 0.4 mm, there may be a problem that the filling density of the hollow fiber is lowered when the hollow fiber membranes are bundled, and when the outer diameter is less than 0.1 mm, the physical strength is low,
또한, 본 발명에 따른 복합 중공사막의 제조방법의 일구체예는Further, one embodiment of the method for producing a composite hollow fiber membrane according to the present invention
제1 무기물 입자를 사용하여 제조된, 제1 기공 크기를 가지는 4 mm이하 외경의 무기물 중공사 지지체를, 제2 무기물 입자 또는 이의 전구체를 함유하는 졸(sol)로 코팅하는 제1단계;A first step of coating an inorganic hollow support having an outer diameter of 4 mm or less and having a first pore size using a first inorganic particle with a sol containing a second inorganic particle or a precursor thereof;
선택적으로 상기 무기물 중공사 지지체 표면의 기공에 충진된 졸을 제2 무기물 입자가 연결되어 형성된 조직의 겔(gel)로 겔화시키는 제2단계;A second step of gelling a sol filled in the pores of the surface of the inorganic hollow fiber support with a gel of a tissue formed by connecting the second inorganic particles;
건조 또는 열처리에 의해 제1 입자 크기보다 작은 제2 입자 크기를 가진 제2 무기물 입자가 상기 무기물 중공사 지지체 표면의 기공을 메운 제1층을 형성시키는 제3단계; A third step in which a second inorganic particle having a second particle size smaller than the first particle size is formed by drying or heat treatment to form a first layer filled with pores on the surface of the inorganic hollow fiber support;
상기 제1층 상에 제1 유기 고분자 함유 용액을 코팅하는 제4단계; 및A fourth step of coating the first organic polymer-containing solution on the first layer; And
코팅된 제1 유기 고분자를 열분해(pyrolysis)하여 탄소분자체(Carbon molecular sieve) 함유 제2층을 형성시키는 제5단계를 포함한다.And a fifth step of pyrolysis of the coated first organic polymer to form a second layer containing a carbon molecular sieve.
제1 무기물 입자 및/또는 제2 무기물 입자의 비제한적인 예로는 각각 독립적으로 (준)금속, (준)금속 산화물, 세라믹(예, 알루미나)일 수 있으며, 일 구체예로, 제1 입자 크기를 가진 제1 무기물 입자는 α-알루미나일 수 있으며, 제1 입자 크기보다 작은 제2 입자 크기를 가진 제2 무기물 입자는 γ-알루미나일 수 있다.Non-limiting examples of the first inorganic particle and / or the second inorganic particle may each independently be a (sub) metal, a (sub) metal oxide, a ceramic (e.g., alumina), and in one embodiment, May be? -Alumina, and the second inorganic particle having a second particle size smaller than the first particle size may be? -Alumina.
본 발명의 일 구체예에서는, 도 1(좌측도)에 도시된 바와 같이, 중공사 형태의 α-알루미나 지지체 위에 얇은 CMS 분리막을 제조하기 위해서 α-알루미나 지지체 위에 균일하고 결함이 없는 γ-알루미나 중간층을 코팅, 형성시킨다. 따라서, 고강도의 다공성 알루미나 중공사 지지체 상에 얇고 치밀한 탄소분자체 활성층이 형성된 복합 중공사막을 제공할 수 있다.In one embodiment of the present invention, as shown in Fig. 1 (left-hand diagram), in order to produce a thin CMS separator on an a-alumina support in the form of a hollow fiber, a uniform, defect- . Accordingly, it is possible to provide a composite hollow fiber membrane in which a thin and dense carbon molecular sieve active layer is formed on a high-strength porous alumina hollow fiber support.
무기물 중공사 지지체를 사용하면, CMS 분리막의 대면적화 및 모듈화가 용이하다. 또한, 상기 무기물 중공사 지지체의 기공을 메우는 제1층의 존재로 인해, 탄소분자체 함유 제2층의 두께는 0.1μm 내지 10μm로 조절가능하다.When inorganic hollow support is used, it is easy to make the CMS separation membrane large-sized and modularized. In addition, due to the presence of the first layer filling the pores of the inorganic hollow fiber support, the thickness of the second layer containing carbon molecular sieve can be adjusted to 0.1 to 10 mu m.
본 발명의 복합 중공사막을 분리막으로 사용하기 위해서는, 무기물 지지체의 제1 기공 크기 및 제2 무기물 입자들에 의해 형성된 제2 기공 크기는 상기 복합막을 통과시키고자 하는 물질을 투과시킬 수 있는 기공 크기인 것이 바람직하다.In order to use the composite hollow fiber membrane of the present invention as a separator, the first pore size of the inorganic support and the second pore size formed by the second inorganic particles may be a pore size capable of permeating the substance to be passed through the composite membrane .
세라믹 중공사 지지체는 압출법 또는 상전이법으로 제조될 수 있다. The ceramic hollow support can be produced by an extrusion method or a phase transfer method.
또한, 무기물 중공사 지지체는 제1 무기물 입자 및 제2 유기 고분자 함유 혼합물을 중공사 성형 및 소결하여 형성될 수 있다. 이때, 제2 유기 고분자는 소결 전 결합제 역할을 하며, 소결시 열분해되어 제거될 수 있다. 따라서, 무기물 중공사 지지체의 기공 크기(제1 기공 크기)는 제1 무기물 입자의 제1 입자 크기에 의해 결정될 수 있다. 고강도의 중공사 지지체를 형성하기 위해 제1 무기물 입자의 크기는 50nm이상, 바람직하게는 0.1㎛ ~ 10㎛일 수 있다.The inorganic hollow support may be formed by hollow fiber forming and sintering the mixture containing the first inorganic particles and the second organic polymer. At this time, the second organic polymer acts as a binder before sintering and can be removed by thermal decomposition during sintering. Thus, the pore size (first pore size) of the inorganic hollow support can be determined by the first particle size of the first inorganic particle. In order to form a high strength hollow support, the size of the first inorganic particles may be 50 nm or more, preferably 0.1 to 10 탆.
무기물 중공사 지지체는 스크류가 구비된 압출기를 사용한 혼련 및 압출 공정과 상전이 공정을 수행하는 한국특허출원 2015-0191653호에 기재된 방법에 의해 제조될 수 있으며, 상기 문헌은 본 명세서에 통합된다.The inorganic hollow support can be produced by the method described in Korean Patent Application No. 2015-0191653, which performs a kneading and extruding process using an extruder equipped with a screw and a phase transfer process, which is incorporated herein by reference.
무기물 중공사 지지체 성형을 위한 전구체 용액 또는 슬러리에서 제1 무기물의 전구체로 I A 족 금속, II A 족 금속, III A족 금속, IV A 족 금속 및 전이 금속의 산화물 등을 사용할 수 있으며, 예를들어, 산화알루미늄(Al2O3)을 단독으로 사용하거나 산화알루미늄과 황산알루미늄(Al2(SO4)3), 이산화규소(SiO2), 카올린나이트(Al2Si2O5(OH)4) 및 벤토나이트 등을 혼합하여 사용할 수 있다.Group IA metals, Group IIA metals, Group IIA metals, Group IVA metals, and oxides of transition metals may be used as the precursor of the first inorganic material in the precursor solution or slurry for forming the inorganic hollow support. For example, , aluminum (Al 2 O 3) alone use or with aluminum sulfate, aluminum oxide as oxide (Al 2 (SO 4) 3 ), silicon dioxide (SiO 2), kaolin nitro (Al 2 Si 2 O 5 ( OH) 4) And bentonite may be mixed and used.
무기물 중공사 지지체 성형을 위한 전구체 용액 또는 슬러리에서 사용되는 고분자 결합제(제2 고분자)의 비제한적인 예로는 폴리설폰(Polysulfone), 폴리이서설폰(Polyethersulfone), 폴리아크릴레이트(Polyacrylate), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리설파이드(Polysulfide), 폴리케톤(Polyketone), 폴리이서케톤(Polyetherketone), 폴리이서이서케톤(Polyethertherketone), 폴리이미드(Polyimide), 폴리아미드(Polyamide), 폴리아미드-이미드(Polyamide-imide), 폴리비닐리덴플루오라이드(Polyvinylidenefluoride), 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리프로필렌(Polypropylene), 폴리이서이미드(Polyetherimide), 폴리비닐클로라이드(Polyvinylchloride) 등이 있다. Non-limiting examples of the polymeric binder (second polymer) used in the precursor solution or slurry for forming the inorganic hollow support include Polysulfone, Polyethersulfone, Polyacrylate, Polyacrylate But are not limited to, polyacrylonitrile, polysulfide, polyketone, polyetherketone, polyethertherketone, polyimide, polyamide, polyamide-imide Polyamide-imide, polyvinylidene fluoride, polyethylene, polypropylene, polyetherimide, polyvinylchloride, and the like.
제2 고분자는 전구체 용액 또는 슬러리 총 중량에 대하여 2 중량% 내지 8 중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 2 중량% 미만으로 첨가될 경우 바인더로서의 역할이 어려운 문제점이 있고, 8 중량% 초과로 첨가되는 경우 용액의 점도가 너무 커져서 방사가 어렵다. The second polymer is preferably added in an amount of from 2 wt% to 8 wt% based on the total weight of the precursor solution or slurry. When it is added in an amount of less than 2% by weight, it is difficult to act as a binder, and when it is added in an amount of more than 8% by weight, viscosity of the solution becomes too large.
무기물 중공사 지지체 성형을 위한 전구체 용액 또는 슬러리는 추가적으로 산화이트륨(Y2O3), 산화마그네슘(MgO) 등의 소결보조제와 BYK-190과 같은 분산제를 첨가할 수 있다. 소결보조제는 중공사막의 소결속도를 증가시켜, 중공사막의 기계적 강도를 향상시키고, 분산제는 알루미늄 전구체가 극성 유기용매 내에서 균일하게 분포하도록 하는 역할을 한다.In addition to the precursor solution or slurry for forming the inorganic hollow support, a sintering aid such as yttrium oxide (Y 2 O 3 ) or magnesium oxide (MgO) and a dispersant such as BYK-190 may be added. The sintering aid enhances the mechanical strength of the hollow fiber membrane by increasing the sintering speed of the hollow fiber membrane, and the dispersing agent serves to uniformly distribute the aluminum precursor in the polar organic solvent.
