KR20180136609A - Gas separation membrane and method for fabricating thereof - Google Patents

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Abstract

Disclosed are a gas separation membrane and a production method thereof. According to one embodiment of the present invention, the gas separation membrane contains a support, and a coating layer coated thereon, wherein the coating layer comprises a polymer having a structure in which the monomers represented by chemical formula 1 are repeatedly linked. In the chemical formula 1, p is a real number greater than 0 and less than 1, and A is N-alkoxymethyl.

Description

기체분리막 및 그 제조 방법{GAS SEPARATION MEMBRANE AND METHOD FOR FABRICATING THEREOF}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to gas separation membranes,

본 발명은 기체분리막 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 폴리에테르블럭아마이드(PEBAX)의 아마이드 블럭(amide block) 내 수소가 N-알콕시메틸(N-alkoxymethyl)로 치환된 개질 PEBAX(modified PEBAX)로 이루어진 코팅층을 가진 기체분리막 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a gas separation membrane and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a gas separation membrane and a method of manufacturing the same, which comprises a modified PEBAX in which hydrogen in an amide block of polyether block amide (PEBAX) is substituted with N-alkoxymethyl And more particularly, to a gas separation membrane having a coating layer and a method of manufacturing the same.

기체분리막(gas separation membrane)은 기체의 선택적 분리를 위한 고분자 분리막으로서, 수소의 회수 및 정제, 탄산가스의 회수 및 정제, 공기 중의 산소와 질소의 분리 등 다양한 용도로 사용되고 있으며 앞으로도 폭넓은 응용이 기대되고 있다.The gas separation membrane is a polymer separation membrane for selective separation of gas. It is used for various purposes such as recovery and purification of hydrogen, recovery and purification of carbon dioxide gas, separation of oxygen and nitrogen in the air, .

이러한 기체분리막을 이용하여 원하는 기체를 선택적으로 분리해내는 분리막 공정 기술은 다른 기체 분리 기술들에 비해 에너지 소비 측면에서 매우 유리하기 때문에 환경 친화적인 기술로 평가되고 있다. 또한 시설 규모에 대한 확장 변경 또는 축소 변경을 유동적으로 할 수 있기 때문에 사용의 용이성이 크다는 장점도 있다.Membrane process technology that selectively separates the desired gas using the gas separation membrane is evaluated as an environmentally friendly technology because it is very advantageous in terms of energy consumption compared with other gas separation technologies. In addition, there is also an advantage that it is easy to use because it can flexibly change the scale of expansion or reduction of the scale of the facility.

기체분리막으로서 중공사막(hollow fiber membrane)이 일반적으로 사용되어지고 있다. 중공사막은 내부 중공을 가진 가느다란 실 형태의 막으로서, 안팎의 스킨층을 통하여 선택적으로 원하는 기체를 분리하는 역할을 하며, 공간 대비 표면적이 높기 때문에 다른 유형의 기체분리막들보다 중용되고 있다. As a gas separation membrane, a hollow fiber membrane is generally used. The hollow fiber membrane is a thin, threadlike membrane with an inner hollow, which selectively separates the desired gas through the inner and outer skin layers, and is more important than other types of gas separation membranes because of its high surface area.

기체혼합물을 분리하기 위하여 사용되는 기체분리막의 분리 효율의 성능을 가늠하기 위해 투과도(permeability) 및 선택도(selectivity)라는 두 가지 지표가 일반적으로 사용되는데, 통상의 투과 메카니즘에 있어서 투과도는 용해도와 확산도의 값과 비례하고 선택도는 투과도의 값과 반비례한다.Two indicators are commonly used to determine the separation efficiency of the gas separation membrane used to separate the gas mixture: permeability and selectivity. In a typical permeation mechanism, the permeability is determined by the solubility and diffusivity And the selectivity is inversely proportional to the value of the transmittance.

투과도와 선택도 사이에서 나타나는 이러한 트레이트 오프(trade-off) 현상을 개선하기 위하여 많은 연구가 진행 중이며 현재도 지속적인 이슈 사항으로 자리잡고 있다.Many studies are underway to improve the trade-off phenomenon between transmittance and selectivity, and they are still ongoing issues.

기체분리막의 분리 성능을 개선하기 위해 분리막의 지지체 상에 얇은 코팅층을 입히는 방법이 있다. 이러한 방법에 따르면, 코팅층 자체에서 높은 분리율을 나타내므로 선택도 측면에서는 유리함이 있는 반면 투과도 측면에서는 오히려 불리한 결과를 낳는 것으로 확인되고 있다.In order to improve the separation performance of the gas separation membrane, there is a method of applying a thin coating layer on the support of the separation membrane. According to this method, since the coating layer itself exhibits a high separation rate, it is advantageous in terms of selectivity but has disadvantageous results in terms of transparency.

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 감안하여 도출된 것으로서, 선택도와 투과도 모두를 만족시키는 기체분리막을 제공하는 데 주된 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the problems of the prior art described above, and its main object is to provide a gas separation membrane that satisfies both selectivity and transparency.

본 발명은, 지지체 및 그 위에 코팅된 코팅층을 포함하는 기체분리막으로서, 상기 코팅층이 화학식 1의 단위체가 반복 연결된 구조의 고분자를 포함하는 기체분리막을 제공한다.The present invention provides a gas separation membrane comprising a support and a coating layer coated thereon, wherein the coating layer comprises a polymer having a structure in which the monomers of formula (1) are repeatedly linked.

[화학식 1][Chemical Formula 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

상기 화학식 1에서 p는 0보다 크고 1보다 작은 실수이고, A는 N-알콕시메틸(N-alkoxymethyl)이다.In Formula 1, p is a real number greater than 0 and less than 1, and A is N-alkoxymethyl.

