KR20180097311A - CO2―tolerant dual―phase hollow fiber membrane for oxygen separation and preparation method thereof - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a carbon dioxide-tolerant dual-phase hollow fiber membrane for oxygen separation and a preparation method thereof, wherein the hollow fiber membrane has a composition represented by chemical formula 1: Ce_xSm_(1-x)O_(2-δ)-Sm_ySr_(1-y)Cu_zFe_(1-z)O_(3-δ). Therefore, the carbon dioxide-tolerant dual-phase hollow fiber membrane exhibits stable oxygen permeability even when high concentration carbon dioxide is used as sweep gas, and thus can be usefully used for oxygen separation in a carbon dioxide atmosphere such as a pure oxygen combustion capture process. In the chemical formula 1, 0 <= x <= 1, 0 <= y <= 1, and 0 <= z <= 1.

Description

이산화탄소 내성을 갖는 산소 분리용 듀얼상 중공사막 및 이의 제조방법{CO2―tolerant dual―phase hollow fiber membrane for oxygen separation and preparation method thereof}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a dual-phase hollow fiber membrane for oxygen separation having carbon dioxide resistance and a method for producing the dual-

본 발명은 고농도의 이산화탄소를 스윕가스로 사용하여도 안정한 산소투과도를 나타내며 순산소 연소 포집 공정과 같은 이산화탄소 분위기에서의 산소 분리 등에 유용하게 사용될 수 있는 이산화탄소 내성을 갖는 산소 분리용 듀얼상 중공사막 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a dual-phase hollow fiber membrane for oxygen separation having a carbon dioxide resistance which can be used for oxygen separation in a carbon dioxide atmosphere such as a pure oxygen combustion collecting process, which exhibits a stable oxygen permeability even when a high concentration of carbon dioxide is used as a sweep gas, And a manufacturing method thereof.

이산화탄소 포집 및 저장 기술 중 하나인 순산소 연소 포집 기술은 공기 대신 순산소를 이용하여 연소하며, 연소 후 배가스 중 고농도의 이산화탄소를 포집하는 공정이다. Oxygen combustion capture technology, one of carbon dioxide capture and storage technologies, is a process that uses pure oxygen instead of air to burn and collects high concentration of carbon dioxide in the exhaust gas after combustion.

상기 순산소 연소 포집 기술은 순산소를 이용하기 때문에 연소 효율이 증가하는 장점을 갖고 있으며, 대부분 물과 이산화탄소로 구성되어있는 연소 후 배가스를 응축기를 통해 물을 제거하면 고농도의 이산화탄소를 포집하기 때문에 온실가스 저감 효과가 기대되는 기술이다.The pure oxygen combustion capture technique has the advantage of increasing the combustion efficiency because it uses pure oxygen. When the water is removed through the condenser after the combustion exhaust gas composed mostly of water and carbon dioxide, it collects the high concentration of carbon dioxide, This technology is expected to have a gas reduction effect.

한편, 산소 제조공정은 심냉분별증류법, 압력스윙흡착법(PSA), 고분자 분리막법 등이 있다. 상업화되어있는 상기 심냉법 및 PSA는 설비특성상 많은 투자비와 운전비용이 필요하다. 상기 고분자 분리막법은 산소 선택도가 높지 않기 때문에 질소 유입을 차단하기 어려운 단점이 있다. On the other hand, oxygen production processes include deep-cooling fractionation distillation, pressure swing adsorption (PSA), and polymer membrane separation. The commercialized deep sea cooling method and the PSA require a lot of investment and operating costs due to the characteristics of the equipment. In the polymer membrane method, since the oxygen selectivity is not high, it is difficult to block the flow of nitrogen.

이에 반해 최근 연구가 진행되고 있는 이온전도성 세라믹 분리막을 이용한 산소분리 공정은 기존 산소 제조 공정과 비교하여 고효율 및 저비용으로 향후 기존 공정을 대체할 것으로 기대된다.On the other hand, the oxygen separation process using the ion conductive ceramic membrane, which is being studied recently, is expected to replace the existing process with high efficiency and low cost as compared with the existing oxygen production process.

상기 이온전도성 세라믹 분리막은 조업 온도가 고온이어야 한다는 단점을 갖고 있지만, 이온전도성 세라믹 분리막 기술을 순산소 연소 공정에 적용하면 고온의 배열을 이용하여 분리막의 운전 조건에 적합한 850 ℃ 이상을 쉽게 유지할 수 있어 효과적이다.The ion conductive ceramic separator has a disadvantage that the operating temperature must be high. However, when the ion conductive ceramic separator is applied to a pure oxygen combustion process, it is possible to easily maintain the temperature of 850 DEG C or more suitable for the operating conditions of the separator effective.

상기 이온전도성 세라믹 분리막의 재료로는 페롭스카이트형 산화물(Perovskite type oxide)이 가장 널리 사용되고 있다. 예를 들어 LaxSr1-xCoyFe1-yO3-δ (LSCF), BaxSr1-xCoFe1-yO3-δ (BSCF) 등 다양한 조성의 페롭스카이트 산화물이 연구되었으며, Sr 및 Ba과 같은 알칼리 토금속을 포함한 조성이 우수한 산소 투과도를 나타내었다. As the material of the ion conductive ceramic separator, a perovskite type oxide is most widely used. Perovskite oxides of various compositions such as La x Sr 1-x Co y Fe 1-y O 3-δ (LSCF) and Ba x Sr 1-x CoFe 1-y O 3-δ (BSCF) And the compositions including alkaline earth metals such as Sr and Ba showed excellent oxygen permeability.

그러나, 이러한 알칼리 토금속을 포함한 조성의 분리막은 CO2 분위기에서 불안정한 특성을 나타내었으며, 분리막 표면에 탄소화합물(Carbonate)이 침적되어 산소 투과도가 감소되는 문제점이 있다. However, such a separation membrane containing an alkaline earth metal has unstable characteristics in a CO 2 atmosphere, and a carbon compound is deposited on the separation membrane surface, thereby reducing the oxygen permeability.

상기 순산소 연소 공정은 이산화탄소를 포함한 연소 후 배가스를 스윕가스로 사용하기 때문에 분리막의 이산화탄소에 대한 내성은 필수적이다. Since the oxyfuel combustion process uses carbon dioxide as a sweep gas after combustion, the resistance of the separation membrane to carbon dioxide is essential.

따라서, 이산화탄소 내성이 향상되면서 이산화탄소 분위기에서의 산소를 유용하게 분리시킬 수 있는 새로운 분리막(중공사막)이 요구되고 있다.Accordingly, there is a demand for a new separation membrane (hollow fiber membrane) capable of effectively separating oxygen in a carbon dioxide atmosphere while improving the resistance to carbon dioxide.

대한민국 등록특허 제1496751호Korean Patent No. 1496751 대한민국 등록특허 제1288530호Korean Patent No. 1288530

본 발명의 목적은 고농도의 이산화탄소를 스윕가스로 사용하여도 안정한 산소투과도를 나타내며 순산소 연소 포집 공정과 같은 이산화탄소 분위기에서의 산소 분리 등에 유용하게 사용될 수 있는 듀얼상 중공사막을 제공하는데 있다.It is an object of the present invention to provide a dual-phase hollow fiber membrane which can be used for oxygen separation in a carbon dioxide atmosphere such as a pure oxygen combustion collecting process, which shows a stable oxygen permeability even when a high concentration of carbon dioxide is used as a sweep gas.

또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 듀얼상 중공사막을 제조하는 방법을 제공하는데 있다.It is another object of the present invention to provide a method for producing the dual-phase hollow fiber membrane.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 상기 듀얼상 중공사막을 포함하는 막 모듈을 제공하는데 있다.It is still another object of the present invention to provide a membrane module including the dual-phase hollow fiber membrane.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 상기 막 모듈을 포함하는 중공사막 접촉장치를 제공하는데 있다.It is still another object of the present invention to provide a hollow fiber membrane contact apparatus including the membrane module.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이산화탄소 내성을 갖는 산소 분리용 듀얼상 중공사막은 하기 화학식 1의 조성을 갖는다;To achieve the above object, the dual phase hollow fiber membrane for oxygen separation according to the present invention having a carbon dioxide resistance has a composition represented by the following Chemical Formula 1;

[화학식 1][Chemical Formula 1]

CexSm1-xO2-δ-SmySr1-yCuzFe1-zO3-δ Ce x Sm 1 - x O 2 -? - Sm y Sr 1 - y Cu z Fe 1 - z O 3 -?