무기물 중공사 지지체 성형을 위한 전구체 용액 또는 슬러리는 극성 유기 용매를 더 포함할 수 있으며, 상기 극성 유기 용매로는 N-메틸피롤리돈(NMP), 1-메틸-2-피롤리돈, 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드, 디메틸포름알데히드, 디메틸설폭사이드, 트리메틸포스페이트, 트리에틸포스페이트 등이 있다. The precursor solution or slurry for forming the inorganic hollow support may further contain a polar organic solvent, and examples of the polar organic solvent include N-methyl pyrrolidone (NMP), 1-methyl-2-pyrrolidone, Amide, dimethylacetamide, dimethylformaldehyde, dimethylsulfoxide, trimethylphosphate, triethylphosphate and the like.
고강도의 중공사 지지체를 형성하기 위해, 제1 무기물 입자를 마이크로미터 스케일의 크기로 사용하는 경우 CMS 분리막 형성용 고분자 용액 코팅 시 지지체의 큰 기공 속으로 스며들어 균일한 고분자 박막층을 형성하기 어렵다. 따라서, 고강도의 중공사 지지체의 큰 기공을 줄이기 위해, 50 nm 이하의 평균 기공 크기를 갖는 중간층 형성이 필요하다. 다만, 10nm 미만이 되면, 기체 투과도가 낮아지는 문제가 있을 수 있다.When the first inorganic particles are used in a micrometer scale to form a high strength hollow support, it is difficult to form a uniform polymer thin layer by permeating into the large pores of the support when the polymer solution for CMS separation membrane is coated. Therefore, in order to reduce the large pores of the high strength hollow support, it is necessary to form an intermediate layer having an average pore size of 50 nm or less. However, if it is less than 10 nm, the gas permeability may be lowered.
무기물 중공사 지지체 표면의 기공을 메우기 위한 상기 중간층 형성을 위해, 본 발명은 무기물 중공사 지지체 표면의 기공에 제2 무기물 입자 또는 이의 전구체를 함유하는 졸(sol)을 충진하는 것이 특징이다. In order to form the intermediate layer for filling the pores of the inorganic hollow support surface, the present invention is characterized by filling the pores of the inorganic hollow support surface with a sol containing a second inorganic particle or a precursor thereof.
무기물 중공사 지지체 표면의 기공에 충진된 졸을 건조하면 무기물 중공사 지지체 표면의 기공을 제2 무기물 입자들로 메울 수 있으며, 탄소분자체 형성용 유기 고분자 함유 용액 코팅 시 되도록 중공사막 지지체로 스며들지 않도록 제2 무기물 입자들에 의해 형성되는 제2 기공 크기를 조절할 수 있다.If the sol filled in the pores on the surface of the inorganic hollow fiber support is dried, the pores on the surface of the inorganic hollow fiber support can be filled with the second inorganic particles. In order to prevent impregnation with the hollow fiber membrane support so as to coat the organic polymer- The second pore size formed by the second inorganic particles can be controlled.
이때, 제2 무기물 입자의 입자 크기 즉 제2 입자 크기는 3 nm ~ 100 nm일 수 있다.At this time, the particle size of the second inorganic particle, that is, the second particle size, may be 3 nm to 100 nm.
졸 충진 후 열처리를 하면 결합력을 높일 수 있고 제2 무기물 입자들에 의해 형성되는 제2기공 크기를 조절할 수 있다.Heat treatment after filling the sol can increase the binding force and control the second pore size formed by the second inorganic particles.
1~100 nm 정도의 미립자가 액체 중에 응집하거나 침전되지 않고 분산되어 있는 상태를 콜로이드라 하는데, 이때 액체에 고체입자가 분산되어 있는 콜로이드를 sol이라 하고, sol의 입자가 연결되어 형성된 조직을 gel이라 한다. 분리막에서 sol-gel법은 sol이나 gel의 상태를 거친 후 가열하여 얇고 균일한 박막층을 만들 때 많이 사용된다. A colloid is a colloid in which fine particles of about 1 to 100 nm are dispersed in a liquid without aggregation or precipitation. In this case, a colloid in which solid particles are dispersed in a liquid is referred to as sol. do. In the membrane, the sol-gel method is often used to make thin and uniform thin films by heating after sol or gel.
알루미나 졸을 사용하면, α-알루미나 지지체 표면 기공에 균일하고 결함이 없는 γ-알루미나를 형성시킬 수 있다. γ-알루미나의 전구체로 비정형 알루미나, γ-알루미나 나노입자, 트리하이드록사이드(aluminum trihydroxide), 보에마이트(boehmite) 및 의보에마이트(pseudo-boehmite)을 사용할 수 있다.Alumina sol can be used to form uniform and defectless? -Alumina on the surface pores of the? -Alumina support. As precursors of γ-alumina, atypical alumina, γ-alumina nanoparticles, aluminum trihydroxide, boehmite and pseudo-boehmite can be used.
중간층(제1층) 형성용 졸은 수계 졸(water-based sol) 및/또는 알코올계 졸(alcohol-based sol)일 수 있다.The sol for forming the intermediate layer (first layer) may be a water-based sol and / or an alcohol-based sol.
졸 내 용매의 종류 및 휘발성과 같은 물성을 조절하면, 졸 내 제2 무기물 입자 또는 이의 전구체가 균일하여 분산될수록 얇고 균일한 코팅이 가능하다.By controlling the physical properties such as the type and volatility of the solvent in the sol, it is possible to form a thin and uniform coating as the second inorganic particles or precursor thereof in the sol are uniformly dispersed.
제2 무기물의 함량은 제1 무기물 입자를 사용하여 제조된 무기물 중공사 지지체 총 중량 기준으로 0.01 내지 5 중량%일 수 있다. 5 중량% 를 초과하는 경우 무기물 중간층(제1층)이 매우 두껍게 형성되어 소결 과정 중에 균열(crack)을 발생시키고 불안정한 중간층을 만들며, 코팅된 층이 떨어져 나가는 문제가 있다.The content of the second inorganic material may be 0.01 to 5 wt% based on the total weight of the inorganic hollow fiber support prepared using the first inorganic particles. If the amount is more than 5% by weight, the inorganic intermediate layer (first layer) is formed to be very thick, cracks are generated during the sintering process, an unstable intermediate layer is formed, and the coated layer is separated.
일구체예로, 제1 단계는 제1 무기물 입자를 사용하여 제조된 무기물 중공사 지지체를 제2 무기물 입자 또는 이의 전구체를 함유하는 졸(sol)로 침지코팅할 수 있다.In one embodiment, the first step is to dip-coat the inorganic hollow support prepared using the first inorganic particles with a sol containing the second inorganic particles or a precursor thereof.
침지코팅하는 시간은 1~600s 정도이며, 램핑 속도(ramping rate)는 0.1 내지 30 mm/s 일 수 있다. 침지 속도 및/또는 시간을 조절함으로써 코팅층 두께와 균일도를 최적화할 수 있다. The immersion coating time is about 1 to 600 seconds, and the ramping rate can be 0.1 to 30 mm / s. By adjusting the immersion speed and / or time, the coating layer thickness and uniformity can be optimized.
램핑 속도가 빠를 경우 무기물 중간층이 두꺼워지며 균일한 코팅층이 형성되기 어려우며, 속도가 느린 경우 무기물 중간층이 얇아지고, 코팅 용액이 중공사막 내부로 침투하는 문제가 생길 수 있다.If the ramping speed is high, the inorganic intermediate layer becomes thick and a uniform coating layer is difficult to form. If the speed is slow, the inorganic intermediate layer becomes thin, and the coating solution may penetrate into the hollow fiber membrane.
무기물 중공사 지지체 표면의 기공에 충진된 졸은 기공성(porosity)을 낮추기 위해 제2 무기물 입자가 연결되어 형성된 조직의 겔(gel)로 겔화시킬 수 있다. The sol filled in the pores of the inorganic hollow support surface may be gelled with a gel of the formed tissue formed by the second inorganic particles to lower the porosity.
무기물 중간층의 두께는 0.1μm 내지 10 μm일 수 있다. 중간층의 두께가 너무 두꺼우면 균열이 생기고 기체투과도가 크게 감소하는 단점이 있으며, 너무 얇으면 코팅이 제대로 형성되지 않고 결점이 생기는 문제점이 발생할 수 있다.The thickness of the inorganic intermediate layer may be 0.1 占 퐉 to 10 占 퐉. If the thickness of the intermediate layer is too thick, there is a disadvantage that cracks are generated and the gas permeability is greatly reduced. If the thickness is too thin, the coating may not be properly formed and defects may occur.
탄소분자체(Carbon molecular sieve) 함유 활성층을 형성하기 위해 사용되는 제1 유기 고분자 함유 용액에서 사용되는 제1 유기 고분자의 비제한적인 예로는 폴리이미드(폴리설폰(Polysulfone), 폴리이서설폰(Polyethersulfone), 폴리페놀(polyphenol), 폴리아크릴레이트(Polyacrylate), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리이서이서케톤(Polyethertherketone), 폴리아미드(Polyamide), 폴리비닐리덴플루오라이드(Polyvinylidenefluoride), 폴리이서이미드(Polyetherimide), 폴리비닐클로라이드(Polyvinylchloride), 폴리페닐 옥사이드(polyphenyloxide), 폴리페퓨픽 알코올(polyfurfuric alcohol), 등이 있다. 제1 유기 고분자의 농도는 0.001 내지 5 중량%일 수 있다.Non-limiting examples of the first organic polymer used in the first organic polymer-containing solution used for forming the carbon molecular sieve-containing active layer include polyimide (polysulfone, polyethersulfone, Polyphenol, polyacrylate, polyacrylonitrile, polyethertherketone, polyamide, polyvinylidene fluoride, polyetherimide, and the like. Polyvinylchloride, polyphenyloxide, polyfurfuric alcohol, etc. The concentration of the first organic polymer may be 0.001 to 5% by weight.