상기 N-알콕시메틸은 메톡시메틸(methoxymethyl), 에톡시메틸(ethoxymethyl), 프로폭시메틸(propoxymethyl), 또는 부톡시메틸(butoxymethyl)일 수 있다.The N-alkoxymethyl may be methoxymethyl, ethoxymethyl, propoxymethyl, or butoxymethyl. The term " alkoxymethyl "

상기 코팅층의 두께는 0.1 내지 2.0 ㎛ 일 수 있다.The thickness of the coating layer may be 0.1 to 2.0 탆.

상기 지지체는 폴리에테르이미드, 폴리설폰, 폴리에테르설폰, 폴리비닐리덴플루오라이드 및 폴리이미드 중 어느 하나의 고분자로 이루어진 고분자 지지체이거나, 금속 다공성 지지체이거나, 세라믹 다공성 지지체일 수 있다.The support may be a polymeric support made of any one of polyetherimide, polysulfone, polyethersulfone, polyvinylidene fluoride, and polyimide, a metal porous support, or a ceramic porous support.

상기 기체분리막은 중공사 분리막일 수 있다.The gas separation membrane may be a hollow fiber membrane.

본 발명은 또한, 다수의 중공사막; 및 상기 다수의 중공사막이 배열된 내부채널과, 상기 내부채널의 일단에 구비된 유입구, 상기 내부채널의 타단에 구비된 제1 배출구와, 상기 내부채널의 측면에 구비된 제2 배출구를 가진 하우징;을 포함하는 중공사막 모듈로서, 상기 중공사막이 전술한 실시예들 중 어느 하나의 실시예에 따른 기체분리막으로 구비된 중공사막 모듈을 제공한다.The present invention also provides a hollow fiber membrane, comprising: a plurality of hollow fiber membranes; And a housing having a plurality of hollow fibers arranged therein, an inlet provided at one end of the inner channel, a first outlet provided at the other end of the inner channel, and a second outlet provided at a side of the inner channel, The hollow fiber membrane module according to any one of the above-described embodiments, wherein the hollow fiber membrane is provided with a gas separation membrane according to any one of the above embodiments.

본 발명은 또한, (a) 지지체를 제공하는 단계; (b) 코팅액을 제공하는 단계; (c) 상기 지지체의 표면에 상기 코팅액을 코팅하는 단계; 및 (d) 기체분리막을 건조시키는 단계;를 포함하며, 상기 코팅액이 화학식 1로 표시되는 단위체가 반복 연결된 고분자를 포함하는 기체분리막 제조 방법을 제공한다.The present invention also provides a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: (a) providing a support; (b) providing a coating liquid; (c) coating the coating liquid on the surface of the support; And (d) drying the gas separation membrane, wherein the coating solution comprises a polymer in which the unit represented by the general formula (1) is repeatedly connected.

[화학식 1][Chemical Formula 1]

Figure pat00002
Figure pat00002

상기 화학식 1에서 p는 0보다 크고 1보다 작은 실수이고, A는 N-알콕시메틸(N-alkoxymethyl)이다.In Formula 1, p is a real number greater than 0 and less than 1, and A is N-alkoxymethyl.

상기 (b) 단계는, (b1) 상기 고분자를 생성하는 단계; 및 (b2) 상기 고분자를 용매에 혼합시켜 상기 코팅액을 만드는 단계;를 포함할 수 있다.The step (b) includes the steps of: (b1) generating the polymer; And (b2) mixing the polymer with a solvent to prepare the coating solution.

상기 용매로서는 물이 사용될 수 있다.As the solvent, water may be used.

상기 N-알콕시메틸은 메톡시메틸(methoxymethyl)일 수 있다.The N-alkoxymethyl may be methoxymethyl.

이때, 상기 (b1) 단계는, (b11) 화학식 2의 단위체가 반복 연결된 구조의 고분자를 개미산(formic acid)에 용해시켜 고분자 용액을 만드는 단계;The step (b1) may include the steps of: (b11) dissolving a polymer having a structure in which a unit of formula (2) is repeatedly linked in a formic acid to form a polymer solution;

[화학식 2](2)

Figure pat00003
Figure pat00003

(b12) 상기 단위체의 아마이드 블록 내 수소가 메톡시메틸(methoxymethyl)로 치환되도록 상기 고분자 용액에 헤미아세틸(hemiacetal)을 투입하여 반응시키는 단계; 및 (b13) 상기 고분자 용액에 침전유도제를 투입하여 상기 고분자 용액 내 고분자를 침전시키는 단계;를 포함할 수 있으며, 상기 화학식 2에서 p는 0보다 크고 1보다 작은 실수이다.(b12) introducing hemiacetal into the polymer solution so that the hydrogen in the amide block of the unit is substituted with methoxymethyl; And (b13) injecting a precipitation inducing agent into the polymer solution to precipitate the polymer in the polymer solution. In the formula (2), p is a real number greater than 0 and smaller than 1.

본 발명에 의하면, 아마이드 블록 내 수소가 N-알콕시메틸(N-alkoxymethyl)로 치환되도록 개질된 PABEX 고분자로 기체분리막의 코팅층을 형성함으로써 기체 분리 성능에 있어 종래와 같은 수준의 선택도를 발휘하면서도 기체 투과도가 월등하게 향상된 기체분리막을 제공할 수 있다.According to the present invention, by forming a coating layer of a gas separation membrane with a PABEX polymer modified so that hydrogen in the amide block is substituted with N-alkoxymethyl, a gas separation performance can be obtained, It is possible to provide a gas separation membrane with improved permeability.