상기 화학식 1에서 0≤x≤1, 0≤y≤1 및 0≤z≤1임.1? 0? Y? 1 and 0? Z? 1 in the above formula (1).

상기 CexSm1-xO2-δ과 SmySr1-yCuzFe1-zO3-δ 는 5:5 내지 9:1의 중량비로 혼합될 수 있다.The Ce x Sm 1 -x O 2 -δ and the Sm y Sr 1 -y Cu z Fe 1 -z O 3 -δ may be mixed in a weight ratio of 5: 5 to 9: 1.

상기 이산화탄소 내성을 갖는 산소 분리용 듀얼상 중공사막은 내경이 0.3 내지 0.9 mm이며, 외경이 1.1 내지 1.7 mm인 도넛형 기둥 형태일 수 있다.The oxygen-separating dual-phase hollow fiber membrane having carbon dioxide resistance may be in the form of a toroidal column having an inside diameter of 0.3 to 0.9 mm and an outside diameter of 1.1 to 1.7 mm.

또한, 상기한 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이산화탄소 내성을 갖는 산소 분리용 듀얼상 중공사막의 제조방법은 (A) 고분자 바인더 및 유기용매를 혼합하여 고분자 용액을 제조하는 단계; (B) CexSm1-xO2-δ 조성(0≤x≤1)을 갖는 분말과 SmySr1-yCuzFe1-zO3-δ 조성(0.1≤y≤0.5 및 0.1≤z≤0.3)을 갖는 분말을 혼합하여 혼합분말을 제조하는 단계; (C) 상기 고분자 용액에 상기 혼합분말 및 가소제를 첨가하여 도프용액을 제조하는 단계; (D) 상기 도프용액을 내부응고제와 함께 이중 방사노즐로 공급 및 토출하여 중공사를 형성하는 단계; 및 (E) 상기 중공사를 외부응고제와 접촉시켜 상전이 과정을 거친 후 세정, 건조 및 소결시켜 중공사막을 얻는 단계;를 포함할 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method for producing a dual phase hollow fiber membrane for oxygen separation having oxygen-resistant carbon dioxide, comprising the steps of: (A) preparing a polymer solution by mixing a polymer binder and an organic solvent; (B) Ce x Sm 1-x O 2-δ composition (0 ≦ x1 ) and a composition Sm y Sr 1 -y Cu z Fe 1 -z O 3-δ (0.1≤y≤0.5 and 0.1 Lt; / = z &lt; / = 0.3) to prepare a mixed powder; (C) adding the mixed powder and the plasticizer to the polymer solution to prepare a dope solution; (D) feeding and discharging the dope solution with a double spinning nozzle together with an internal coagulant to form a hollow fiber; And (E) contacting the hollow fiber with an external coagulant, passing through a phase transition process, and washing, drying and sintering the hollow fiber to obtain a hollow fiber membrane.

상기 (A)단계에서 고분자 바인더는 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리에테르이미드, 폴리아미드 및 폴리아크릴로니트릴로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.In the step (A), the polymer binder may be at least one selected from the group consisting of polysulfone, polyethersulfone, polyetherimide, polyamide, and polyacrylonitrile.

상기 (A)단계에서 유기용매는 N-메틸피롤리돈(NMP), 디메틸포름아미드(DMF), 디메틸아세트아미드(DMAc) 및 디메틸술폭시드(DMSO)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.In the step (A), the organic solvent may be at least one selected from the group consisting of N-methylpyrrolidone (NMP), dimethylformamide (DMF), dimethylacetamide (DMAc) and dimethylsulfoxide (DMSO).

상기 (B)단계에서 CexSm1-xO2-δ 조성(0≤x≤1)을 갖는 분말과 SmySr1-yCuzFe1-zO3-δ 조성(0.1≤y≤0.5 및 0.1≤z≤0.3)을 갖는 분말은 5:5 내지 9:1의 중량비로 혼합될 수 있다.In the step (B), a powder having a composition of Ce x Sm 1 -x O 2-δ (0 ≦ x1 ) and a composition Sm y Sr 1 -y Cu z Fe 1 -z O 3-δ (0.1 ≦ y ≦ 0.5 and 0.1? Z? 0.3) may be mixed in a weight ratio of 5: 5 to 9: 1.

상기 (B)단계에서 혼합분말은 50 내지 69 중량%로 함유될 수 있다.In the step (B), the mixed powder may be contained in an amount of 50 to 69% by weight.

상기 (C)단계에서 가소제는 폴리비닐피롤리돈 또는 폴리비닐알코올일 수 있다.In the step (C), the plasticizer may be polyvinylpyrrolidone or polyvinyl alcohol.

상기 (D)단계에서 내부응고제 및 외부응고제는 물일 수 있다.In the step (D), the internal coagulant and the external coagulant may be water.

상기 (E)단계에서 상전이된 중공사를 T1의 온도에서 건조시킨 후 상기 T1에서 0.5 내지 2 ℃/min의 승온속도로 가열하여 T2의 온도에서 소결시키며,The hollow fiber phase transformed in the step (E) is dried at a temperature of T1, heated at a rate of 0.5 to 2 ° C / min at T1, sintered at a temperature of T2,

상기 T1의 온도는 100 내지 150 ℃이고 상기 T2의 온도는 1100 내지 1200 ℃일 수 있다.The temperature of T1 may be 100-150 占 폚 and the temperature of T2 may be 1100-1200 占 폚.

또한, 상기한 또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 막 모듈은 상기 이산화탄소 내성을 갖는 산소 분리용 듀얼상 중공사막을 포함할 수 있다.According to another aspect of the present invention, a membrane module of the present invention may include a dual-phase hollow fiber membrane for oxygen separation having the carbon dioxide resistance.

또한, 상기한 또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 중공사막 접촉장치는 상기 막 모듈을 포함할 수 있다. According to another aspect of the present invention, a hollow fiber membrane contactor may include the membrane module.

본 발명의 이산화탄소 내성을 갖는 산소 분리용 듀얼상 중공사막은 고농도의 이산화탄소를 스윕가스로 사용하여도 안정한 산소투과도를 나타내며 순산소 연소 포집 공정과 같은 이산화탄소 분위기에서의 산소 분리 등에 유용하게 사용될 수 있다.The dual-phase hollow fiber membrane for oxygen separation having the carbon dioxide resistance of the present invention shows stable oxygen permeability even when high concentration of carbon dioxide is used as a sweep gas and can be usefully used for oxygen separation in a carbon dioxide atmosphere such as a pure oxygen combustion collecting process.

또한, 본 발명의 듀얼상 중공사막을 포함하는 막 모듈을 공기 분리 장치(air separation unit)에 적용함으로써 이산화탄소 분위기에서의 산소를 유용하게 분리시킬 수 있다.Further, by applying the membrane module including the dual-phase hollow fiber membrane of the present invention to an air separation unit, it is possible to effectively separate oxygen in a carbon dioxide atmosphere.