상기 제1 유기 고분자 함유 용액에 사용가능한 용매의 비제한적인 예로는 N-메틸-2-피롤리돈(N-Methyl-2-pyrrolidone, NMP) 또는 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran, THF)이 있다. THF를 용매로 사용하는 경우 용매 증발이 빠르게 일어나면서 코팅층이 균일하고 두껍게 형성될 수 있다.Non-limiting examples of the solvent usable in the first organic polymer-containing solution include N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) or tetrahydrofuran (THF). When THF is used as the solvent, the evaporation of the solvent can occur rapidly and the coating layer can be formed uniformly and thickly.
제1 단계에서 졸 코팅시 및 제4 단계에서 제1 유기 고분자 함유 용액 코팅시 온도와 습도 변화는 코팅층 생성에 큰 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 일정한 온도 및 습도를 유지하는 것이 중요하며, 항온 항습실에서 코팅이 진행될 수 있다.Changes in temperature and humidity at the time of sol coating in the first step and in coating the solution containing the first organic polymer in the fourth step may have a great influence on the formation of the coating layer. Therefore, it is important to maintain constant temperature and humidity, and the coating can proceed in a constant temperature and humidity chamber.
상기 습도는 40% 이하인 것이 바람직하다. 습도가 높으면 침지코팅 및 고분자 코팅 과정에서 상전이가 빠르게 진행되어 코팅층이 불균일하게 형성될 수 있으며, 온도 또한 제2 무기물 또는 이의 전구체 함유 졸 및 제1 유기 고분자 함유 용액의 점도 및 휘발 속도에 영향을 줄 수 있다. 일 실시형태에서, γ-알루미나 및 고분자 코팅은 딥코팅(dip coater)를 이용하여 진행될 수 있다. The humidity is preferably 40% or less. The higher the humidity, the faster the phase transition occurs in the immersion coating and the polymer coating process, the non-uniform coating layer can be formed, and the temperature also affects the viscosity and volatilization rate of the second inorganic substance or its precursor-containing sol and the first organic polymer- . In one embodiment, gamma-alumina and polymer coatings can be conducted using a dip coater.
제1 유기 고분자 함유 용액 중 용매 및 불순물을 제거하는 동시에 분리막의 안정화를 위해 열분해 과정을 수행할 수 있다. 제5 단계에서 열분해는 500 내지 800 ℃에서, 0.1 내지 10 시간 동안 수행될 수 있다.The solvent and the impurities may be removed from the first organic polymer-containing solution, and the pyrolysis process may be performed to stabilize the separation membrane. In the fifth step, pyrolysis can be carried out at 500 to 800 ° C for 0.1 to 10 hours.
한편, 제3 단계와 제4 단계 사이에 소결하는 과정을 더 포함할 수 있다.Meanwhile, it may further include a step of sintering between the third step and the fourth step.
상기 소결은 300 내지 800 ℃에서 수행될 수 있다. 300℃ 미만인 경우 중공사막의 물성이 떨어지는 문제점이 생길 수 있고, 800℃를 초과하는 경우에는 입자의 상전환이 일어나 균열이 생기거나 기공 구조가 변형되는 문제가 발생할 수 있다.The sintering may be performed at 300 to 800 ° C. If the temperature is lower than 300 ° C, the properties of the hollow fiber membrane may be deteriorated. If the temperature exceeds 800 ° C, the phase transition of the particles may occur, resulting in cracks or deformation of the pore structure.
일 실시형태에서 상기 열분해 및 소결은 비제한적인 예로 박스형 소결로 또는 관형소결로(tubular furnace)에서 수행될 수 있다.In one embodiment, the pyrolysis and sintering may be performed in a box sintered furnace or a tubular furnace as non-limiting examples.
열분해에 의해 제1 유기 고분자의 탄화가 진행되는 동안, 미량의 산소라도 소결로에 유입되게 되면 산화(oxidation)가 일어나고 이로 인하여 분리막 표면에 결점이 존재하는 불균일한 탄소층이 형성될 수 있다. 일 실시형태에서 소결로는 초고순도 He(99.9999%)을 지속적으로 흘려주면서 외부의 산소 유입을 차단시킬 수 있도록 제작될 수 있다. 고분자 열분해(pyrolysis)가 진행되는 동안 이송기체(carrier gas)로서 He이 약 250 cc/min 유속으로 공급되어지고, 충분히 He을 흘려준 후 열분해(pyrolysis) 과정을 진행할 수 있다. 또한, 소결로(tube-type furnace)의 특성상, 열손실에 의한 온도 구배가 발생되는 것을 막기 위하여 분리막 시료의 양 끝단을 세라믹 내화물로 고정시켜 줄 수 있다.During the carbonization of the first organic polymer by pyrolysis, if a small amount of oxygen is also introduced into the sintering furnace, oxidation may occur and a non-uniform carbon layer may be formed with defects on the surface of the separator. In one embodiment, the sintering furnace may be constructed to block external oxygen inflow while continuously flowing ultrahigh purity He (99.9999%). During the pyrolysis process, He is supplied as a carrier gas at a flow rate of about 250 cc / min, and pyrolysis process can be performed after sufficiently flowing He. Also, in order to prevent the temperature gradient due to heat loss from occurring due to the characteristics of the sintering furnace (tube-type furnace), both ends of the separation membrane sample can be fixed with a ceramic refractory.
본 발명에 따라 고강도의 무기물 중공사 지지체 상에 탄소분자체(Carbon molecular sieve)이 형성된 복합 중공사막은 여러 개가 번들을 형성하여 분리막 모듈을 제공할 수 있다(도 1, 우측도). 따라서, 상기 분리막 모듈을 이용하여, 동일 탄소수의 올레핀과 파라핀(예, 프로필렌/프로판), 질소와 수소, 질소와 프로필렌의 혼합물을 분리할 수 있다.According to the present invention, a composite hollow fiber membrane in which a carbon molecular sieve is formed on a high-strength inorganic hollow fiber support can form bundles to provide a separation membrane module (FIG. 1, right side view). Thus, the separation membrane module can be used to separate a mixture of olefins of the same carbon number with paraffins (e.g. propylene / propane), nitrogen and hydrogen, nitrogen and propylene.
또한, 본 발명에 따른 분리막 모듈은 액상 에너지 운반체, 화학물질의 생산, 산소발생, 이산화탄소의 저방출기술, 수소 관련 기술 및 탄소화합물 포획 등의 시스템에 적용될 수 있다.Also, the separation membrane module according to the present invention can be applied to a system such as a liquid energy carrier, production of chemical substances, oxygen generation, low emission of carbon dioxide, hydrogen-related technology, and carbon compound capture.
본 발명의 일 구체예에서는, 도 1(좌측도)에 도시된 바와 같이, 중공사 형태의 α-알루미나 지지체 위에 얇은 CMS 분리막을 제조하기 위해서 α-알루미나 지지체 위에 균일하고 결함이 없는 γ-알루미나 중간층을 코팅, 형성시킨다. 따라서, 고강도의 다공성 알루미나 중공사 지지체 상에 얇고 치밀한 탄소분자체 활성층이 형성된 복합 중공사막을 제공할 수 있다.In one embodiment of the present invention, as shown in Fig. 1 (left-hand diagram), in order to produce a thin CMS separator on an a-alumina support in the form of a hollow fiber, a uniform, defect- . Accordingly, it is possible to provide a composite hollow fiber membrane in which a thin and dense carbon molecular sieve active layer is formed on a high-strength porous alumina hollow fiber support.
무기물 중공사 지지체를 사용하면, CMS 분리막의 대면적화 및 모듈화가 용이하다. 또한, 상기 무기물 중공사 지지체의 기공을 메우는 제1층의 존재로 인해, 탄소분자체 함유 제2층의 두께는 0.1μm 내지 10μm로 조절가능하다.When inorganic hollow support is used, it is easy to make the CMS separation membrane large-sized and modularized. In addition, due to the presence of the first layer filling the pores of the inorganic hollow fiber support, the thickness of the second layer containing carbon molecular sieve can be adjusted to 0.1 to 10 mu m.
본 발명의 복합 중공사막을 분리막으로 사용하기 위해서는, 무기물 지지체의 제1 기공 크기 및 제2 무기물 입자들에 의해 형성된 제2 기공 크기는 상기 복합막을 통과시키고자 하는 물질을 투과시킬 수 있는 기공 크기인 것이 바람직하다.In order to use the composite hollow fiber membrane of the present invention as a separator, the first pore size of the inorganic support and the second pore size formed by the second inorganic particles may be a pore size capable of permeating the substance to be passed through the composite membrane .
세라믹 중공사 지지체는 압출법 또는 상전이법으로 제조될 수 있다. The ceramic hollow support can be produced by an extrusion method or a phase transfer method.
또한, 무기물 중공사 지지체는 제1 무기물 입자 및 제2 유기 고분자 함유 혼합물을 중공사 성형 및 소결하여 형성될 수 있다. 이때, 제2 유기 고분자는 소결 전 결합제 역할을 하며, 소결시 열분해되어 제거될 수 있다. 따라서, 무기물 중공사 지지체의 기공 크기(제1 기공 크기)는 제1 무기물 입자의 제1 입자 크기에 의해 결정될 수 있다. 고강도의 중공사 지지체를 형성하기 위해 제1 무기물 입자의 크기는 50nm이상, 바람직하게는 0.1㎛ ~ 10㎛일 수 있다.The inorganic hollow support may be formed by hollow fiber forming and sintering the mixture containing the first inorganic particles and the second organic polymer. At this time, the second organic polymer acts as a binder before sintering and can be removed by thermal decomposition during sintering. Thus, the pore size (first pore size) of the inorganic hollow support can be determined by the first particle size of the first inorganic particle. In order to form a high strength hollow support, the size of the first inorganic particles may be 50 nm or more, preferably 0.1 to 10 탆.
무기물 중공사 지지체는 스크류가 구비된 압출기를 사용한 혼련 및 압출 공정과 상전이 공정을 수행하는 한국특허출원 2015-0191653호에 기재된 방법에 의해 제조될 수 있으며, 상기 문헌은 본 명세서에 통합된다.The inorganic hollow support can be produced by the method described in Korean Patent Application No. 2015-0191653, which performs a kneading and extruding process using an extruder equipped with a screw and a phase transfer process, which is incorporated herein by reference.