또한 본 발명에 따른 개질 PABEX 고분자는 개질 전 고분자에 비해 용해성이 크게 향상되므로 코팅액 제조를 위한 용매로서 물과 같은 단일용매의 사용이 가능해지며 따라서 기존의 혼합용매 사용시 분리막의 지지체 안으로 코팅액이 침투되는 현상을 억제할 수 있으며 그에 따라 코팅층이 얇고 치밀하게 형성됨으로써 분리막의 기체 투과도가 크게 향상될 수 있다.Since the modified PABEX polymer according to the present invention has greatly improved solubility as compared with the pre-modified polymer, it is possible to use a single solvent such as water as a solvent for preparing a coating solution. Therefore, when a conventional mixed solvent is used, And thus the coating layer is formed thinly and densely, so that the gas permeability of the separation membrane can be greatly improved.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 중공사막 모듈을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 중공사막 모듈에 의한 기체 분리 메커니즘의 예를 보이는 개념도이다.
도 3은 PEBAX-1657 샘플 및 개질 PEBAX 샘플에 대해 FT-IR 분석을 수행한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 PEI 지지체 만으로 이루어진 중공사 분리막(분리막 Ⅰ), PEI 지지체와 PEBAX 코팅층으로 이루어진 중공사 분리막(분리막 Ⅱ), PEI 지지체와 개질 PEBAX 코팅층으로 이루어진 중공사 분리막(분리막 Ⅲ)에 대해 FE-SEM 단면 사진을 촬영한 결과를 보이는 것이다.
1 is a schematic view of a hollow fiber membrane module according to an embodiment of the present invention.
2 is a conceptual view showing an example of a gas separation mechanism by the hollow fiber membrane module of FIG.
Figure 3 is a graph showing the results of FT-IR analysis of PEBAX-1657 and modified PEBAX samples.
FIG. 4 is a schematic view showing a hollow fiber membrane (separator I) consisting of a PEI support alone, a hollow fiber membrane (membrane II) comprising a PEI support and a PEBAX coating layer, a hollow fiber membrane (membrane III) comprising a PEI support and a modified PEBAX coating layer, It shows the result of shooting a cross-sectional photograph.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. These examples are for further illustrating the present invention, and the scope of the present invention is not limited to these examples.

1. 기체분리막1. Gas separation membrane

본 발명에 따른 기체분리막은 기체의 선택적 분리를 위해 사용되는 막으로서, 지지체 및 그 위에 코팅된 코팅층을 포함한다. 본 발명의 기체분리막은 일반적으로 중공사막 형태로 제공되지만, 이에 반드시 한정될 필요는 없다.A gas separation membrane according to the present invention is a membrane used for selective separation of a gas, which comprises a support and a coating layer coated thereon. The gas separation membrane of the present invention is generally provided in the form of a hollow fiber membrane, but is not necessarily limited thereto.

(1.1) 지지체(1.1) Support

지지체는 기체분리막의 몸체를 이루는 부분으로서 기체의 선택적 투과를 위한 다공성 구조를 갖는다.The support has a porous structure for selective permeation of gas as a part of the body of the gas separation membrane.

지지체는 고분자로 제조될 수 있다. 예로써, 지지체는 폴리에테르이미드(polyetherimide), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidene fluoride), 폴리에테르설폰(polyethersulfone), 폴리설폰(polysulfone), 또는 폴리이미드(polyimide)로 제조될 수 있다.The support may be made of a polymer. By way of example, the support may be made of polyetherimide, polyvinylidene fluoride, polyethersulfone, polysulfone, or polyimide.

대안적으로, 지지체는 금속 물질 또는 세라믹 물질로 제조될 수 있다. 즉, 지지체는 금속 다공성 지지체 또는 세라믹 다공성 지지체일 수 있다.Alternatively, the support may be made of a metallic material or a ceramic material. That is, the support may be a metal porous support or a ceramic porous support.

본 발명에 따른 기체분리막이 중공사막인 경우 지지체는 길다란 실 형상이며 그 중앙에 길이 방향을 따라 연장 형성된 중공을 갖는다.In the case where the gas separation membrane according to the present invention is a hollow fiber membrane, the support body has a long thread-like shape and has a hollow centered in the longitudinal direction.

(1.2) 코팅층(1.2) Coating layer

코팅층은 지지체 위에 얇게 코팅되어 기체분리막의 분리 효율을 향상시키는 역할을 하는 층으로서, 그 두께는 0.1 내지 2.0 ㎛의 범위에서 선택될 수 있다.The coating layer is a layer which is thinly coated on the support to improve the separation efficiency of the gas separation membrane, and the thickness thereof can be selected in the range of 0.1 to 2.0 탆.

본 발명에 따른 코팅층은 하기의 화학식 1로 표시되는 단위체가 반복 연결된 구조를 갖는 고분자로 이루어진다. 화학식 1에서 p는 0보다 크고 1보다 작은 실수이고, A는 N-알콕시메틸(alkoxymethyl)이다.The coating layer according to the present invention is composed of a polymer having a structure in which a unit represented by the following formula (1) is repeatedly linked. In formula (1), p is a real number greater than 0 and less than 1, and A is N-alkoxymethyl.

N-알콕시메틸은 메톡시메틸(methoxymethyl), 에톡시메틸(ethoxymethyl), 프로폭시메틸(propoxymethyl), 또는 부톡시메틸(butoxymethyl)일 수 있다.The N-alkoxymethyl may be methoxymethyl, ethoxymethyl, propoxymethyl, or butoxymethyl.