도 1a는 실시예 1에 따라 제조된 중공사막의 전체 모습을 SEM으로 촬영한 사진이며, 도 1b는 실시예 1에 따라 제조된 중공사막의 단면을 SEM으로 촬영한 사진이고, 도 1c는 실시예 1에 따라 제조된 중공사막의 내부 표면를 SEM으로 촬영한 사진이며, 도 1d는 실시예 1에 따라 제조된 중공사막의 외부 표면을 SEM으로 촬영한 사진이다.
도 2는 실시예 1에 따라 제조된 중공사막을 XRD(Rigaku Dmax-2500pc, USA)로 측정한 그래프이다.
도 3은 중공사막 산소투과 실험장치의 모식도이다.
도 4는 모사공기 100 ml/min, 스윕가스(He 또는 CO2) 50 ml/min 조건에서 온도에 따른 실시예 1 중공사막의 산소 투과도를 나타낸 그래프이다.
도 5는 스윕가스 조성에 따른 산소투과도 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 설정 온도 950 ℃에서 CO2 유량에 따른 산소 투과도를 나타낸 그래프이다.
도 7은 실시예 1에 따라 제조된 중공사막을 이용하여 스윕 가스를 7일 동안 장기 투과한 그래프이다.
도 8a는 산소 투과 실험 후 실시예 1에 따라 제조된 중공사막의 내부 표면을 SEM으로 촬영한 사진이며, 도 8b는 산소 투과 실험 후 실시예 1에 따라 제조된 중공사막의 외부 표면을 SEM으로 촬영한 사진이다.
도 9는 산소 투과 실험 후 실시예 1에 따라 제조된 중공사막을 EDX로 측정한 사진이다.
FIG. 1B is a SEM photograph of the cross section of the hollow fiber membrane produced according to Example 1, FIG. 1C is a cross-sectional view of the hollow fiber membrane according to Example 1 1 is an SEM photograph of the inner surface of the hollow fiber membrane manufactured according to Example 1. FIG. 1D is a SEM image of the outer surface of the hollow fiber membrane produced according to Example 1. FIG.
FIG. 2 is a graph showing the XRD (Rigaku Dmax-2500pc, USA) measurement of the hollow fiber membrane produced according to Example 1. FIG.
3 is a schematic diagram of a hollow fiber membrane oxygen permeation experiment apparatus.
4 is a graph showing the oxygen permeability of the hollow fiber membrane of Example 1 according to the temperature at a simulated air flow of 100 ml / min and a sweep gas (He or CO 2 ) of 50 ml / min.
5 is a graph showing the results of oxygen permeability according to the sweep gas composition.
6 is a graph showing oxygen permeability according to CO 2 flow rate at a set temperature of 950 ° C.
7 is a graph showing a long-term transmission of a sweep gas for 7 days using the hollow fiber membrane produced according to Example 1. FIG.
FIG. 8A is a photograph of the inner surface of the hollow fiber membrane produced according to Example 1 after the oxygen permeation test, and FIG. 8B is a photograph of the outer surface of the hollow fiber membrane prepared according to Example 1 after the oxygen permeation test by SEM It's a picture.
FIG. 9 is a photograph of the hollow fiber membrane prepared according to Example 1 after the oxygen permeation test by EDX.

본 발명은 고농도의 이산화탄소를 스윕가스로 사용하여도 안정한 산소투과도를 나타내며 순산소 연소 포집 공정과 같은 이산화탄소 분위기에서의 산소 분리 등에 유용하게 사용될 수 있는 이산화탄소 내성을 갖는 산소 분리용 듀얼상 중공사막 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a dual-phase hollow fiber membrane for oxygen separation having a carbon dioxide resistance which can be used for oxygen separation in a carbon dioxide atmosphere such as a pure oxygen combustion collecting process, which exhibits a stable oxygen permeability even when a high concentration of carbon dioxide is used as a sweep gas, And a manufacturing method thereof.

상기 스윕가스는 투과된 기체를 연속적으로 밀어내어 산소 분압차를 유지시켜주는 가스를 의미한다.
The sweep gas refers to a gas that continuously pushes the permeated gas to maintain the oxygen partial pressure difference.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명의 이산화탄소 내성을 갖는 산소 분리용 듀얼상 중공사막은 하기 화학식 1의 조성을 갖는다.The dual-phase hollow fiber membrane for oxygen separation having the carbon dioxide resistance of the present invention has a composition represented by the following formula (1).

[화학식 1][Chemical Formula 1]

CexSm1-xO2-δ-SmySr1-yCuzFe1-zO3-δ Ce x Sm 1 - x O 2 -? - Sm y Sr 1 - y Cu z Fe 1 - z O 3 -?

상기 화학식 1에서 0≤x≤1, 0≤y≤1 및 0≤z≤1이며, 바람직하게는 0.7≤x≤0.9, 0.1≤y≤0.5 및 0.1≤z≤0.3이고, 더욱 바람직하게는 x=0.8, y=0.3 및 z=0.2이다. 상기 x, y, z의 수가 상기 범위를 벗어나는 경우에는 이산화탄소에 대한 내성이 저하될 수 있다. 산소 분리막이 분리 성능을 가지기 위해서는 산소 공공(Oxygen vacancy)를 가져야 하는데, 본 발명을 구성하는 중공사막 역시 산소 공공을 가지므로 이를 상기 δ로 표시한다.X? 1, 0? Y? 1 and 0? Z? 1 in Formula 1, preferably 0.7? X? 0.9, 0.1? Y? 0.5 and 0.1? Z? 0.3, more preferably x = 0.8, y = 0.3, and z = 0.2. If the number of x, y, and z is out of the above range, resistance to carbon dioxide may be reduced. The oxygen separator has oxygen vacancy in order to have the separation performance, and the hollow fiber membrane constituting the present invention also has an oxygen vacancy, which is denoted by?.

상기 CexSm1-xO2-δ과 SmySr1-yCuzFe1-zO3-δ는 5:5 내지 9:1의 중량비, 바람직하게는 6:4 내지 7:3의 중량비로 혼합되며; 중량비가 상기 범위를 벗어나는 경우에는 이산화탄소 내성 및 산소 투과도가 감소할 수 있다. The Ce x Sm 1-x O 2-δ and the Sm y Sr 1 -y Cu z Fe 1 -z O 3 -δ are present in a weight ratio of 5: 5 to 9: 1, preferably 6: 4 to 7: 3 Mixed in a weight ratio; When the weight ratio is out of the above range, the carbon dioxide resistance and the oxygen permeability may be reduced.

본 발명의 이산화탄소 내성을 갖는 산소 분리용 듀얼상 중공사막은 도넛형 기둥 형태, 즉 기둥의 가운데가 관통되어 있는 형태로서, 내경이 0.3 내지 0.9 mm, 바람직하게는 0.7 내지 0.9 mm이며; 외경이 1.1 내지 1.7 mm, 바람직하게는 1.3 내지 1.5 mm이다. 중공사막의 형태가 도넛형 기둥 형태이면서 외경 및 내경이 상기 범위를 만족하면 더욱 안정한 산소투과도를 보이며 이산화탄소 분위에서 산소를 더욱 용이하게 분리시킬 수 있다.
The dual-phase hollow fiber membrane for oxygen separation according to the present invention having a toroidal columnar shape, that is, a shape having a center of a column penetrated, has an inner diameter of 0.3 to 0.9 mm, preferably 0.7 to 0.9 mm; And an outer diameter of 1.1 to 1.7 mm, preferably 1.3 to 1.5 mm. When the shape of the hollow fiber membrane is a toroidal column shape and the outer diameter and inner diameter satisfy the above range, more stable oxygen permeability is shown and oxygen can be more easily separated from the carbon dioxide zone.

또한, 본 발명은 이산화탄소 내성을 갖는 산소 분리용 듀얼상 중공사막의 제조방법을 제공한다.The present invention also provides a method for producing a dual phase hollow fiber membrane for oxygen separation having carbon dioxide resistance.