무기물 중공사 지지체 성형을 위한 전구체 용액 또는 슬러리에서 제1 무기물의 전구체로 I A 족 금속, II A 족 금속, III A족 금속, IV A 족 금속 및 전이 금속의 산화물 등을 사용할 수 있으며, 예를들어, 산화알루미늄(Al2O3)을 단독으로 사용하거나 산화알루미늄과 황산알루미늄(Al2(SO4)3), 이산화규소(SiO2), 카올린나이트(Al2Si2O5(OH)4) 및 벤토나이트 등을 혼합하여 사용할 수 있다.Group IA metals, Group IIA metals, Group IIA metals, Group IVA metals, and oxides of transition metals may be used as the precursor of the first inorganic material in the precursor solution or slurry for forming the inorganic hollow support. For example, , aluminum (Al 2 O 3) alone use or with aluminum sulfate, aluminum oxide as oxide (Al 2 (SO 4) 3 ), silicon dioxide (SiO 2), kaolin nitro (Al 2 Si 2 O 5 ( OH) 4) And bentonite may be mixed and used.
무기물 중공사 지지체 성형을 위한 전구체 용액 또는 슬러리에서 사용되는 고분자 결합제(제2 고분자)의 비제한적인 예로는 폴리설폰(Polysulfone), 폴리이서설폰(Polyethersulfone), 폴리아크릴레이트(Polyacrylate), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리설파이드(Polysulfide), 폴리케톤(Polyketone), 폴리이서케톤(Polyetherketone), 폴리이서이서케톤(Polyethertherketone), 폴리이미드(Polyimide), 폴리아미드(Polyamide), 폴리아미드-이미드(Polyamide-imide), 폴리비닐리덴플루오라이드(Polyvinylidenefluoride), 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리프로필렌(Polypropylene), 폴리이서이미드(Polyetherimide), 폴리비닐클로라이드(Polyvinylchloride) 등이 있다. Non-limiting examples of the polymeric binder (second polymer) used in the precursor solution or slurry for forming the inorganic hollow support include Polysulfone, Polyethersulfone, Polyacrylate, Polyacrylate But are not limited to, polyacrylonitrile, polysulfide, polyketone, polyetherketone, polyethertherketone, polyimide, polyamide, polyamide-imide Polyamide-imide, polyvinylidene fluoride, polyethylene, polypropylene, polyetherimide, polyvinylchloride, and the like.
제2 고분자는 전구체 용액 또는 슬러리 총 중량에 대하여 2 중량% 내지 8 중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 2 중량% 미만으로 첨가될 경우 바인더로서의 역할이 어려운 문제점이 있고, 8 중량% 초과로 첨가되는 경우 용액의 점도가 너무 커져서 방사가 어렵다. The second polymer is preferably added in an amount of from 2 wt% to 8 wt% based on the total weight of the precursor solution or slurry. When it is added in an amount of less than 2% by weight, it is difficult to act as a binder, and when it is added in an amount of more than 8% by weight, viscosity of the solution becomes too large.
무기물 중공사 지지체 성형을 위한 전구체 용액 또는 슬러리는 추가적으로 산화이트륨(Y2O3), 산화마그네슘(MgO) 등의 소결보조제와 BYK-190과 같은 분산제를 첨가할 수 있다. 소결보조제는 중공사막의 소결속도를 증가시켜, 중공사막의 기계적 강도를 향상시키고, 분산제는 알루미늄 전구체가 극성 유기용매 내에서 균일하게 분포하도록 하는 역할을 한다.In addition to the precursor solution or slurry for forming the inorganic hollow support, a sintering aid such as yttrium oxide (Y 2 O 3 ) or magnesium oxide (MgO) and a dispersant such as BYK-190 may be added. The sintering aid enhances the mechanical strength of the hollow fiber membrane by increasing the sintering speed of the hollow fiber membrane, and the dispersing agent serves to uniformly distribute the aluminum precursor in the polar organic solvent.
무기물 중공사 지지체 성형을 위한 전구체 용액 또는 슬러리는 극성 유기 용매를 더 포함할 수 있으며, 상기 극성 유기 용매로는 N-메틸피롤리돈(NMP), 1-메틸-2-피롤리돈, 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드, 디메틸포름알데히드, 디메틸설폭사이드, 트리메틸포스페이트, 트리에틸포스페이트 등이 있다. The precursor solution or slurry for forming the inorganic hollow support may further contain a polar organic solvent, and examples of the polar organic solvent include N-methyl pyrrolidone (NMP), 1-methyl-2-pyrrolidone, Amide, dimethylacetamide, dimethylformaldehyde, dimethylsulfoxide, trimethylphosphate, triethylphosphate and the like.
고강도의 중공사 지지체를 형성하기 위해, 제1 무기물 입자를 마이크로미터 스케일의 크기로 사용하는 경우 CMS 분리막 형성용 고분자 용액 코팅 시 지지체의 큰 기공 속으로 스며들어 균일한 고분자 박막층을 형성하기 어렵다. 따라서, 고강도의 중공사 지지체의 큰 기공을 줄이기 위해, 50 nm 이하의 평균 기공 크기를 갖는 중간층 형성이 필요하다. 다만, 10nm 미만이 되면, 기체 투과도가 낮아지는 문제가 있을 수 있다.When the first inorganic particles are used in a micrometer scale to form a high strength hollow support, it is difficult to form a uniform polymer thin layer by permeating into the large pores of the support when the polymer solution for CMS separation membrane is coated. Therefore, in order to reduce the large pores of the high strength hollow support, it is necessary to form an intermediate layer having an average pore size of 50 nm or less. However, if it is less than 10 nm, the gas permeability may be lowered.
무기물 중공사 지지체 표면의 기공을 메우기 위한 상기 중간층 형성을 위해, 본 발명은 무기물 중공사 지지체 표면의 기공에 제2 무기물 입자 또는 이의 전구체를 함유하는 졸(sol)을 충진하는 것이 특징이다. In order to form the intermediate layer for filling the pores of the inorganic hollow support surface, the present invention is characterized by filling the pores of the inorganic hollow support surface with a sol containing a second inorganic particle or a precursor thereof.
무기물 중공사 지지체 표면의 기공에 충진된 졸을 건조하면 무기물 중공사 지지체 표면의 기공을 제2 무기물 입자들로 메울 수 있으며, 탄소분자체 형성용 유기 고분자 함유 용액 코팅 시 되도록 중공사막 지지체로 스며들지 않도록 제2 무기물 입자들에 의해 형성되는 제2 기공 크기를 조절할 수 있다. 이때, 제2 무기물 입자의 입자 크기 즉 제2 입자 크기는 3nm ~ 100nm일 수 있다.If the sol filled in the pores on the surface of the inorganic hollow fiber support is dried, the pores on the surface of the inorganic hollow fiber support can be filled with the second inorganic particles. In order to prevent impregnation with the hollow fiber membrane support so as to coat the organic polymer- The second pore size formed by the second inorganic particles can be controlled. At this time, the particle size of the second inorganic particle, that is, the second particle size, may be 3 nm to 100 nm.
졸 충진 후 열처리를 하면 결합력을 높일 수 있고 제2 무기물 입자들에 의해 형성되는 제2기공 크기를 조절할 수 있다.Heat treatment after filling the sol can increase the binding force and control the second pore size formed by the second inorganic particles.
1~100 nm 정도의 미립자가 액체 중에 응집하거나 침전되지 않고 분산되어 있는 상태를 콜로이드라 하는데, 이때 액체에 고체입자가 분산되어 있는 콜로이드를 sol이라 하고, sol의 입자가 연결되어 형성된 조직을 gel이라 한다. 분리막에서 sol-gel법은 sol이나 gel의 상태를 거친 후 가열하여 얇고 균일한 박막층을 만들 때 많이 사용된다. A colloid is a colloid in which fine particles of about 1 to 100 nm are dispersed in a liquid without aggregation or precipitation. In this case, a colloid in which solid particles are dispersed in a liquid is referred to as sol. do. In the membrane, the sol-gel method is often used to make thin and uniform thin films by heating after sol or gel.
알루미나 졸을 사용하면, α-알루미나 지지체 표면 기공에 균일하고 결함이 없는 γ-알루미나를 형성시킬 수 있다. γ-알루미나의 전구체로 비정형 알루미나, γ-알루미나 나노입자, 트리하이드록사이드(aluminum trihydroxide), 보에마이트(boehmite) 및 의보에마이트(pseudo-boehmite)을 사용할 수 있다.Alumina sol can be used to form uniform and defectless? -Alumina on the surface pores of the? -Alumina support. As precursors of γ-alumina, atypical alumina, γ-alumina nanoparticles, aluminum trihydroxide, boehmite and pseudo-boehmite can be used.
중간층(제1층) 형성용 졸은 수계 졸(water-based sol) 및/또는 알코올계 졸(alcohol-based sol)일 수 있다.The sol for forming the intermediate layer (first layer) may be a water-based sol and / or an alcohol-based sol.
졸 내 용매의 종류 및 휘발성과 같은 물성을 조절하면, 졸 내 제2 무기물 입자 또는 이의 전구체가 균일하여 분산될수록 얇고 균일한 코팅이 가능하다.By controlling the physical properties such as the type and volatility of the solvent in the sol, it is possible to form a thin and uniform coating as the second inorganic particles or precursor thereof in the sol are uniformly dispersed.
제2 무기물의 함량은 제1 무기물 입자를 사용하여 제조된 무기물 중공사 지지체 총 중량 기준으로 0.01 내지 5 중량%일 수 있다. 5 중량%를 초과하는 경우 무기물 중간층(제1층)이 매우 두껍게 형성되어 소결 과정 중에 균열(crack)을 발생시키고 불안정한 중간층을 만들며, 코팅된 층이 떨어져 나가는 문제가 있다.The content of the second inorganic material may be 0.01 to 5 wt% based on the total weight of the inorganic hollow fiber support prepared using the first inorganic particles. If the amount is more than 5% by weight, the inorganic intermediate layer (first layer) is formed to be very thick, cracks are generated during the sintering process, an unstable intermediate layer is formed, and the coated layer is separated.