[화학식 1][Chemical Formula 1]

Figure pat00004
Figure pat00004

본 발명에서 상기 코팅층을 이루는 고분자는 일명 PEBAX 라고 불리우는 폴리에테르 블록 아마이드(polyether block amide)를 개질함으로써 제조될 수 있다.In the present invention, the polymer forming the coating layer may be prepared by modifying a polyether block amide (PEBAX).

PEBAX는 하기의 화학식 2로 표시되는 단위체가 반복 연결된 구조를 갖는 고분자이며, 화학식 2에서 p는 0보다 크고 1보다 작은 실수이다. p의 값에 따라 PEBAX가 세부적으로 구분되며, 예로써 PEBAX-1657의 경우 p의 값은 0.4이다.PEBAX is a polymer having a structure in which a unit represented by the following formula (2) is repeatedly linked. In the formula (2), p is a real number larger than 0 and smaller than 1. For example, PEBAX-1657 has a p value of 0.4.

[화학식 2](2)

Figure pat00005
Figure pat00005

보다 구체적으로, 본 발명에서 코팅층을 이루는 고분자의 제공을 위한 PEBAX의 개질은, 하기의 [치환식 1]과 같이 PEBAX의 단위체를 구성하는 아마이드 블록(amide block) 내 수소를 N-알콕시메틸로 치환하는 반응을 통해 수행된다.More specifically, in the present invention, modification of PEBAX for providing a polymer constituting the coating layer is performed by substituting N-alkoxymethyl for hydrogen in the amide block constituting the PEBAX monomer unit as in the following Substitution Formula 1 ≪ / RTI >

[치환식 1][Substitution formula 1]

Figure pat00006
Figure pat00006

N-알콕시메틸이 메톡시메틸인 경우, 치환 반응은 아래의 치환식 2와 같다.When N-alkoxymethyl is methoxymethyl, the substitution reaction is as shown in Substitution Formula 2 below.

[치환식 2][Substituent 2]

Figure pat00007
Figure pat00007

N-알콕시메틸이 에톡시메틸인 경우, 치환 반응은 아래의 치환식 3과 같다.When N-alkoxymethyl is ethoxymethyl, the substitution reaction is as shown in Substitution Formula 3 below.

[치환식 3][Substituent 3]

Figure pat00008
Figure pat00008

N-알콕시메틸이 프로폭시메틸인 경우, 치환 반응은 아래의 치환식 4와 같다.When N-alkoxymethyl is propoxymethyl, the substitution reaction is as shown in Substitution Formula 4 below.

[치환식 4][Substitution formula 4]

Figure pat00009
Figure pat00009

N-알콕시메틸이 부톡시메틸인 경우, 치환 반응은 아래의 치환식 5와 같다.When N-alkoxymethyl is butoxymethyl, the substitution reaction is as shown in Substitution Formula 5 below.

[치환식 5][Substitution formula 5]

Figure pat00010
Figure pat00010

상술한 PEBAX의 개질을 통해 얻어진 고분자(개질 PEBAX)는 아마이드 그룹의 질소에 결합되어 있던 수소가 N-알콕시메틸로 치환됨으로써 개질 전과 비교하여 고분자 내의 수소결합의 수가 크게 감소된다.In the polymer (modified PEBAX) obtained through the modification of PEBAX described above, the number of hydrogen bonds in the polymer is greatly reduced by replacing the hydrogen bonded to the nitrogen of the amide group with N-alkoxymethyl.

따라서 개질 PEBAX는 개질 전에 비해, 아마이드 블록(amide block)의 작용에 따른 결정화도가 감소하며, 그에 따라 기체투과성 및 용해성이 개선된 특성을 나타낸다.Therefore, the modified PEBAX exhibits improved gas permeability and solubility as a result of decreasing the crystallinity due to the action of the amide block, compared to that before the modification.

이러한 개질 PEBAX로 이루어진 코팅층이 적용됨으로써 본 발명에 따른 기체분리막은 종래의 분리막들에 비해 향상된 기체 분리 성능을 나타낸다.By applying such a coating layer made of modified PEBAX, the gas separation membrane according to the present invention exhibits improved gas separation performance as compared with the conventional separation membranes.

2. 기체분리막의 적용 예 (중공사막 모듈)2. Application example of gas separation membrane (hollow fiber membrane module)

본 발명의 기체분리막은 다양한 종류의 기체 분리 장치에 적용될 수 있는데, 대표적인 적용 예로서 도 1에 도시된 바와 같은 중공사막 모듈(10)을 소개한다.The gas separation membrane of the present invention can be applied to various kinds of gas separation apparatuses. As a typical application example, a hollow fiber membrane module 10 as shown in FIG. 1 is introduced.

본 발명에 따른 도 1의 중공사막 모듈(10)은 다수의 중공사막(20) 및 하우징(30)을 포함한다.The hollow fiber membrane module 10 of FIG. 1 according to the present invention includes a plurality of hollow fiber membranes 20 and a housing 30.

하우징(30)은 길다란 원통형의 내부채널을 가지며 그 공간에 다수의 중공사막(20)이 빽빽하게 배열된다. 하우징(30)은 내부채널의 양단에 연결된 유입구(31) 및 제1 배출구(32)와, 내부채널의 측면에 연결된 제2 배출구(33)를 갖는다.The housing 30 has a long cylindrical inner channel, and a plurality of hollow fiber membranes 20 are closely arranged in the hollow space. The housing 30 has an inlet 31 and a first outlet 32 connected to both ends of the inner channel and a second outlet 33 connected to the side of the inner channel.