본 발명의 이산화탄소 내성을 갖는 산소 분리용 듀얼상 중공사막의 제조방법은 (A) 고분자 바인더 및 유기용매를 혼합하여 고분자 용액을 제조하는 단계; (B) CexSm1-xO2-δ 조성(0≤x≤1)을 갖는 분말과 SmySr1-yCuzFe1-zO3-δ 조성(0.1≤y≤0.5 및 0.1≤z≤0.3)을 갖는 분말을 혼합하여 혼합분말을 제조하는 단계; (C) 상기 고분자 용액에 상기 혼합분말 및 가소제를 첨가하여 도프용액을 제조하는 단계; (D) 상기 도프용액을 내부응고제와 함께 이중 방사노즐로 공급 및 토출하여 중공사를 형성하는 단계; 및 (E) 상기 중공사를 외부응고제와 접촉시켜 상전이 과정을 거친 후 세정, 건조 및 소결시켜 중공사막을 얻는 단계;를 포함한다.The present invention provides a method for producing a dual phase hollow fiber membrane for oxygen separation having carbon dioxide resistance, comprising the steps of: (A) preparing a polymer solution by mixing a polymer binder and an organic solvent; (B) Ce x Sm 1-x O 2-δ composition (0 ≦ x1 ) and a composition Sm y Sr 1 -y Cu z Fe 1 -z O 3-δ (0.1≤y≤0.5 and 0.1 Lt; / = z &lt; / = 0.3) to prepare a mixed powder; (C) adding the mixed powder and the plasticizer to the polymer solution to prepare a dope solution; (D) feeding and discharging the dope solution with a double spinning nozzle together with an internal coagulant to form a hollow fiber; And (E) contacting the hollow fiber with an external coagulant, passing through a phase transition process, and washing, drying and sintering the fiber to obtain a hollow fiber membrane.

먼저, 상기 (A)단계에서는 고분자 바인더 및 유기용매를 혼합하여 고분자 용액을 제조한다.First, in the step (A), a polymer solution is prepared by mixing a polymer binder and an organic solvent.

상기 고분자 바인더는 CexSm1-xO2-δ 분말 입자와 SmySr1-yCuzFe1-zO3-δ 분말 입자를 결합시키는 것으로서, 구체적으로는 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리에테르이미드, 폴리아미드 및 폴리아크릴로니트릴로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 들 수 있으며, 바람직하게는 폴리에테르이미드를 들 수 있다.The polymer binder binds Ce x Sm 1-x O 2-δ powder particles and Sm y Sr 1 -y Cu z Fe 1 -z O 3 -δ powder particles, and specifically includes polysulfone, polyether sulfone, Polyetherimide, polyamide, and polyacrylonitrile. Of these, polyetherimide is preferably used.

상기 고분자 바인더는 총 도프용액 내에 5 내지 15 중량%, 바람직하게는 7 내지 10 중량%로 함유된다. 고분자 바인더의 함량이 상기 하한치 미만인 경우에는 CexSm1-xO2-δ 분말 입자와 SmySr1-yCuzFe1-zO3-δ 분말 입자가 결합될 수 없으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 다른 물질의 함량이 줄어들어 원하는 효과를 얻지 못할 수 있다.The polymer binder is contained in the total dope solution in an amount of 5 to 15% by weight, preferably 7 to 10% by weight. When the content of the polymeric binder is less than the lower limit value, the Ce x Sm 1-x O 2-δ powder particles and the Sm y Sr 1 -y Cu z Fe 1 -z O 3 -δ powder particles can not be combined, , The content of other substances may be reduced and the desired effect may not be obtained.

또한, 상기 유기용매는 상기 고분자 바인더를 용해시킬 수 있는 것으로서, 극성 비양성자성 용매(polar aprotic solvent) 계열의 N-메틸피롤리돈(NMP), 디메틸포름아미드(DMF), 디메틸아세트아미드(DMAc) 및 디메틸술폭시드(DMSO)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 들 수 있으며, 바람직하게는 N-메틸피롤리돈(NMP)을 들 수 있다.The organic solvent may dissolve the polymer binder, and may be polar aprotic solvent such as N-methylpyrrolidone (NMP), dimethylformamide (DMF), dimethylacetamide (DMAc ), And dimethylsulfoxide (DMSO). Among these, N-methylpyrrolidone (NMP) is preferably used.

상기 유기용매는 총 도프용액 내에 25 내지 40 중량%, 바람직하게는 30 내지 35 중량%로 함유된다.The organic solvent is contained in the total dope solution in an amount of 25 to 40% by weight, preferably 30 to 35% by weight.

다음으로, 상기 (B)단계에서는 CexSm1-xO2-δ 조성(0≤x≤1)을 갖는 분말과 SmySr1-yCuzFe1-zO3-δ 조성(0.1≤y≤0.5 및 0.1≤z≤0.3)을 갖는 분말을 혼합하여 혼합분말을 제조한다.Next, in the step (B), a composition having a composition of Ce x Sm 1 -x O 2 -δ (0 ? X ? 1) and a composition Sm y Sr 1 -y Cu z Fe 1 -z O 3- ? Y? 0.5 and 0.1? Z? 0.3) are mixed to prepare a mixed powder.

상기 혼합분말은 총 도프용액 내에 50 내지 69 중량%, 바람직하게는 55 내지 65 중량%, 더욱 바람직하게는 60 내지 62 중량%이다. 혼합분말이 함유되는 함량이 상기 하한치 미만인 경우에는 중공사막의 이산화탄소 내성이 저하되고 안정한 산소투과도를 보이지 않을 수 있으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 안정한 산소투과도를 보이지 않고 이산화탄소 분위에서 산소를 용이하게 분리할 수 없다. The mixed powder is contained in the total dope solution in an amount of 50 to 69% by weight, preferably 55 to 65% by weight, more preferably 60 to 62% by weight. When the content of the mixed powder is less than the lower limit value, the carbon dioxide resistance of the hollow fiber membrane is lowered and stable oxygen permeability may not be exhibited. When the content exceeds the upper limit value, oxygen is easily separated from the carbon dioxide I can not.

다음으로, 상기 (C)단계에서는 상기 고분자 용액에 상기 혼합분말 및 가소제를 첨가하여 도프용액을 제조한다.Next, in the step (C), the mixed powder and the plasticizer are added to the polymer solution to prepare a dope solution.

상기 가소제는 열가소성을 증대시키는 물질로서, 폴리비닐피롤리돈 또는 폴리비닐알코올을 들 수 있다.The plasticizer is a material for increasing thermoplasticity, and examples thereof include polyvinyl pyrrolidone and polyvinyl alcohol.

상기 가소제는 총 도프용액 내에 0.1 내지 5 중량%, 바람직하게는 0.5 내지 1 중량%로 함유된다. 가소제의 함량이 상기 범위를 벗어나는 경우에는 성형가공이 용이하지 않을 수 있다.The plasticizer is contained in the total dope solution in an amount of 0.1 to 5% by weight, preferably 0.5 to 1% by weight. When the content of the plasticizer is out of the above range, the molding process may not be easy.

다음으로, 상기 (D)단계에서는 상기 도프용액을 내부응고제와 함께 이중 방사노즐로 공급 및 토출하여 중공사를 형성한다. Next, in the step (D), the dope solution is supplied and discharged with a double spinning nozzle together with an internal coagulant to form a hollow fiber.

외내경을 갖는 이중 방사노즐에 상기 도프용액이 공급되도록 한 다음 토출하여 중공사를 형성한다.The dope solution is supplied to a double spinning nozzle having an outer diameter and then ejected to form a hollow fiber.

이때, 내부응고제는 물, 바람직하게는 증류수이다.At this time, the internal coagulant is water, preferably distilled water.

다음으로, 상기 (E)단계에서는 상기 중공사를 외부응고제와 접촉시켜 상전이 과정을 거친 후 세정, 건조 및 소결시켜 중공사막을 얻는다. Next, in the step (E), the hollow fiber is contacted with an external coagulant and subjected to phase transformation, followed by washing, drying and sintering to obtain a hollow fiber membrane.

상기 내부응고제 및 외부응고제로 물을 사용하는 것이 중공사 형성 및 상전이 과정을 거치는 동안 용매-비용매의 상호교환에 의하여 비대칭 구조의 다공성막을 용이하게 얻을 수 있다.The use of water as the internal coagulant and external coagulant facilitates the asymmetric porous membrane by interchanging the solvent-non-solvent during the formation of the hollow fiber and the phase transition.

상기 상전이된 중공사는 100 내지 150 ℃의 T1 온도에서 오븐으로 건조시킨 후 상기 T1에서 0.5 내지 2 ℃/min의 승온속도로 가열하여 1100 내지 1200 ℃의 T2 온도에서 소결시킨다.The phase-transformed hollow fiber is dried in an oven at a T1 temperature of 100 to 150 ° C and then sintered at a temperature of 1100 to 1200 ° C at a temperature elevation rate of 0.5 to 2 ° C / min at T1.