일구체예로, 제1 단계는 제1 무기물 입자를 사용하여 제조된 무기물 중공사 지지체를 제2 무기물 입자 또는 이의 전구체를 함유하는 졸(sol)로 침지코팅할 수 있다.In one embodiment, the first step is to dip-coat the inorganic hollow support prepared using the first inorganic particles with a sol containing the second inorganic particles or a precursor thereof.
침지코팅하는 시간은 1~600s 정도이며, 램핑 속도(ramping rate)는 0.1 내지 30 mm/s 일 수 있다. 침지 속도 및/또는 시간을 조절함으로써 코팅층 두께와 균일도를 최적화할 수 있다. The immersion coating time is about 1 to 600 seconds, and the ramping rate can be 0.1 to 30 mm / s. By adjusting the immersion speed and / or time, the coating layer thickness and uniformity can be optimized.
램핑 속도가 빠를 경우 무기물 중간층이 두꺼워지며 균일한 코팅층이 형성되기 어려우며, 속도가 느린 경우 무기물 중간층이 얇아지고, 코팅 용액이 중공사막 내부로 침투하는 문제가 생길 수 있다.If the ramping speed is high, the inorganic intermediate layer becomes thick and a uniform coating layer is difficult to form. If the speed is slow, the inorganic intermediate layer becomes thin, and the coating solution may penetrate into the hollow fiber membrane.
무기물 중공사 지지체 표면의 기공에 충진된 졸은 기공성(porosity)을 낮추기 위해 제2 무기물 입자가 연결되어 형성된 조직의 겔(gel)로 겔화시킬 수 있다. The sol filled in the pores of the inorganic hollow support surface may be gelled with a gel of the formed tissue formed by the second inorganic particles to lower the porosity.
무기물 중간층의 두께는 0.1μm 내지 10 μm일 수 있다. 중간층의 두께가 너무 두꺼우면 균열이 생기고 기체투과도가 크게 감소하는 단점이 있으며, 너무 얇으면 코팅이 제대로 형성되지 않고 결점이 생기는 문제점이 발생할 수 있다.The thickness of the inorganic intermediate layer may be 0.1 占 퐉 to 10 占 퐉. If the thickness of the intermediate layer is too thick, there is a disadvantage that cracks are generated and the gas permeability is greatly reduced. If the thickness is too thin, the coating may not be properly formed and defects may occur.
탄소분자체(Carbon molecular sieve) 함유 활성층을 형성하기 위해 사용되는 제1 유기 고분자 함유 용액에서 사용되는 제1 유기 고분자의 비제한적인 예로는 폴리이미드(폴리설폰(Polysulfone), 폴리이서설폰(Polyethersulfone), 폴리페놀(polyphenol), 폴리아크릴레이트(Polyacrylate), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리이서이서케톤(Polyethertherketone), 폴리아미드(Polyamide), 폴리비닐리덴플루오라이드(Polyvinylidenefluoride), 폴리이서이미드(Polyetherimide), 폴리비닐클로라이드(Polyvinylchloride), 폴리페닐 옥사이드(polyphenyloxide), 폴리페퓨픽 알코올(polyfurfuric alcohol), 등이 있다. 제1 유기 고분자의 농도는 0.001 내지 5 중량%일 수 있다.Non-limiting examples of the first organic polymer used in the first organic polymer-containing solution used for forming the carbon molecular sieve-containing active layer include polyimide (polysulfone, polyethersulfone, Polyphenol, polyacrylate, polyacrylonitrile, polyethertherketone, polyamide, polyvinylidene fluoride, polyetherimide, and the like. Polyvinylchloride, polyphenyloxide, polyfurfuric alcohol, etc. The concentration of the first organic polymer may be 0.001 to 5% by weight.
상기 제1 유기 고분자 함유 용액에 사용가능한 용매의 비제한적인 예로는 N-메틸-2-피롤리돈(N-Methyl-2-pyrrolidone, NMP) 또는 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran, THF)이 있다. THF를 용매로 사용하는 경우 용매 증발이 빠르게 일어나면서 코팅층이 균일하고 두껍게 형성될 수 있다.Non-limiting examples of the solvent usable in the first organic polymer-containing solution include N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) or tetrahydrofuran (THF). When THF is used as the solvent, the evaporation of the solvent can occur rapidly and the coating layer can be formed uniformly and thickly.
제1 단계에서 졸 코팅시 및 제4 단계에서 제1 유기 고분자 함유 용액 코팅시 온도와 습도 변화는 코팅층 생성에 큰 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 일정한 온도 및 습도를 유지하는 것이 중요하며, 항온 항습실에서 코팅이 진행될 수 있다.Changes in temperature and humidity at the time of sol coating in the first step and in coating the solution containing the first organic polymer in the fourth step may have a great influence on the formation of the coating layer. Therefore, it is important to maintain constant temperature and humidity, and the coating can proceed in a constant temperature and humidity chamber.
상기 습도는 40% 이하인 것이 바람직하다. 습도가 높으면 침지코팅 및 고분자 코팅 과정에서 상전이가 빠르게 진행되어 코팅층이 불균일하게 형성될 수 있으며, 온도 또한 제2 무기물 또는 이의 전구체 함유 졸 및 제1 유기 고분자 함유 용액의 점도 및 휘발 속도에 영향을 줄 수 있다. 일 실시형태에서, γ-알루미나 및 고분자 코팅은 딥코팅(dip coater)를 이용하여 진행될 수 있다. The humidity is preferably 40% or less. The higher the humidity, the faster the phase transition occurs in the immersion coating and the polymer coating process, the non-uniform coating layer can be formed, and the temperature also affects the viscosity and volatilization rate of the second inorganic substance or its precursor-containing sol and the first organic polymer- . In one embodiment, gamma-alumina and polymer coatings can be conducted using a dip coater.
제1 유기 고분자 함유 용액 중 용매 및 불순물을 제거하는 동시에 분리막의 안정화를 위해 열분해 과정을 수행할 수 있다. 제5 단계에서 열분해는 500 내지 800 ℃에서, 0.1 내지 10 시간 동안 수행될 수 있다.The solvent and the impurities may be removed from the first organic polymer-containing solution, and the pyrolysis process may be performed to stabilize the separation membrane. In the fifth step, pyrolysis can be carried out at 500 to 800 ° C for 0.1 to 10 hours.
한편, 제3 단계와 제4 단계 사이에 소결하는 과정을 더 포함할 수 있다.Meanwhile, it may further include a step of sintering between the third step and the fourth step.
상기 소결은 300 내지 800 ℃에서 수행될 수 있다. 300℃ 미만인 경우 중공사막의 물성이 떨어지는 문제점이 생길 수 있고, 800℃를 초과하는 경우에는 입자의 상전환이 일어나 균열이 생기거나 기공 구조가 변형되는 문제가 발생할 수 있다.The sintering may be performed at 300 to 800 ° C. If the temperature is lower than 300 ° C, the properties of the hollow fiber membrane may be deteriorated. If the temperature exceeds 800 ° C, the phase transition of the particles may occur, resulting in cracks or deformation of the pore structure.
일 실시형태에서 상기 열분해 및 소결은 비제한적인 예로 박스형 소결로 또는 관형소결로(tubular furnace)에서 수행될 수 있다.In one embodiment, the pyrolysis and sintering may be performed in a box sintered furnace or a tubular furnace as non-limiting examples.
열분해에 의해 제1 유기 고분자의 탄화가 진행되는 동안, 미량의 산소라도 소결로에 유입되게 되면 산화(oxidation)가 일어나고 이로 인하여 분리막 표면에 결점이 존재하는 불균일한 탄소층이 형성될 수 있다. 일 실시형태에서 소결로는 초고순도 He(99.9999%)을 지속적으로 흘려주면서 외부의 산소 유입을 차단시킬 수 있도록 제작될 수 있다. 고분자 열분해(pyrolysis)가 진행되는 동안 이송기체(carrier gas)로서 He이 약 250 cc/min 유속으로 공급되어지고, 충분히 He을 흘려준 후 열분해(pyrolysis) 과정을 진행할 수 있다. 또한, 소결로(tube-type furnace)의 특성상, 열손실에 의한 온도 구배가 발생되는 것을 막기 위하여 분리막 시료의 양 끝단을 세라믹 내화물로 고정시켜 줄 수 있다.During the carbonization of the first organic polymer by pyrolysis, if a small amount of oxygen is also introduced into the sintering furnace, oxidation may occur and a non-uniform carbon layer may be formed with defects on the surface of the separator. In one embodiment, the sintering furnace may be constructed to block external oxygen inflow while continuously flowing ultrahigh purity He (99.9999%). During the pyrolysis process, He is supplied as a carrier gas at a flow rate of about 250 cc / min, and pyrolysis process can be performed after sufficiently flowing He. Also, in order to prevent the temperature gradient due to heat loss from occurring due to the characteristics of the sintering furnace (tube-type furnace), both ends of the separation membrane sample can be fixed with a ceramic refractory.
본 발명에 따라 고강도의 무기물 중공사 지지체 상에 탄소분자체(Carbon molecular sieve)이 형성된 복합 중공사막은 여러 개가 번들을 형성하여 분리막 모듈을 제공할 수 있다(도 1, 우측도). 따라서, 상기 분리막 모듈을 이용하여, 동일 탄소수의 올레핀과 파라핀(예, 프로필렌/프로판), 질소와 수소, 질소와 프로필렌의 혼합물을 분리할 수 있다.According to the present invention, a composite hollow fiber membrane in which a carbon molecular sieve is formed on a high-strength inorganic hollow fiber support can form bundles to provide a separation membrane module (FIG. 1, right side view). Thus, the separation membrane module can be used to separate a mixture of olefins of the same carbon number with paraffins (e.g. propylene / propane), nitrogen and hydrogen, nitrogen and propylene.