어떤 기체가 유입구(31)를 통해 중공사막 모듈(10) 안으로 유입되면 일부는 제1 배출구(32)를 통해 배출되고 나머지 일부는 제2 배출구(33)를 통해 배출되는데, 중공사막(20)에 대한 기체의 투과 속도에 따라 제1 배출구(32)와 제2 배출구(33)를 통해 배출되는 배출량의 비율이 달라진다. 상기 투과 속도는 기체의 종류에 따라 달라지는데, 상기 투과 속도가 작은 기체는 제1 배출구(32)를 통해 배출되는 비율이 많고, 상기 투과 속도가 큰 기체는 제2 배출구(33)를 통해 배출되는 비율이 많다.When a certain gas flows into the hollow fiber membrane module 10 through the inlet 31, a part of the gas is discharged through the first outlet 32 and a part of the gas is discharged through the second outlet 33. In the hollow fiber membrane 20, The ratio of the discharge amount discharged through the first discharge port 32 and the discharge port 33 differs depending on the permeation speed of the gas. The permeation rate varies depending on the type of gas. The gas having a small permeation rate is discharged at a high rate through the first outlet 32, and the gas having a large permeation rate is discharged through the second outlet 33 There are many.

도 2에 도시된 예를 참조하면, 중공사막 모듈(10) 안으로 질소(N2)와 이산화탄소(CO2)의 혼합 가스가 유입된 경우 상대적으로 막 투과 속도가 작은 질소(N2)는 그 상당 부분이 제1 배출구(32)로 배출되고 상대적으로 막 투과 속도가 큰 이산화탄소(CO2)는 그 상당 부분이 제2 배출구(33)로 배출된다. 따라서 제1 배출구(32)로부터 고농축 질소를 얻는 것이 가능해진다.Referring to the example shown in Figure 2, the hollow fiber membrane module 10, the nitrogen in (N 2) and carbon dioxide (CO 2) gas mixture is a relatively membrane is small permeation rate of nitrogen when the inlet of the (N 2) is the equivalent A portion of the carbon dioxide (CO 2 ) is discharged to the first discharge port 32 and a relatively large portion of the carbon dioxide (CO 2 ) having a relatively high film permeation rate is discharged to the second discharge port 33. Therefore, highly concentrated nitrogen can be obtained from the first outlet 32.

3. 기체분리막 제조 방법3. Gas separation membrane manufacturing method

이하에서는 전술한 기체분리막의 제조 방법에 대해 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing the gas separation membrane will be described.

(3.1) 지지체 제조(3.1) Production of support

먼저 지지체의 원료가 되는 고분자와 용매를 혼합하여 균일한 고분자 용액을 준비한다.First, a homogeneous polymer solution is prepared by mixing a polymer as a raw material of a support and a solvent.

여기서, 지지체의 원료인 고분자는 폴리에테르이미드, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리에테르설폰, 폴리설폰, 또는 폴리이미드 중 어느 하나일 수 있다.Here, the polymer as a raw material of the support may be any one of polyetherimide, polyvinylidene fluoride, polyethersulfone, polysulfone, and polyimide.

그리고, 용매로는 1-메틸-2-피롤리돈(1-methyl-2pyrrolidone: NMP)과 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran: THF)의 혼합액이 사용될 수 있다. 대안적으로, 디메틸포름아미드(dimethyl formamide: DMF), 디메틸아세트아미드 (dimethylacetamide: DMAc) 또는 디메틸술폭사이드 (dimethyl sulfoxide: DMSO)가 용매로서 사용될 수 있다.As a solvent, a mixed solution of 1-methyl-2-pyrrolidone (NMP) and tetrahydrofuran (THF) may be used. Alternatively, dimethylformamide (DMF), dimethylacetamide (DMAc) or dimethyl sulfoxide (DMSO) may be used as the solvent.

상기 고분자와 상기 용매를 혼합하는 과정에서 첨가제가 투입될 수 있다. 첨가제로서 에탄올이 투입될 수 있고, 대안적으로 아세톤(acetone), 메탄올(methanol), 에탄올(ethanol), n-프로판올(n-propanol) 또는 n-부탄올(n-butanol)이 사용될 수 있다.The additive may be added during the mixing of the polymer and the solvent. Ethanol may be added as an additive. Alternatively, acetone, methanol, ethanol, n-propanol or n-butanol may be used.

다음으로, 고분자 용액 내의 기포 및 이물질을 제거한 후 고분자 용액을 방사 응고하여 지지체의 형상을 성형한다. 이 과정은 상온에서 이중노즐을 통하여 응고액으로 탈 이온화된 상온의 물을 사용하여 방사하는 방식으로 수행될 수 있다.Next, bubbles and foreign substances in the polymer solution are removed, and the polymer solution is spin coagulated to form the shape of the support. This process can be carried out by spinning at room temperature using a deionized deionized water at room temperature through a double nozzle.

다음으로, 연속적으로 방사 응고된 고분자막을 적당한 크기로 절단한 후 세척을 통해 잔존하는 용매 및 첨가제를 제거한다.Next, the continuously polymerized polymer membrane is cut to an appropriate size, and then the remaining solvent and additives are removed by washing.

마지막으로, 고분자막을 공기 중에서 건조시켜 기공 또는 결합을 제거하여 지지체막을 완성한다. 건조 단계 이전에 고분자막을 침적액(예: 에탄올)에 침적하여 고분자막에 존재하는 잔존물을 치환하는 과정을 거칠 수도 있다.Finally, the polymer membrane is dried in air to remove pores or bonds to complete the support membrane. Before the drying step, the polymer membrane may be immersed in a dipping solution (for example, ethanol) to replace the residues present in the polymer membrane.

(3.2) 코팅액 제조(3.2) Preparation of coating liquid

먼저, 코팅층의 원료인 고분자(개질 PEBAX)를 생성한다.First, a polymer (modified PEBAX) as a raw material of the coating layer is produced.