건조 온도가 상기 하한치 미만인 경우에는 수분을 제거하기 위한 시간소요가 증가하며, 상기 상한치 초과인 경우에는 고분자의 변성이 발생할 수 있다. 또한, 소결온도가 상기 하한치 미만인 경우에는 중공사막의 강도가 저하될 수 있으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 산소투과도가 감소하며 에너지 비용만 더 소요될 수 있다. 상기 승온 속도로 승온을 시켜야 도넛형 기둥 형태의 내경이 0.3 내지 0.9 mm, 외경이 1.1 내지 1.7 mm인 중공사막을 수득할 수 있다.
When the drying temperature is lower than the lower limit, the time required to remove moisture increases, and when the drying temperature is higher than the upper limit, denaturation of the polymer may occur. If the sintering temperature is lower than the lower limit value, the strength of the hollow fiber membrane may be lowered. If the sintering temperature is higher than the upper limit value, the oxygen permeability may be decreased and the energy cost may be further increased. It is possible to obtain a hollow fiber membrane having an inner diameter in the form of a toroidal column of 0.3 to 0.9 mm and an outer diameter of 1.1 to 1.7 mm by raising the temperature at the heating rate.

또한, 본 발명에서는 이산화탄소 내성을 갖는 산소 분리용 듀얼상 중공사막을 포함하는 막 모듈을 제공하며, 이러한 막 모듈을 이용하여 중공사막 접촉장치에 적용함으로써 이산화탄소 분위기에서의 산소를 분리시킬 수 있다.
In addition, the present invention provides a membrane module including a dual-phase hollow fiber membrane for oxygen separation having carbon dioxide resistance. By applying the membrane module to a hollow fiber membrane contact apparatus, oxygen can be separated in a carbon dioxide atmosphere.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the present invention. Such variations and modifications are intended to be within the scope of the appended claims.

실시예 1. CeExample 1. Ce 0.80.8 SmSm 0.20.2 OO 22 -Sm-Sm 0.30.3 SrSr 0.70.7 CuCu zz FeFe 0.80.8 OO 3-δ 3-delta 조성을 갖는 중공사막의 제조Preparation of Hollow Fiber Membrane Having Composition

고분자 바인더로 폴리에테르이미드(PEI, Aldrich, USA)와 용매인 N-메틸피롤리돈(NMP 99.5%, Samchun, Korea)을 각각 7.78 중량%, 31.12 중량%로 혼합하여 상온에서 300 rpm의 속도로 24시간 동안 교반함으로써 고분자 용액을 제조하였다. Ce0.8Sm0.2O2-δ(SDC)분말과 Sm0.3Sr0.7CuzFe0.8O3-δ(SSCF3728) 분말을 6:4의 중량비로 혼합하여 혼합분말을 제조한 후 SDC-SSCF3728 혼합분말 60.52 중량% 및 폴리비닐피롤리돈(PVP, average mol wt 40,000, Aldrich, USA) 0.58 중량%를 상기 고분자 용액에 첨가하여 상온에서 24시간 동안 150 rpm의 속도로 교반함으로써 도프용액(Dope solution)을 제조하였다. Polyetherimide (PEI, Aldrich, USA) and N-methylpyrrolidone (NMP 99.5%, Samchun, Korea) as a polymer binder were mixed at a rate of 7.78 wt% and 31.12 wt%, respectively, Followed by stirring for 24 hours to prepare a polymer solution. Ce 0.8 Sm 0.2 O 2-δ (SDC) powder and Sm 0.3 Sr 0.7 Cu z Fe 0.8 O 3-δ (SSCF3728) Powder 6: After preparing a mixed powder by mixing in a weight ratio of 4 SDC-SSCF3728 mixed powder 60.52 And 0.58 wt% of polyvinylpyrrolidone (PVP, average mol wt 40,000, Aldrich, USA) were added to the polymer solution and stirred at a rate of 150 rpm at room temperature for 24 hours to prepare a Dope solution Respectively.

교반이 종료된 후 12시간(overnight) 동안 방치하여 도프용액안의 잔류 기포를 제거한 다음 상기 도프용액을 저장소(dope solution reservoir)에 담은 후 0.5 bar의 계기압력으로 질소를 공급하였다. 상기 압력을 이용하여 상기 도프용액을 이중 방사노즐로 공급하고, 상기 도프용액을 이중 방사노즐의 바깥쪽 노즐을 통해서 토출시키며, 이중 방사노즐의 안쪽으로는 내부응고제인 증류수를 시린지(syringe) 펌프를 통하여 10 ml/min의 유량으로 공급시킴으로써 내부응고제와 도프용액 간의 상전이가 시작되어 중공사를 형성한다. 상기 형성된 중공사를 외부응고제인 수돗물(Tap water)과 24시간 동안 접촉시켜 상전이(Phase inversion)시킨다. 상전이된 중공사를 120 ℃의 오븐에서 12시간(overnight) 동안 건조시킨 후 1 ℃/min의 승온속도로 1150 ℃에서 소결하여 중공사막을 수득하였다.After stirring was completed, the solution was allowed to stand for 12 hours (overnight) to remove residual bubbles in the dope solution. Then, the dope solution was immersed in a dope solution reservoir and supplied with nitrogen at a gauge pressure of 0.5 bar. The dope solution is supplied to the double spinning nozzle by using the pressure, the dope solution is discharged through the outer nozzle of the double spinning nozzle, the distilled water which is an internal coagulating agent is injected into the spinning nozzle through a syringe pump At a flow rate of 10 ml / min, a phase transition starts between the internal coagulant and the dope solution to form a hollow fiber. The formed hollow fiber is in phase contact with tap water (tap water) which is an external coagulant for 24 hours. The phase-transformed hollow fiber was dried in an oven at 120 ° C. for 12 hours and then sintered at a heating rate of 1 ° C./min at 1150 ° C. to obtain a hollow fiber membrane.

이때, Air gap은 2 cm로 유지하였으며, 3.0 mm(외경), 1.2 mm(내경)의 외·내경을 갖는 방사용 노즐(Spinneret, Sepratek, Korea)을 사용하였다.
At this time, the air gap was maintained at 2 cm, and a nozzle (Spinneret, Sepratek, Korea) having outer and inner diameters of 3.0 mm (outer diameter) and 1.2 mm (inner diameter) was used.

<시험예><Test Example>

시험예 1. SEM 측정Test Example 1. SEM measurement

도 1a는 실시예 1에 따라 제조된 중공사막의 전체 모습을 SEM으로 촬영한 사진이며, 도 1b는 실시예 1에 따라 제조된 중공사막의 단면을 SEM으로 촬영한 사진이고, 도 1c는 실시예 1에 따라 제조된 중공사막의 내부 표면(관통구쪽 내부면)을 SEM으로 촬영한 사진이며, 도 1d는 실시예 1에 따라 제조된 중공사막의 외부 표면(밖으로 노출된 면)을 SEM으로 촬영한 사진이다.FIG. 1B is a SEM photograph of the cross section of the hollow fiber membrane produced according to Example 1, FIG. 1C is a cross-sectional view of the hollow fiber membrane according to Example 1 1D is a SEM image of the outer surface (exposed surface) of the hollow fiber membrane produced according to Example 1, and FIG. 1D is a photograph of the inner surface of the hollow fiber membrane manufactured according to Example 1 It is a photograph.

상기 SEM(FE-SEM, S-4800, HITACHI, Japan) 분석은 중공사막의 두께 및 구조, 중공사막의 치밀성을 확인하기 위함이다.The above SEM (FE-SEM, S-4800, HITACHI, Japan) analysis is for checking the thickness and structure of the hollow fiber membrane and the compactness of the hollow fiber membrane.

도 1a 내지 도 1d에 도시된 바와 같이, 소결 후에 중공사막의 형태가 도넛형 기둥 형태이며, 외경 및 내경이 각각 1.367 mm 및 0.7229 mm인 것을 확인하였다. 또한, 중공사막의 외부 및 내부 표면은 모두 결정립계(grain boundary)를 갖는 치밀한 구조인 것을 확인하였다.
As shown in FIGS. 1A to 1D, it was confirmed that the hollow fiber membrane was in the form of a toroidal column after sintering, and the outer diameter and the inner diameter were 1.367 mm and 0.7229 mm, respectively. Further, it was confirmed that the outer and inner surfaces of the hollow fiber membrane were all dense structures having grain boundaries.