또한, 본 발명에 따른 분리막 모듈은 액상 에너지 운반체, 화학물질의 생산, 산소발생, 이산화탄소의 저방출기술, 수소 관련 기술 및 탄소화합물 포획 등의 시스템에 적용될 수 있다.Also, the separation membrane module according to the present invention can be applied to a system such as a liquid energy carrier, production of chemical substances, oxygen generation, low emission of carbon dioxide, hydrogen-related technology, and carbon compound capture.
본 발명에 따른 비대칭 또는 복합막 형태의 CMS 분리막은 다른 무기막에 비하여 제조가 용이하고 생산성이 우수하여, 제조 효율성이 우수하다. 또한, 중공사 형태의 분리막은 높은 충진밀도를 제공하여, 복합막 형태로 제조할 경우 모듈화를 통한 대면화가 용이하다. The asymmetric or composite membrane type CMS separation membrane according to the present invention is easier to manufacture than other inorganic membranes, has excellent productivity, and is excellent in production efficiency. In addition, the hollow-fiber type separator provides a high packing density, and when manufactured in the form of a composite membrane, it is easy to make a face-to-face through modularization.
또한, 본 발명에 따른 복합 중공사막은 우수한 내열성, 내구성, 내화학성 및 기계적 강도를 나타냄과 동시에, 우수한 투과도 및 선택성을 가지며, 고강도의 다공성 지지체와 얇고 치밀한 활성층인 탄소분자체 층의 복합막 형태를 가진다. 또한, 본 발명의 복합 중공사막은 유사한 크기를 갖는 매우 작은 분자들을 매우 큰 효율로 분리할 수 있다. The composite hollow fiber membrane according to the present invention exhibits excellent heat resistance, durability, chemical resistance, and mechanical strength, and has excellent permeability and selectivity, and has a composite membrane form of a porous support having a high strength and a carbon powder layer serving as a thin and dense active layer . In addition, the composite hollow fiber membrane of the present invention can separate very small molecules having similar sizes at a very high efficiency.
도 1은 본 발명의 일구체예에 따라 제조된 CMS 중공사막의 모형도 및 중공사막들을 구비한 분리막 모듈을 나타낸 것이다.
도 2는 제조예 2에 따라서 (a) 및 (d) 순수 sol로 코팅, (b) 및 (e) 2:1 중량비로 혼합된 sol과 물로 코팅, (c) 및 (f) 3:1 중량비로 혼합된 sol과 물로 코팅된 γ-알루미나 중간층의 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 3은 제조예 2에 따라 순수 sol을 사용하여 제조된 γ-알루미나 중공사막의 기체 투과도 및 선택도를 나타낸 것이다.
도 4은 제조예 2에 따라 순수 sol로부터 ramping rate 및 침지 시간을 최적화하여 만들어진 γ-알루미나 코팅층을 보여주는 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 5는 실시예 1에 따라 제조된 CMS 중공사막의 표면 및 단면의 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 6은 실시예 1에 따라 제조된 γ-알루미나 중간층의 (a) 평균 투과도 및 (b) 평균 기공 크기 분포, CMS 중공사막의 (c) 평균 투과도 및 (d) 평균 기공 크기 분포를 나타낸 것이다.
도 7은 실시예 1에 따라 제조된 CMS 중공사막의 투과 성능(2bar에서 측정)을 나타낸 것이다.
도 8은 실시예 2에 따라 제조된 CMS 중공사막의 단면의 SEM 이미지를 나타낸 것이다.FIG. 1 is a schematic view of a CMS hollow fiber membrane manufactured according to one embodiment of the present invention and a membrane module having hollow fiber membranes.
Figure 2 shows the results of coating with (a) and (d) pure sol coating, (b) and (e) 2: And a water-coated gamma-alumina intermediate layer.
3 shows the gas permeability and selectivity of the? -Alumina hollow fiber membrane prepared using pure sol according to Production Example 2.
FIG. 4 is a SEM image showing a γ-alumina coating layer prepared by optimizing the ramping rate and immersion time from pure sol according to Production Example 2.
5 shows SEM images of the surface and cross-section of the CMS hollow fiber membrane produced according to Example 1. Fig.
6 shows average transmittance (a), mean pore size distribution (c), average transmittance (c), and average pore size distribution of the C-HF hollow fiber membrane prepared in Example 1.
7 shows the permeation performance (measured at 2 bar) of the CMS hollow fiber membrane prepared according to Example 1. FIG.
8 is a SEM image of a cross-section of the CMS hollow fiber membrane produced according to Example 2. Fig.
이하, 하기 실시예에 의하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 본 발명의 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the following examples are intended to illustrate the present invention, but the scope of the present invention is not limited thereto.
제조예Manufacturing example 1: α-알루미나 지지체 1:? -Alumina support
압출-상전이 방법을 사용하여 외경이 2 - 3 mm 인 고강도의 α-알루미나 중공사 지지체를 제조하였다.A high strength α - alumina hollow support having an outer diameter of 2 - 3 mm was prepared by extrusion - phase transfer method.
입자 크기가 300 ~ 400 nm 인 α-알루미나 분말을 폴리설폰 고분자와 혼합하여 압출법을 통해 중공사 형태로 제조한 다음 1450℃에서 소결하여 다공성 α-알루미나 지지체를 얻었다. 상용화 Hyflux InoCep® α-알루미나 중공사막은 외경이 4 mm 이상인 반면, 제조된 α-알루미나 지지체는 4 mm 이하로써 더욱 작은 외경을 갖는 중공사막이다. 제조된 α-알루미나 지지체의 평균 기공 크기는 80~100 nm이었다. The α-alumina powder having a particle size of 300~400 nm was mixed with the polysulfone polymer and formed into a hollow fiber by extrusion method and sintered at 1450 ° C. to obtain a porous α-alumina support. Commercialization Hyflux InoCep ® α-alumina hollow fiber membrane has an outer diameter of 4 mm or more, while the prepared α-alumina support is 4 mm or less, which is a hollow fiber membrane having a smaller outer diameter. The average pore size of the prepared α-alumina support was 80 to 100 nm.
α-알루미나 지지체의 압력별 N2와 SF6의 단일가스 투과도 및 선택도를 측정하였다. 2 bar에서 N2와 SF6 투과도는 각각 50,000~ 65,000 GPU, 35,000-45,000 GPU 였고, 1.25~1.35의 선택도를 나타내었다. 이는 누센 흐름(knudsen flow) (N2/SF6 = 2.3)보다 낮은 값으로서 convective flow, 즉 큰 기공이 존재하는 것을 알 수 있다. 따라서, γ-알루미나 중간층 없이 고분자 코팅이 진행될 경우, 고분자 용액이 α-알루미나 지지체의 큰 기공 속으로 스며들어 균일한 고분자 박막층을 형성하기 어렵다. The single gas permeability and selectivity of N 2 and SF 6 for the pressure of the α-alumina support were measured. At 2 bar, the permeability of N 2 and SF 6 were 50,000 ~ 65,000 GPU and 35,000 ~ 45,000 GPU, respectively, and showed a selectivity of 1.25 ~ 1.35. It can be seen that there is a convective flow, that is, a large pore, which is lower than the Knudsen flow (N2 / SF6 = 2.3). Therefore, when the polymer coating is carried out without the γ-alumina intermediate layer, the polymer solution permeates into the large pores of the α-alumina support, making it difficult to form a uniform polymer thin film layer.
제조예Manufacturing example 2 : sol- 2: sol- gel법을Come to law 이용한 γ-알루미나 중간층 형성 Formation of γ-alumina intermediate layer
α-알루미나 지지체의 큰 기공을 줄이기 위해, 나노입자가 크기가 균일하고 잘 분산되는 sol-gel법을 도입하였다. In order to reduce the large pores of the a-alumina support, the sol-gel method, in which the nanoparticles are uniform in size and well dispersed, is introduced.
Water-based sol은 전구체로서 aluminum tri-sec-butoxide (ATB)를 물에 분산시킨 후 가수분해 및 축합반응을 거쳐 합성하였다. 이어서, α-알루미나 지지체를 Water-based sol에 딥코팅하고, 600℃에서 소성하였다.Water-based sol was prepared by dispersing aluminum tri-sec-butoxide (ATB) as a precursor in water and hydrolyzing and condensing it. The α-alumina support was then dip-coated on a Water-based sol and fired at 600 ° C.
도 2는 합성된 순수한 상태의 boehmite sol(고농도 as-made 졸) 및 물과 혼합된 sol 형태로 코팅된 γ-알루미나 표면 SEM 이미지다. 도 2(a)와 (d)는 순수 sol로 코팅된 γ-알루미나 표면 및 단면 이미지로서 3 ㎛의 두께를 가지며 균일하게 코팅이 된 것을 확인할 수 있다. 이 결과는 γ-알루미나 나노입자 분산 용액을 이용하여 만들어진 γ-알루미나 층에 비하여 상당히 치밀하고, 균일한 것으로 관찰되었다. Sol에 나노 크기의 γ-알루미나 입자들이 고르게 분산됨에 따라 얇고 균일하게 코팅이 된 것으로 판단된다. Fig. 2 is a SEM image of gamma-alumina surface coated with boehmite sol (high concentration as-made sol) synthesized in pure state and sol mixed with water. 2 (a) and 2 (d) show γ-alumina coated with pure sol and cross-sectional images having a thickness of 3 μm and uniform coating. The results are fairly compact and homogeneous compared to the γ-alumina layer made using the γ-alumina nanoparticle dispersion solution. As the nano-sized γ-alumina particles are uniformly dispersed in the sol, it is considered that the coating is thin and uniform.
도 2 (b), (e)와 (c), (f)는 sol과 물을 각각 2:1 및 3:1로 혼합하여 코팅된 γ-알루미나 표면 및 단면 이미지다. 코팅된 γ-알루미나 두께가 각각 2 ㎛ 와 1 ㎛로, 순수 sol에 의해 얻어진 γ-알루미나에 비해 매우 얇은 층이 형성된 것을 알 수 있다. 하지만 γ-알루미나 두께가 얇아지면서 코팅층이 불균일해지고, 결함이 눈에 띄게 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 2 (b), (e), (c), and (f) show gamma-alumina surface and cross-sectional images of sol and water mixed at 2: 1 and 3: It can be seen that the coated γ-alumina thicknesses are 2 μm and 1 μm, respectively, and a very thin layer is formed compared to γ-alumina obtained by pure sol. However, as the thickness of γ-alumina became thinner, the coating layer became uneven and the defects increased noticeably.