개질 PEBAX의 생성 과정은, 상기의 화학식 2의 단위체들로 이루어진 PEBAX를 용매와 혼합하여 고분자 용액 만드는 단계(제1 단계), 상기 고분자 용액에 치환제를 투입하여 PEBAX의 아마이드 블록 내 수소가 N-알콕시메틸로 치환되는 반응이 일어나도록 하는 단계(제2 단계), 고분자 용액에 침전유도제를 혼합하여 상기의 화학식 1의 단위체들로 이루어진 고분자를 침전시키는 단계(제3 단계), 투석 튜브(dialysis tube)를 이용하여 침전 고분자로부터 잔여물을 제거하는 단계(제4 단계) 순으로 진행될 수 있다.The process for producing the modified PEBAX is a step of preparing a polymer solution by mixing the PEBAX having the units of Formula 2 with the solvent (Step 1), adding a substituent to the polymer solution to convert the hydrogen in the amide block of PEBAX into N- (Step 2), precipitating a polymer comprising the units of formula (1) (step 3) by mixing the polymer solution with a precipitating inducing agent, and adding a dialysis tube (Step 4) of removing the residue from the precipitated polymer.

상기 제1 단계에서 용매로는 개미산(formic acid)이 사용될 수 있다. 상기 N-알콕시메틸은 메톡시메틸, 에톡시메틸일, 프로폭시메틸 또는 부톡시메틸일 수 있으며, 상기 N-알콕시메틸이 메톡시메틸인 경우 제2 단계에서의 치환제로는 헤미아세틸(hemiacetal)이 사용될 수 있다. 상기 제3 단계에서의 침전유도제로는 다이에틸에테르(diethyl ether)가 사용될 수 있다.As the solvent in the first step, formic acid may be used. The N-alkoxymethyl may be methoxymethyl, ethoxymethyl, propoxymethyl or butoxymethyl. When the N-alkoxymethyl is methoxymethyl, the substituent in the second step may be hemiacetal, Can be used. As the precipitation inducing agent in the third step, diethyl ether may be used.

다음으로, 상기 과정을 통해 생성된 고분자(개질 PEBAX)를 용매에 혼합하여 코팅액을 생성한다.Next, the polymer (modified PEBAX) produced through the above process is mixed with a solvent to form a coating solution.

용매로는 물이 사용될 수 있다. 전술한 바와 같이 개질 PEBAX는 수소 결합을 제공하던 수소가 N-알콕시메틸로 치환되었기 때문에 개질 전에 비해 결정화도가 크게 감소되며 그에 따라 단일용매인 물에도 충분히 용해된다.As the solvent, water may be used. As described above, the modified PEBAX is greatly reduced in crystallinity as compared with that before reforming because of the substitution of N-alkoxymethyl for hydrogen which provided hydrogen bonding, and thus it is sufficiently dissolved in water as a single solvent.

(3.3) 코팅 및 건조(3.3) Coating and drying

상기 준비된 지지체의 표면에 상기 준비된 코팅액을 코팅하고, 건조 과정을 거침으로써 기체분리막이 완성된다. 코팅액의 코팅은 중공사막의 함침 또는 스프레이 분사 방식으로 수행될 수 있고, 건조 과정은 상온보다 높은 온도(예로써 60 ℃)에서 24시간 정도 수행될 수 있다.The prepared coating solution is coated on the surface of the prepared support and dried, thereby completing the gas separation membrane. The coating of the coating liquid may be carried out by impregnation of a hollow fiber membrane or a spraying method, and the drying process may be carried out at a temperature higher than room temperature (for example, 60 DEG C) for about 24 hours.

4. 실험 예4. Experimental Example

개질 PEBAX로 제조된 코팅층이 적용된 본 발명의 기체분리막의 기체 분리 성능을 검증하기 위한 실험을 수행하였다. 이 실험에서는 PEBAX-1657을 개질하여 만든 코팅층이 적용된 기체분리막(본 발명 실시예) 및 비교예로서 PEBAX-1657로 만든 코팅층이 적용된 기체분리막(비교예)을 제조하고 양자의 특성을 비교하였다. 이하에서는 이에 대해 구체적으로 설명한다.Experiments were conducted to verify the gas separation performance of the gas separation membrane of the present invention using a coating layer made of modified PEBAX. In this experiment, a gas separation membrane (a comparative example) to which a coating layer made by modifying PEBAX-1657 (Example of the present invention) and a coating layer made of PEBAX-1657 (Comparative Example) as a comparative example were manufactured and their characteristics were compared. This will be described in detail below.

(4.1) 지지체 제조(4.1) Production of support

지지체의 고분자 원료로서 폴리에테르이미드(PEI)를 사용하였다. 그리하여 PEI 30 wt%를 65 wt%의 1-메틸-2-피롤리돈(1-methyl-2pyrrolidone: NMP)과 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran: THF) 혼합액에 서서히 더하면서 첨가제로서 에탄올 5 wt%를 첨가, 혼합하여 균일한 용액을 제조하였다.Polyetherimide (PEI) was used as a polymeric raw material for the support. Thus, 30 wt% of PEI was slowly added to a mixture of 65 wt% 1-methyl-2 pyrrolidone (NMP) and tetrahydrofuran (THF) while 5 wt% of ethanol was added as an additive , And mixed to prepare a homogeneous solution.

그리고 혼합 용액 내의 기포를 24 시간 동안 상온 및 감압 하에서 제거하고, 필터를 이용하여 이물질을 제거하였다.Then, the bubbles in the mixed solution were removed at room temperature and reduced pressure for 24 hours, and foreign substances were removed by using a filter.