시험예 2. X-선 회절분석기(XRD) 측정Test Example 2. X-ray diffractometer (XRD) measurement

도 2는 실시예 1에 따라 제조된 중공사막을 XRD(Rigaku Dmax-2500pc, USA)로 측정한 그래프이다.FIG. 2 is a graph showing the XRD (Rigaku Dmax-2500pc, USA) measurement of the hollow fiber membrane produced according to Example 1. FIG.

도 2에 도시된 바와 같이, 중공사막의 결정 구조를 살펴본 결과, 실시예 1의 중공사막은 Ce0.8Sm0.2O2-δ(SDC, fluorite phase)상과 Sm0.3Sr0.7CuzFe0.8O3-δ(SSCF3728, perovskite phase)상만 존재하는 것을 확인하였다.As shown in FIG. 2, the hollow fiber membrane of Example 1 was found to have a Ce 0.8 Sm 0.2 O 2 -δ (SDC, fluorite phase) phase and a Sm 0.3 Sr 0.7 Cu z Fe 0.8 O 3 -δ (SSCF3728, perovskite phase).

상기 X-선은 40 kV, 200 mA의 CuKα선으로 주사범위(2θ)는 0.02 간격으로 20o∼80o로 측정하였다.
The X-ray was measured with a CuKα line of 40 kV and 200 mA, and the scanning range (2θ) was measured at 20 ° to 80 ° with an interval of 0.02.

시험예 3. 산소 투과 실험Test Example 3. Oxygen permeation experiment

도 3은 중공사막 산소투과 실험장치의 모식도이다.3 is a schematic diagram of a hollow fiber membrane oxygen permeation experiment apparatus.

도 3에 도시된 바와 같이, 모사 공기로 사용되기 위한 산소, 질소는 가스봄베에서 일정한 압력으로 mass flow meter에 공급된다. 산소 농도 21 부피%, 100 ml/min의 유량으로 산소 투과 장치에 공급된다. 마찬가지로 He 또는 CO2는 스윕가스로 공급되며 스윕가스 라인을 통해 투과된 기체는 가스크로마토그래피(Agilent, Gas chromatography 7890A, USA)로 들어가게 되며 TCD(Thermal conductivity detector)를 통해 기체의 성분을 검출한다. 투과 실험 장치의 공급, 스윕가스 라인의 압력은 압력 센서(A-10, WIKA, Korea)를 압력 인디케이터로 출력된다. As shown in FIG. 3, oxygen and nitrogen for use as simulated air are supplied to the mass flow meter at a constant pressure in the gas cylinder. And an oxygen concentration of 21% by volume and a flow rate of 100 ml / min. Similarly, He or CO 2 is supplied as a sweep gas, and the gas permeated through the sweep gas line enters a gas chromatograph (Agilent, Gas chromatography 7890A, USA) and detects gas components through a TCD (Thermal conductivity detector). The pressure of the sweep gas line, the supply of the permeation experiment device, and the pressure sensor (A-10, WIKA, Korea) are output to the pressure indicator.

실시예 1의 중공사막은 진공 피팅(Ultra torr fitting, Swagelok, USA)이 달린 석영관(10.5 x 12.75 x 300 mm, HANJIN QUARTZ, Korea) 안에 위치하게 되며 중공사막의 양끝을 1/8 in SUS(Hylok, Korea)관에 연결시킨 후 세라믹 본드(Aron ceramic D-5, TOAGOSEI CHEMICAL, Japan)를 이용하여 밀봉하였다. 밀봉이 끝난 중공사막은 전기로(80 x 240 x 100 mm, DAIHAN Scientific, Korea)안에 위치시켰으며 1 ℃/min의 승온 속도로 950 ℃의 온도까지 가열한 후 치밀성 실험을 진행하였다. 치밀성 실험은 공급 및 스윕가스로 질소, 헬륨을 각각 100, 10 ml/min으로 공급하면서 투과된 기체의 성분을 GC로 분석하였다. 분석결과 투과된 기체의 질소 분율이 0.5% 이하로 측정되면 산소 투과 실험 장치 및 중공사막의 밀봉 부위에 leak가 없다고 판단하였다.The hollow fiber membrane of Example 1 was placed in a quartz tube (10.5 x 12.75 x 300 mm, HANJIN QUARTZ, Korea) equipped with a vacuum fitting (Ultra Torr fitting, Swagelok, USA) Hylok, Korea) and then sealed with a ceramic bond (Aron ceramic D-5, TOAGOSEI CHEMICAL, Japan). The sealed hollow fiber membrane was placed in an electric furnace (80 × 240 × 100 mm, DAIHAN Scientific, Korea) and heated to 950 ° C. at a heating rate of 1 ° C./min. In the compactness test, the components of the permeated gas were analyzed by GC while nitrogen and helium were supplied at 100 and 10 ml / min, respectively, as feed and sweep gas. As a result of the analysis, when the nitrogen fraction of the permeated gas was measured to be less than 0.5%, it was judged that there was no leak in the oxygen permeation test apparatus and the sealing portion of the hollow fiber membrane.

도 4는 모사공기 100 ml/min, 스윕가스(He 또는 CO2) 50 ml/min 조건에서 온도에 따른 실시예 1 중공사막의 산소 투과도를 나타낸 그래프이다. 4 is a graph showing the oxygen permeability of the hollow fiber membrane of Example 1 according to the temperature at a simulated air flow of 100 ml / min and a sweep gas (He or CO 2 ) of 50 ml / min.

산소 투과도와 산소 투과도 감소율은는 각각 하기 [수학식 1] 및 [수학식 2]로 계산되었다.The oxygen permeability and the oxygen permeability reduction rate were calculated by the following equations (1) and (2), respectively.

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

[수학식 2]&Quot; (2) &quot;

Figure pat00002
Figure pat00002

상기 수학식 1 및 2에서,

Figure pat00003
,
Figure pat00004
,
Figure pat00005
,
Figure pat00006
,
Figure pat00007
,
Figure pat00008
,
Figure pat00009
는 각각 산소 투과도, 스윕가스의 유량, 투과 기체 중 산소의 농도, 중공사막의 유효 투과 면적, 산소 투과도 감소율, He 스윕조건 또는 CO2 스윕조건에서 중공사막의 산소 투과도를 나타낸다. In the above equations (1) and (2)
Figure pat00003
,
Figure pat00004
,
Figure pat00005
,
Figure pat00006
,
Figure pat00007
,
Figure pat00008
,
Figure pat00009
Represent the oxygen permeability of the hollow fiber membrane in the oxygen permeability, the flow rate of the sweep gas, the oxygen concentration in the permeable gas, the effective permeable area of the hollow fiber membrane, the oxygen permeability reduction ratio, the He sweep condition or the CO 2 sweep condition.

도 4에 도시된 바와 같이, 온도가 증가함에 따라 산소 투과도는 증가하는 경향을 나타냈으며 He 스윕조건에서 1000 ℃일 때 최대 1.03 ml/minㅇcm2의 값을 보였으며, CO2 스윕조건에서 25.4% 감소한 0.77 ml/minㅇcm2의 값을 보이는 것을 확인하였다.
As shown in FIG. 4, the oxygen permeability tended to increase with increasing temperature. At 1000 ° C in the He sweep condition, the maximum value was 1.03 ml / min cm 2. In the CO 2 sweep condition, 25.4 %, Which is 0.77 ml / min ㅇ cm 2 .

또한, 공급 및 스윕가스를 각각 100 ml/min, 50 ml/min 주입하면서 950 ℃, 900 ℃의 설정온도에서 스윕가스 조성에 따라 산소 투과도의 변화도 살펴보았다. Also, the change of oxygen permeability was examined according to the sweep gas composition at a set temperature of 950 ° C and 900 ° C while feeding and sweeping gas were supplied at 100 ml / min and 50 ml / min, respectively.