도 3은 제조예 1의 α-알루미나 지지체에 γ-알루미나가 코팅된 알루미나 중공사막의 N2 및 SF6 기체 투과도를 보여준다. 3 shows the N 2 and SF 6 gas permeabilities of the alumina hollow fiber membrane coated with? -Alumina on the? -Alumina support of Production Example 1. FIG.
γ-알루미나 코팅 후에도 중공사막은 여전히 높은 투과도를 가지고 있는 것을 확인할 수 있다. 따라서, γ-알루미나 중간층 도입으로 인한 CMS막의 투과도 저하는 미미할 것으로 판단된다. it can be confirmed that the hollow fiber membrane still has a high permeability even after γ-alumina coating. Therefore, the permeability of the CMS membrane is not lowered due to the introduction of the γ-alumina intermediate layer.
도 4는 순수 sol로부터 ramping rate 및 침지 시간을 최적화하여 만들어진 γ-알루미나 코팅층을 보여준다. 침지시간을 1~2 s 로 설정하였으며, 침지 후 들어 올리는 속도(Pulling up rate)를 1 mm/s 만큼 느리게 유지함으로써 1 ㎛ 두께의 얇은 층을 만들 수 있었다. 침지 후 들어 올리는 속도가 빠를 경우 두꺼운 층이 형성되었고, 들어 올리는 속도가 느릴수록 얇은 층의 γ-알루미나 중간층이 형성되는 것을 확인하였다. Figure 4 shows a gamma-alumina coating layer made by optimizing ramping rate and immersion time from pure sol. The immersion time was set to 1 ~ 2 s, and a thin layer of 1 ㎛ thick was formed by keeping the pulling up rate slower by 1 mm / s after immersion. It was confirmed that a thick layer was formed when the lifting speed after immersion was fast, and that a thin layer of γ-alumina intermediate layer was formed as the lifting speed was slower.
실시예Example 1: CMS 복합 중공사막의 제조 1: Manufacture of CMS composite hollow fiber membrane
하기 CMS 복합 중공사막 제조는, 일정한 온도 및 습도를 유지하기 위해 항온 항습실을 제작하여, 온도 24 ℃, 습도 40 % 이하의 분위기에서 진행하였다. In order to maintain the constant temperature and humidity, the CMS composite hollow fiber membrane was prepared in a constant temperature and humidity chamber and was operated at an ambient temperature of 24 ° C and a humidity of 40% or less.
알루미늄 트리섹부톡사이드(aluminum tri-sec-butoxide, ATB)를 물에 분산시킨 후 가수분해 및 축합반응을 거쳐 합성된 water-based alumina sol을 코팅물질로 사용하였으며, 코팅 시간 2 sec 및 ramping rate 30 mm/s 조건으로 제조예 1에서 제조된 α-알루미나 중공사 지지체를 침지코팅(dip coating) 하여 γ-알루미나 중간층을 제조하였다. 코팅된 알루미나 지지체를 650℃ (ramping rate: 1 ℃/min)에서 소결하였다. A water-based alumina sol synthesized from aluminum tri-sec-butoxide (ATB) was dispersed in water and hydrolyzed and condensed. The coating time was 2 sec and the ramping rate was 30 The γ-alumina intermediate layer was prepared by dip coating the α-alumina hollow support prepared in Preparation Example 1 under the condition of mm / s. The coated alumina support was sintered at 650 캜 (ramping rate: 1 캜 / min).
다음, 폴리이미드(Matrimid 5218) 3 g를 용매 NMP 97 ml에 용해시켜 제조된 고분자 용액에 상기 제조된 γ-알루미나 중간층이 형성된 지지체를 60 s 동안 침지시킨 후 실온에서 12 h 이상 건조하였고, 150 ℃ 에서 2 h 동안 어닐링(annealing) 하였다. Next, a support in which the above-prepared γ-alumina intermediate layer was formed was immersed for 60 seconds in a polymer solution prepared by dissolving 3 g of polyimide (Matrimid 5218) in 97 ml of solvent NMP, dried at room temperature for 12 hours or more, Lt; / RTI > for 2 h.
이어서, 관형소결로(tubular furnace)에서 초고순도 He (99.9999%)을 지속적으로 흘리면서 산소가 유입되는 것을 차단하였고, 승온속도는 1 ℃/min로 1 h 동안 열분해(pyrolysis) 과정을 진행하여, CMS 복합 중공사막을 제조하였다. Subsequently, oxygen was continuously flowed in a tubular furnace while ultrapure He (99.9999%) was continuously flowed. The pyrolysis process was performed for 1 h at a heating rate of 1 ° C / min, and CMS A composite hollow fiber membrane was prepared.
상기 제조된 CMS 복합 중공사막의 표면 및 단면을 주사전자현미경(제조사: JEOL, 모델명: JSM-6360)으로 촬영하여 각각 도 6에 나타내었다. CMS 복합 중공사막의 표면은 매우 평평하며 단면도로부터 1~2 ㎛ 탄소층이 형성된 것이 관찰되었다.The surface and cross section of the prepared CMS composite hollow fiber membrane were photographed with a scanning electron microscope (manufacturer: JEOL, model name: JSM-6360) and are shown in FIG. The surface of the CMS composite hollow fiber membrane was very flat and a 1 ~ 2 ㎛ carbon layer was formed from the cross section.
γ-알루미나 중간층 및 CMS 복합 중공사막의 평균 기공 크기를 nano permporometer(NPP)를 이용하여 측정하였으며, 이를 도 7에 나타내었다. The average pore size of the γ-alumina intermediate layer and the CMS composite hollow fiber membrane was measured using a nano permporometer (NPP), which is shown in FIG.
γ-알루미나 중간층의 투과도(permeance)는 큰 기공 크기 때문에 CMS 복합 중공사막에 비하여 대체적으로 높았으며, 기공 크기는 1~15 nm 사이에 대부분 존재하였다. 그에 반해, CMS 복합 중공사막은 기공 크기 측정 동안 투과도(permeance)가 상당히 감소하였고 기공 크기 분포도는 0.25~4.75 nm 사이에 존재하였다. 특히, 1 nm 이하에서 높은 기공 분포도가 존재하고 2~4 nm 사이에 큰 기공이 분포하고 있으므로, 1 nm 이하의 미세기공에서 분리가 일어나는 것으로 판단됨에 따라 수 나노미터에 존재하는 기공에서 빠르게 확산이 일어날 것으로 기대된다. The permeability of the γ-alumina intermediate layer was higher than that of the CMS composite hollow fiber membrane due to its large pore size, and pore size was mostly present between 1 and 15 nm. On the contrary, the permeability of the CMS composite hollow fiber membranes decreased significantly during pore size measurement and the pore size distribution was between 0.25 and 4.75 nm. Particularly, since there is a high pore distribution at 1 nm or less and large pores are distributed in the range of 2 to 4 nm, it is believed that the separation occurs at a pore size of 1 nm or less, It is expected to happen.
CMS 복합 중공사막의 투과성능을 측정하기 위하여 모듈 및 투과 장치를 제작하였다. 온도에 따른 투과 거동을 분석하기 위해 오븐 내에서 측정이 이루어졌고, 모듈 전후에 열선(heating line)을 연결하였다. 단일 가스의 경우, 99.99 % 프로필렌 및 프로판 가스가 사용되었고, bubble flow meter를 이용하여 투과도를 측정하였다. 혼합가스의 경우, 혼합 가스비에 따른 투과도 측정을 위하여 단일 가스 각각을 MFC를 이용하여 가스의 혼합비를 조절하였다. 모듈의 배출부(Retentate)에 back pressure regulator(BPR)를 이용하여 cross flow 방식으로 압력을 조절하였고, 투과부(permeate)에서 나오는 가스는 bubble flow meter 및 GC를 이용하여 투과도 및 선택도를 계산하였다. 실시예 1의 CMS 복합 중공사막은 혼합가스 투과실험에서 높은 투과도 및 선택도를 유지하였다.Modules and permeators were fabricated to measure the permeation performance of CMS composite hollow fiber membranes. In order to analyze the permeation behavior with temperature, measurements were made in the oven, and a heating line was connected before and after the module. For the single gas, 99.99% propylene and propane gas were used and the permeability was measured using a bubble flow meter. In the case of mixed gas, the mixing ratio of gas was controlled by using MFC for each single gas for measuring the permeability according to the mixed gas ratio. The pressure was controlled by a cross flow method using a back pressure regulator (BPR) on the retentate of the module. The permeability and selectivity of the gas from the permeate were calculated using a bubble flow meter and GC. The CMS composite hollow fiber membrane of Example 1 retained high permeability and selectivity in the mixed gas permeation experiment.
실시예 1의 CMS 복합 중공사막의 투과 성능을 측정하여 도 7에 나타내었다. 2 bar에서 수소 투과도가 270~380 GPU로 상당히 높았으며, 프로필렌 투과도는 35~41 GPU의 투과도를 보였다. The permeation performance of the CMS composite hollow fiber membrane of Example 1 was measured and shown in FIG. At 2 bar, the hydrogen permeability was significantly high (270 ~ 380 GPU) and the propylene permeability was 35 ~ 41 GPU.