그리고 응고액으로서 탈 이온화된 상온의 물을 사용하여 상온에서 이중노즐을 통하여 혼합 용액을 방사하였다. 이때 에어 갭은 10 cm 로 고정하였다.The mixed solution was spun through a double nozzle at room temperature using deionized water at room temperature as a coagulating solution. The air gap was fixed at 10 cm.

그리고 연속적으로 방사 응고된 중공사 형태의 지지체를 권취 및 절단한 후 잔존하는 용매와 첨가제를 제거하기 위하여 흐르는 물에 24 시간 이상 세척하였다.Then, after the spin-coagulated hollow fiber support was wound up and cut, it was washed in flowing water for more than 24 hours to remove remaining solvent and additives.

그리고 에탄올에 1일 가량 침적하여 지지체에 존재하는 잔존물을 치환하고 상온의 공기 중에서 3일 동안 건조시켜 기공 또는 결함을 제거함으로써 지지체 제조 과정을 마무리하였다.Subsequently, the support was immersed in ethanol for 1 day to replace the residues present in the support, and dried in air at room temperature for 3 days to remove pores or defects, thereby completing the support preparation.

(4.2) (4.2) PEBAXPEBAX 개질 Modification

PEBAX-1657 10 wt%를 개미산(formic acid)에 투입 후 60 ℃에서 2시간 동안 용해시켰다.10 wt% of PEBAX-1657 was added to formic acid and dissolved at 60 ° C for 2 hours.

그리고 PEBAX-1657 용액에 치환제로서 헤미아세틸(hemiacetal)을 주입하고 용액을 60 ℃에서 4시간 유지함으로써, 하기의 반응식 1에서와 같이 PEBAX-1657의 아마이드 블록 내 수소(H)가 메톡시메틸(methoxymethyl)로 치환되는 반응이 일어나도록 하였다.Then, hemiacetal was added as a substituent to the PEBAX-1657 solution, and the solution was maintained at 60 ° C for 4 hours, so that the hydrogen (H) in the amide block of PEBAX-1657 was reacted with methoxymethyl ( methoxymethyl).

[반응식 1][Reaction Scheme 1]

Figure pat00011
Figure pat00011

상기 치환 반응을 거친 PEBAX-1657 용액을 상온에서 식힌 뒤 침전유도제로서 다이에틸에테르(diethyl ether)를 사용하여 치환된 PEBAX-1657(개질 PEBAX)의 침전 반응을 유도하였으며, 투석 튜브(dialysis tube)를 이용하여 침전 고분자로부터 잔여물을 제거하였다.After the substitution reaction, the PEBAX-1657 solution was cooled at room temperature, and the precipitation reaction of PEBAX-1657 (modified PEBAX) substituted with diethyl ether was induced as a precipitation inducing agent, and a dialysis tube The residue was removed from the precipitated polymer.

(4.3) (4.3) PEBAXPEBAX 코팅 coating

상기의 과정으로 제조된 PEI 지지체에 PEBAX-1657 및 개질 PEBAX를 코팅하였다.The PEI support prepared above was coated with PEBAX-1657 and modified PEBAX.

이때, PEBAX-1657의 코팅 과정에서는 에탄올 70 wt% 와 물 30 wt%로 이루어진 혼합용매에 2 wt%의 PEBAX-1657을 60 ℃에서 6 시간 이상 교반하여 코팅 용액을 제조하여 사용하였으며, 개질 PEBAX의 코팅 과정에서는 단지 물로 이루어진 단일 용매에 2 wt%의 개질 PEBAX를 동일 조건에서 교반하여 코팅 용액을 제조하여 사용하였다.In the coating process of PEBAX-1657, 2 wt% of PEBAX-1657 was stirred at 60 ° C for 6 hours or more in a mixed solvent of 70 wt% of ethanol and 30 wt% of water to prepare a coating solution. In the coating process, 2 wt% modified PEBAX was mixed with a single solvent consisting of water, and the coating solution was prepared by using the same conditions.

그리고, PEBAX-1657 코팅 용액을 PEI 지지체에 코팅하면서 두 가지 접촉 시간(30초 및 150초)를 적용하였고, 개질 PEBAX 코팅 용액에 대해서도 마찬가지로 두 가지 접촉 시간(30초 및 150초)를 적용하였다.Two contact times (30 seconds and 150 seconds) were applied while coating the PEBAX-1657 coating solution on the PEI support, and two contact times (30 seconds and 150 seconds) were similarly applied to the modified PEBAX coating solution.

이러한 과정을 통해, PEBAX-1657가 코팅된 기체분리막 2개(비교예) 및 개질 PEBAX가 코팅된 기체분리막 2개(본 발명 실시예)를 제조하였다.Through this process, two gas barrier membranes coated with PEBAX-1657 (comparative example) and two gas barrier membranes coated with modified PEBAX (embodiment of the present invention) were prepared.

(4.4) 기체 투과 실험(4.4) Gas permeation experiment

상술한 중공사막 형태의 4개의 기체분리막을 적용하여 도 1에 도시된 바와 같은 동일 구조의 중공사막 모듈을 4개 제작하였다. 각 중공사막 모듈에는 300개의 중공사막을 배열하였다.Four hollow fiber membrane modules having the same structure as shown in FIG. 1 were manufactured by applying the four gas separation membranes of the hollow fiber membrane type described above. 300 hollow fiber membranes were arranged in each hollow fiber membrane module.

그리고 99.9%의 이산화탄소와 질소를 각각 정해진 압력 하에서 4개의 중공사막 모듈에 적용하여 산소 및 질소에 대해 투과도와 선택도를 측정하였다.Then, 99.9% of carbon dioxide and nitrogen were applied to four hollow fiber membrane modules under a predetermined pressure, respectively, to measure the permeability and selectivity to oxygen and nitrogen.