도 5는 스윕가스 조성에 따른 산소투과도 결과를 나타낸 그래프이다.5 is a graph showing the results of oxygen permeability according to the sweep gas composition.

도 5에 도시된 바와 같이, CO2 스윕조건에서 투과도는 감소하였다가 다시 He 스윕조건으로 바꿔줄 경우 투과도는 이전의 투과도로 회복되는 것을 확인하였다. 이와 같은 결과가 나온 이유는 CO2 스윕조건에서 CO2 분자가 중공사막 표면에 흡착되면서 carbonate를 형성하였으며 다시 He 스윕조건으로 바꿔줄 경우 carbonate가 분해되면서 다시 산소 투과도를 회복한 것으로 보인다.
As shown in FIG. 5, when the permeability was reduced in the CO 2 sweep condition and then the He sweep condition was changed again, the permeability was restored to the previous permeability. The reason for this result is that CO 2 molecules are adsorbed on the surface of hollow fiber membrane in the CO 2 sweep condition to form carbonate, and if it is changed to He sweep condition again, the oxygen is recovered again after the decomposition of carbonate.

도 6은 설정 온도 950 ℃에서 CO2 유량에 따른 산소 투과도를 나타낸 그래프이다. 이는 투과된 기체 중 산소의 농도를 파악하기 위한 것이다.6 is a graph showing oxygen permeability according to CO 2 flow rate at a set temperature of 950 ° C. This is to understand the concentration of oxygen in the permeated gas.

도 6에 도시된 바와 같이, 스윕가스 유량이 증가함에 따라 산소 투과도 역시 증가하였지만 20 ml/min 이상의 유량에서는 증가하는 폭이 매우 낮으며 투과된 기체 중 산소 농도만 낮아지는 것을 확인하였다. As shown in FIG. 6, as the sweep gas flow rate increases, the oxygen permeability also increases, but at 20 ml / min or more, the increase width is very low and only the oxygen concentration in the permeated gas is lowered.

5 ml/min의 유량으로 스윕가스를 공급할 경우 10.4 부피%의 산소 농도를 얻을 수 있었지만 구동력인 산소 분압차이의 감소로 0.23 ml/min·cm2의 낮은 투과도를 나타내었다. 실제 순산소 연소 공정에서는 30 부피% 이상의 농도로 산소가 주입되어야하기 때문에 산소 농도를 높이는 연구가 필요하다.
When the sweep gas was supplied at a flow rate of 5 ml / min, the oxygen concentration of 10.4% by volume was obtained, but the permeability was 0.23 ml / min · cm 2 due to the reduction of the difference in the oxygen partial pressure. In actual oxy-fuel combustion process, oxygen must be injected at a concentration of 30% by volume or more.

도 7은 실시예 1에 따라 제조된 중공사막을 이용하여 스윕가스를 7일 동안 장기 투과한 그래프이다.7 is a graph showing a long-term transmission of a sweep gas for 7 days using the hollow fiber membrane produced according to Example 1. FIG.

도 7에 도시된 바와 같이, CO2 스윕조건에서 산소 투과도 감소율을 측정하였으며, 산소 투과도가 감소된 이후 일정하게 유지되는지 확인하였다. As shown in FIG. 7, the rate of decrease in oxygen permeability was measured under a CO 2 sweep condition, and it was confirmed that the oxygen permeability was kept constant after the decrease in oxygen permeability.

CO2 스윕조건에서 산소 투과도는 감소하였지만 일정하게 유지되는 것을 확인하였다. 따라서, 중공사막 표면에 carbonate가 형성되면서 산소 투과도가 감소하지만 중공사막 자체의 성능을 지속적으로 저하시키지는 않는 것을 확인하였다. It was confirmed that the oxygen permeability was decreased but kept constant under the CO 2 sweep condition. Therefore, it was confirmed that the formation of carbonate on the surface of the hollow fiber membrane resulted in a decrease in the oxygen permeability, but the continuous performance of the hollow fiber membrane itself was not deteriorated.

산소투과도 감소율은 온도가 낮아질수록 증가하는 경향을 나타내었으며 이는 carbonate가 900 ℃ 전후로 분해되기 때문에 온도가 낮을수록 carbonate 분해보다 형성되는 방향으로 평형점이 이동했다고 판단된다.
The rate of decrease of oxygen permeability showed a tendency to increase with decreasing temperature. It is considered that the equilibrium point shifted in the direction of forming carbonate rather than carbonate decomposition at lower temperature because carbonate decomposes to around 900 ℃.

시험예 4. 산소 투과 실험 후 SEM 측정Test Example 4. SEM Measurement after Oxygen Permeation Test

도 8a는 산소 투과 실험 후 실시예 1에 따라 제조된 중공사막의 내부 표면(관통구쪽 내부면)을 SEM으로 촬영한 사진이며, 도 8b는 산소 투과 실험 후 실시예 1에 따라 제조된 중공사막의 외부 표면(밖으로 노출된 면)을 SEM으로 촬영한 사진이다.FIG. 8A is a photograph of the inner surface (inner surface of the through hole) of the hollow fiber membrane produced according to Example 1 after the oxygen permeation test, and FIG. 8B is a photograph of the hollow fiber membrane prepared according to Example 1 after the oxygen permeation experiment. It is the SEM image of the outer surface (exposed surface).

도 9는 산소 투과 실험 후 실시예 1에 따라 제조된 중공사막을 EDX로 측정한 사진이다.FIG. 9 is a photograph of the hollow fiber membrane prepared according to Example 1 after the oxygen permeation test by EDX.

상기 SEM, EDX 분석의 실시 목적은 산소 투과 실험 전·후 중공사막 표면의 변화를 살펴보고 불순물이 생겼을 경우 Elemental mapping을 통해 carbonate 생성 여부를 확인하기 위함이다.The purpose of the SEM and EDX analysis was to examine the changes in the surface of the hollow fiber membrane before and after the oxygen permeation experiment and to confirm the formation of carbonate through elemental mapping when impurities were formed.

도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, 중공사막의 단면을 관찰한 결과, 내부표면에 불순물이 침적된 것을 확인하였다. 구체적으로, 산소 투과 실험 전·후의 중공사막의 내부 표면 및 외부 표면을 비교한 결과 내부 표면에서 톱니 이빨모양의 결정이 생성된 것을 확인하였다.
As shown in FIGS. 8A and 8B, the cross section of the hollow fiber membrane was observed, and it was confirmed that impurities were deposited on the inner surface. Specifically, the inner surface and the outer surface of the hollow fiber membrane before and after the oxygen permeation experiment were compared, and it was confirmed that tooth-like crystals were formed on the inner surface.

실시예 1의 중공사막 내부표면을 대상으로 Ce, Sr, C 원소에 대한 Elemental mapping을 실시하였으며, 이는 각각 Fluorite phase에 해당하는 SDC, perovskite phase에 해당하는 SSCF3728, carbonate를 관측하기 위함이다. Elemental mapping of the Ce, Sr, and C elements to the inner surface of the hollow fiber membrane of Example 1 was performed to observe the SDC corresponding to the fluorite phase and the SSCF3728 carbonate corresponding to the perovskite phase, respectively.

도 9에 도시된 바와 같이, Elemental mapping 결과에 따르면 C 원소는 Sr을 포함한 perovskite phase 위에서 검출되었다. 따라서, Ce이 포함된 fluorite phase는 CO2와 반응하지 않았으며 Sr을 포함한 SSCF3728만이 CO2와 반응하여 carbonate가 생성된 것으로 보인다. As shown in FIG. 9, according to the result of elemental mapping, element C was detected on the perovskite phase including Sr. Therefore, fluorite phase of Ce is included, only SSCF3728 including Sr was not reacted with CO 2 appears to be a carbonate is produced by reacting with CO 2.