하기 표 1은 수소/질소 및 프로판/프로필렌에 대한 선택도를 나타내었다. 기존 탄소막 성능(C3H6 투과도:20-35 GPPU, C3H6/ C3H8 선택도: 11-25)과 비교하여, 2 bar에서 프로판/프로필렌 선택도가 39로 상당히 높은 값을 나타내었으며, 이는 무기막에서 관찰되는 분자체 분리에 의한 결과로서 유사한 분자 크기를 갖는 프로판과 프로필렌을 높은 수준으로 분리할 수 있음을 보여준다. CMS 복합 중공사막에 존재하는 마이크로 크기 이하의 미세기공에 의하여 유사한 크기의 분자 분리가 가능하였고, 수 나노 크기로 존재하는 기공에 의해 기공도가 높아져서 투과속도가 향상된 것으로 판단된다. 이와 함께 중공사막의 장점인 얇은 분리층에 의해 투과도를 더욱 향상시킬 수 있었다.Table 1 below shows the selectivities for hydrogen / nitrogen and propane / propylene. The propane / propylene selectivity at 2 bar was significantly higher than the conventional carbon film performance (C 3 H 6 permeability: 20-35 GPPU, C3H6 / C3H8 selectivity: 11-25) Show that propane and propylene having similar molecular sizes can be separated to a high level as a result of molecular sieve separation observed in < RTI ID = 0.0 >< / RTI > It was confirmed that the permeation rate was improved because of the similar size of molecular sieve by micropores existing in the CMS composite hollow fiber membranes, and the porosity was increased by the pores existing in the size of several nanometers. In addition, the permeability was further improved by the thin separation layer, which is an advantage of the hollow fiber membrane.
실시예Example 2: CMS 복합 중공사막의 제조 2: Preparation of CMS composite hollow fiber membrane
용매 NMP 대신에 휘발성이 높아 코팅이 용이한 THF에 폴리이미드(Matrimid 5218)를 용해시킨 4~6 wt% 고분자 용액을 사용하여 탄소층을 형성시킨 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 과정을 통해서 CMS 복합 중공사막을 제조하였다. 이때, 고분자 코팅 후 상온에서 건조 시간을 1 h 이내로 줄일 수 있었다. Except that a carbon layer was formed by using a 4 to 6 wt% polymer solution in which polyimide (Matrimid 5218) was dissolved in THF having high volatility and easy to coat instead of solvent NMP, through the same procedure as in Example 1 CMS composite hollow fiber membrane. At this time, the drying time could be reduced to less than 1 h at room temperature after polymer coating.
제조된 CMS 복합 중공사막의 단면을 주사전자현미경(제조사: JEOL, 모델명: JSM-6360)으로 촬영하여 도 9에 나타내었다. 1 ㎛ 정도의 γ-알루미나층 위에 3~4 ㎛의 두께를 갖는 CMS 층을 확인할 수 있다. NMP를 이용하여 제조된 CMS 분리막과 비교하면 더 두껍게 형성된 것으로 보인다. 이는 NMP를 용매로 하여 제조된 고분자 용액은 코팅 후 용매 증발 시간이 오래 걸리고 그에 따라 고분자 용액이 중력에 의해 흘러내리면서 얇고 불균일한 층을 형성하게 된다. 그에 반해, THF를 용매로 할 경우 용매 증발이 빠르게 일어나면서 코팅층이 균일하고 두껍게 형성된 것으로 판단된다.The cross section of the CMS composite hollow fiber membrane was photographed with a scanning electron microscope (JEOL, model: JSM-6360) and is shown in FIG. On the γ-alumina layer of about 1 μm, a CMS layer having a thickness of 3 to 4 μm can be identified. Compared with CMS membranes prepared using NMP, it appears to be thicker. This is because the polymer solution prepared by using NMP as a solvent takes a long time to evaporate the solvent after coating and the polymer solution flows down by gravity to form a thin and uneven layer. On the other hand, when THF is used as a solvent, evaporation of the solvent occurs rapidly, and the coating layer is formed uniformly and thickly.
또한, 실시예 2에서 제조된 CMS 복합 중공사막을 사용하여 2 bar에서 프로필렌/프로판 투과 성능 결과를 측정하였으며, 이를 하기 표 2에 나타내었다. 초기 프로필렌 단일가스 투과도는 25 GPU로 이전보다 낮은 값을 나타내었다. 이는 탄소층 두께가 NMP를 용매로 사용한 CMS 중공사막에 비해 더 두꺼워져 나타난 결과로 보인다. CMS 복합 중공사막은 제조 후 60 h 이상이 지나면 순수 프로필렌 투과도가 15.76 GPU로 감소하는 것을 확인할 수 있는데 이는 CMS 중공사막의 산화 및 수분흡착 현상으로 판단된다. 그 후 측정된 프로필렌/프로판 (38/62) 혼합가스 투과 결과를 보면 프로필렌 투과도가 15.13 GPU 로 단일가스에 비하여 약간 감소되는 것을 볼 수 있다. 그러나, 선택도는 33.15로 여전히 고분자 분리막(M. Das, W.J. Koros, Performance of 6FDA-6FpDA polyimide for propylene/propane separations, J. Membr. Sci. 365 (2010) 399)에 비해 높은 값을 나타내었다. 투과도 감소는 프로필렌과 프로판의 경쟁적 투과(competition)에 의해 나타난 현상으로 보인다. Also, the propylene / propane permeation performance was measured at 2 bar using the CMS composite hollow fiber membrane prepared in Example 2, and the results are shown in Table 2 below. Initial propylene single gas permeability was 25 GPU, which was lower than before. This result shows that the carbon layer thickness is thicker than the CMS hollow fiber membrane using NMP as a solvent. The permeability of pure propylene decreased to 15.76 GPU after more than 60 h of CMS composite hollow fiber membrane, which is considered to be oxidation and moisture adsorption phenomenon of CMS hollow fiber membrane. The measured propylene / propane (38/62) mixed gas permeation result shows that the propylene permeability is 15.13 GPU, which is slightly lower than that of the single gas. However, the selectivity was 33.15, which was still higher than that of the polymer membrane (M. Das, W.J. Koros, Performance of 6FDA-6FpDA polyimide for propylene / propane separations, J. Membr. Sci. The decrease in permeability appears to be due to the competitive permeation of propylene and propane.
Claims (12)
제1 입자 크기를 가진 제1 무기물 입자를 사용하여 제조된, 제1 기공 크기를 가지는 4 mm이하 외경의 무기물 중공사 지지체;
상기 무기물 중공사 지지체 표면의 기공에, 제2 무기물 입자 또는 이의 전구체를 함유하는 졸(sol)을 충진시켜 제1 입자 크기보다 작은 제2 입자 크기를 가진 제2 무기물 입자가 상기 무기물 중공사 지지체 표면의 기공을 메운 제1층; 및
상기 제1층 상에 제1 유기 고분자 함유 용액을 코팅한 후 열분해(pyrolysis)하여 형성된 탄소분자체(Carbon molecular sieve) 함유 제2층을 구비한 것이 특징인 복합 중공사막.
A hollow fiber composite membrane having an outer diameter of 0.1 mm to 4 mm, an inner diameter of 0.05 mm to 3 mm, and a thickness of 0.01 mm to 2 mm,
An inorganic hollow support having an outer diameter of 4 mm or less and having a first pore size, prepared using a first inorganic particle having a first particle size;
A sol containing a second inorganic particle or a precursor thereof is filled in the pores on the surface of the inorganic hollow fiber support to form a second inorganic particle having a second particle size smaller than the first particle size on the inorganic hollow fiber support surface A first layer filling the pores of the first layer; And
And a second layer containing a carbon molecular sieve formed by coating a solution containing the first organic polymer on the first layer and then pyrolysis.
The composite hollow fiber membrane according to claim 1, wherein the thickness of the second layer containing carbon molecular sieve is 0.1 占 퐉 to 10 占 퐉.
The method of claim 1, wherein the first layer is formed by filling a pores of a surface of the inorganic hollow fiber support with a sol containing a second inorganic particle or a precursor thereof and forming a second inorganic particle to reduce porosity Wherein the second inorganic particles fill the pores of the surface of the inorganic hollow fiber support by gelling with a gel of the formed tissue.
The composite hollow fiber membrane according to claim 1, which has a pore structure capable of separating olefins having the same carbon number from paraffin.
The composite hollow fiber membrane according to claim 1, characterized by having a pore structure capable of separating nitrogen and hydrogen.
제1 무기물 입자를 사용하여 제조된, 제1 기공 크기를 가지는 4 mm이하 외경의 무기물 중공사 지지체를, 제2 무기물 입자 또는 이의 전구체를 함유하는 졸(sol)로 코팅하는 제1단계;
선택적으로 상기 무기물 중공사 지지체 표면의 기공에 충진된 졸을 제2 무기물 입자가 연결되어 형성된 조직의 겔(gel)로 겔화시키는 제2단계;
건조 또는 열처리에 의해 제1 입자 크기보다 작은 제2 입자 크기를 가진 제2 무기물 입자가 상기 무기물 중공사 지지체 표면의 기공을 메운 제1층을 형성시키는 제3단계;
상기 제1층 상에 제1 유기 고분자 함유 용액을 코팅하는 제4단계; 및
코팅된 제1 유기 고분자를 열분해(pyrolysis)하여 탄소분자체(Carbon molecular sieve) 함유 제2층을 형성시키는 제5단계를 포함하는, 복합 중공사막 제조 방법.
A method for producing the composite hollow fiber membrane according to any one of claims 1 to 5,
A first step of coating an inorganic hollow support having an outer diameter of 4 mm or less and having a first pore size using a first inorganic particle with a sol containing a second inorganic particle or a precursor thereof;
A second step of gelling a sol filled in the pores of the surface of the inorganic hollow fiber support with a gel of a tissue formed by connecting the second inorganic particles;
A third step in which a second inorganic particle having a second particle size smaller than the first particle size is formed by drying or heat treatment to form a first layer filled with pores on the surface of the inorganic hollow fiber support;
A fourth step of coating the first organic polymer-containing solution on the first layer; And
And a fifth step of pyrolysis of the coated first organic polymer to form a second layer containing carbon molecular sieve.
7. The method of claim 6, wherein the ramping rate of the dip coating in the first step is 0.1 to 30 mm / s.
7. The method for producing a composite hollow fiber membrane according to claim 6, wherein the pyrolysis is carried out at 500 to 800 DEG C for 1 minute to 10 hours in the fifth step.
A separation membrane module having the composite hollow fiber membranes according to any one of claims 1 to 5.
A method for separating olefins and paraffins having the same carbon number using the separation membrane module according to claim 9.
A process for producing a separated olefin or separated paraffin comprising separating an olefin and a paraffin-containing gas using the separation membrane module according to claim 9.
A method for separating nitrogen and hydrogen using the separation membrane module according to claim 9.
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