Claims (15)

하기 화학식 1의 조성을 갖는 이산화탄소 내성을 갖는 산소 분리용 듀얼상 중공사막;
[화학식 1]
CexSm1 - xO2 -SmySr1 - yCuzFe1 - zO3
상기 화학식 1에서 0≤x≤1, 0≤y≤1 및 0≤z≤1임.
A dual phase hollow fiber membrane for oxygen separation having a composition of the following formula (1) having carbon dioxide resistance;
[Chemical Formula 1]
Ce x Sm 1 - x O 2 -δ -Sm y Sr 1 - y Cu z Fe 1 - z O 3 -δ
1? 0? Y? 1 and 0? Z? 1 in the above formula (1).
제1항에 있어서, 상기 화학식 1에서 0.7≤x≤0.9, 0.1≤y≤0.5 및 0.1≤z≤0.3인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 내성을 갖는 산소 분리용 듀얼상 중공사막.The dual-phase hollow fiber membrane for oxygen separation according to claim 1, wherein 0.7? X? 0.9, 0.1? Y? 0.5 and 0.1? Z? 0.3 in the formula (1). 제1항에 있어서, 상기 CexSm1-xO2-δ과 SmySr1-yCuzFe1-zO3-δ는 5:5 내지 9:1의 중량비로 혼합된 것을 특징으로 하는 이산화탄소 내성을 갖는 산소 분리용 듀얼상 중공사막.The method according to claim 1, wherein Ce x Sm 1-x O 2-δ and Sm y Sr 1 -y Cu z Fe 1 -z O 3-δ are mixed in a weight ratio of 5: 5 to 9: 1 A dual-phase hollow fiber membrane for oxygen separation having carbon dioxide resistance. 제1항에 있어서, 상기 이산화탄소 내성을 갖는 산소 분리용 듀얼상 중공사막은 내경이 0.3 내지 0.9 mm이며, 외경이 1.1 내지 1.7 mm인 도넛형 기둥 형태인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 내성을 갖는 산소 분리용 듀얼상 중공사막.The dual-phase hollow fiber membrane for oxygen separation according to claim 1, wherein the oxygen-separating dual-phase hollow fiber membrane has a toroidal columnar shape with an inner diameter of 0.3 to 0.9 mm and an outer diameter of 1.1 to 1.7 mm. Dual-phase hollow fiber desert. (A) 고분자 바인더 및 유기용매를 혼합하여 고분자 용액을 제조하는 단계;
(B) CexSm1 - xO2 조성(0≤x≤1)을 갖는 분말과 SmySr1 - yCuzFe1 - zO3 조성(0.1≤y≤0.5 및 0.1≤z≤0.3)을 갖는 분말을 혼합하여 혼합분말을 제조하는 단계;
(C) 상기 고분자 용액에 상기 혼합분말 및 가소제를 첨가하여 도프용액을 제조하는 단계;
(D) 상기 도프용액을 내부응고제와 함께 이중 방사노즐로 공급 및 토출하여 중공사를 형성하는 단계; 및
(E) 상기 중공사를 외부응고제와 접촉시켜 상전이 과정을 거친 후 세정, 건조 및 소결시켜 중공사막을 얻는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 내성을 갖는 산소 분리용 듀얼상 중공사막의 제조방법.
(A) mixing a polymer binder and an organic solvent to prepare a polymer solution;
(B) Ce x Sm 1 - x O 2 -δ powder having a composition (0≤x≤1) and Sm y Sr 1 - y Cu z Fe 1 - z O 3 -δ composition (0.1≤y≤0.5 and 0.1 Lt; / = z &lt; / = 0.3) to prepare a mixed powder;
(C) adding the mixed powder and the plasticizer to the polymer solution to prepare a dope solution;
(D) feeding and discharging the dope solution with a double spinning nozzle together with an internal coagulant to form a hollow fiber; And
(E) a step of contacting the hollow fiber with an external coagulant to obtain a hollow fiber membrane by washing, drying and sintering after a phase transition process, thereby producing a dual-phase hollow fiber membrane for oxygen separation having oxygen- .
제5항에 있어서, 상기 (A)단계에서 고분자 바인더는 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리에테르이미드, 폴리아미드 및 폴리아크릴로니트릴로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 내성을 갖는 산소 분리용 듀얼상 중공사막의 제조방법.The method according to claim 5, wherein the polymer binder in step (A) is at least one selected from the group consisting of polysulfone, polyethersulfone, polyetherimide, polyamide, and polyacrylonitrile. Wherein the separating dual phase hollow fiber membrane is formed by a method comprising the steps of: 제5항에 있어서, 상기 (A)단계에서 유기용매는 N-메틸피롤리돈(NMP), 디메틸포름아미드(DMF), 디메틸아세트아미드(DMAc) 및 디메틸술폭시드(DMSO)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 내성을 갖는 산소 분리용 듀얼상 중공사막의 제조방법.6. The method of claim 5, wherein the organic solvent is selected from the group consisting of N-methylpyrrolidone (NMP), dimethylformamide (DMF), dimethylacetamide (DMAc), and dimethylsulfoxide (DMSO) Wherein the at least one oxygen-separated dual-phase hollow fiber membrane has a carbon dioxide resistance. 제5항에 있어서, 상기 (B)단계에서 CexSm1 - xO2 조성(0≤x≤1)을 갖는 분말과 SmySr1-yCuzFe1-zO3-δ 조성(0.1≤y≤0.5 및 0.1≤z≤0.3)을 갖는 분말은 5:5 내지 9:1의 중량비로 혼합된 것을 특징으로 하는 이산화탄소 내성을 갖는 산소 분리용 듀얼상 중공사막의 제조방법.6. The method of claim 5, wherein in step (B), a powder having a composition Ce x Sm 1 -x O 2 (0 ? X ? 1) and a powder Sm y Sr 1 -y Cu z Fe 1 -z O 3- Wherein the powders having the composition (0.1? Y? 0.5 and 0.1? Z? 0.3) are mixed at a weight ratio of 5: 5 to 9: 1. 제5항에 있어서, 상기 (B)단계에서 혼합분말은 50 내지 69 중량%로 함유된 것을 특징으로 하는 이산화탄소 내성을 갖는 산소 분리용 듀얼상 중공사막의 제조방법.[6] The method according to claim 5, wherein the mixed powder is contained in an amount of 50 to 69% by weight in the step (B). 제5항에 있어서, 상기 (C)단계에서 가소제는 폴리비닐피롤리돈 또는 폴리비닐알코올인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 내성을 갖는 산소 분리용 듀얼상 중공사막의 제조방법.[6] The method of claim 5, wherein the plasticizer in step (C) is polyvinylpyrrolidone or polyvinyl alcohol. 제5항에 있어서, 상기 (D)단계에서 내부응고제는 물인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 내성을 갖는 산소 분리용 듀얼상 중공사막의 제조방법.[6] The method of claim 5, wherein the internal coagulant is water in step (D). 제5항에 있어서, 상기 (E)단계에서 외부응고제는 물인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 내성을 갖는 산소 분리용 듀얼상 중공사막의 제조방법.6. The method according to claim 5, wherein the external coagulant is water in step (E). 제5항에 있어서, 상기 (E)단계에서 상전이된 중공사를 T1의 온도에서 건조시킨 후 상기 T1에서 0.5 내지 2 ℃/min의 승온속도로 가열하여 T2의 온도에서 소결시키며,
상기 T1의 온도는 100 내지 150 ℃이고 상기 T2의 온도는 1100 내지 1200 ℃인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 내성을 갖는 산소 분리용 듀얼상 중공사막의 제조방법.
[6] The method of claim 5, wherein the hollow fiber phase transformed in step (E) is dried at a temperature of T1, heated at a rate of 0.5 to 2 [deg.] C / min at T1 and sintered at a temperature of T2,
Wherein the temperature of T1 is 100 to 150 ° C and the temperature of T2 is 1100 to 1200 ° C.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 이산화탄소 내성을 갖는 산소 분리용 듀얼상 중공사막을 포함하는 막 모듈.5. A membrane module comprising the dual-phase hollow fiber membrane for oxygen separation according to any one of claims 1 to 4 having a carbon dioxide tolerance. 제14항에 따른 막 모듈을 포함하는 중공사막 접촉장치.A hollow fiber membrane contact device comprising a membrane module according to claim 14.
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