기체 투과도는 물질 흐름 장치(mass flow meter)를 이용하여 측정하였으며, 기체 투과단위(GPU, (Gas Permeation Unit) 10-6 cm3/cm2 sec cmHg)로 환산하였다.The gas permeability was measured using a mass flow meter and converted to gas permeation unit (GPU, 10 -6 cm 3 / cm 2 sec cmHg).

(4.5) 실험결과 1: 용해성 평가(4.5) Test result 1: Solubility evaluation

전술한 개질 PEBAX(modified PEBAX)의 치환기 변화에 따른 용해도 평가를 위해 PEBAX-1657, 개질 PEBAX를 에탄올/물 혼합용매(비율 70:30), 물 단일용매 및 에탄올 단일용매를 사용하여 2 wt%의 고분자 용액을 각각 제조하고 세 가지 온도 조건(25, 60 및 80 ℃)에서 용해성 평가를 진행하였으며, 그 결과를 표 1에 나타내었다.In order to evaluate the solubility of the modified PEBAX (modified PEBAX) according to the substituent change, PEBAX-1657 and modified PEBAX were dissolved in an ethanol / water mixed solvent (ratio 70:30), water single solvent and ethanol single solvent to prepare 2 wt% Polymer solutions were prepared, and the solubility was evaluated at three temperature conditions (25, 60 and 80 ° C). The results are shown in Table 1.

Figure pat00012
Figure pat00012

표 1을 참조하면, 개질전 PEBAX-1657은 60 ℃ 이상의 온도조건에서 에탄올/물 혼합용매에는 용해되고 물 단일용매 및 에탄올 단일용매에는 용해되지 않는 반면, 본 발명에 따른 개질 PEBAX는 60 ℃ 이상의 온도조건에서 에탄올/물 혼합용매뿐만 아니라 물 단일용매 및 에탄올 단일용매에도 모두 용해됨을 확인하였다.Referring to Table 1, the modified PEBAX-1657 before the modification is dissolved in the ethanol / water mixed solvent at a temperature of 60 ° C or higher and is not dissolved in the water single solvent and the single solvent of the water, It was confirmed that the reaction mixture was soluble not only in ethanol / water mixed solvent but also in water single solvent and ethanol single solvent.

이처럼 개질 PEBAX의 용해성이 증대된 이유는 앞서 설명한 바와 같이 개질에 의해 고분자 내 수소결합 수가 감소하였기 때문이다.The reason for the increased solubility of the modified PEBAX is that the number of hydrogen bonds in the polymer is decreased by the modification as described above.

본 발명에 따른 개질 PEBAX에 의하면, 개질 전에 비해 용해성이 향상되므로 코팅액 제조 시에 단일용매의 적용이 가능하게 되어, 코팅액 제조 과정이 간단해짐은 물론, 혼합용매 적용시 코팅액의 침투에 의해 지지체에 균열이 발생되는 것을 방지할 수 있다.According to the modified PEBAX according to the present invention, since the solubility is improved compared with that before the modification, a single solvent can be applied at the time of preparing the coating liquid, so that the process for preparing the coating liquid is simplified and, at the time of application of the mixed solvent, Can be prevented from being generated.

(4.6) 실험결과 2: (4.6) Experimental result 2: PEBAXPEBAX 개질 특성 평가 Evaluation of reforming characteristics

개질 PEBAX의 개질을 확인하기 위해 PEBAX-1657 샘플 및 개질 PEBAX 샘플에 대해 FT-IR(Fourier Transform Infrared Spectroscopy) 분석을 수행하였으며, 그 분석 결과를 도 3에 나타내었다.FT-IR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy) analysis was performed on the PEBAX-1657 sample and the modified PEBAX sample to confirm the modification of the modified PEBAX. The analysis result is shown in FIG.

PEBAX-1657의 주요 밴드(band)는 1105 cm-1에서 stretching vibrations C-O, 1370 cm-1에서 C-N, 1638 cm-1에서 C=O, 1641 cm-1에서 amide group, 2880 cm-1과 2940 cm-1에서 C-H, 3370 cm-1에서 N-H 이다.The main band of PEBAX-1657 (band) at 1105 cm -1 stretching vibrations CO, 1370 cm -1 in the CN, at 1638 cm -1 in C = O, 1641 cm -1 amide group, 2880 cm -1 and 2940 cm -1 it is NH in CH, 3370 cm -1.

도 3에서 보는 바와 같이 PEBAX-1657은 치환 후에도 새로이 band가 생기거나 존재하던 band가 사라지지 않고 PEBAX-1657의 대표적 band가 모두 일치하게 나타났다. 이를 통해서 PEBAX-1657의 기본적인 화학적 구조가 바뀐 것은 없음을 알 수 있었다. 그리고 치환 후 N-H 작용기가 사라지며 C-N 작용기를 나타내는 1370 cm-1에서의 피크가 증가하는 것을 확인할 수 있었다.As shown in FIG. 3, the PEBAX-1657 exhibited a band similar to that of PEBAX-1657 after replacing the band. Thus, it can be seen that the basic chemical structure of PEBAX-1657 has not changed. It was confirmed that the NH group was eliminated after the substitution and the peak at 1370 cm -1 indicating the CN functional group was increased.

아래의 표 2는 band를 적분하여 얻은 비교 비를 표로 나타낸 것이다.Table 2 below shows the comparison ratios obtained by integrating bands.

Figure pat00013
Figure pat00013

표 2를 보면, C=O 대비 N-H 값은 PEBAX에서 3.50 이고 modified PEBAX에서 2.46 이다. 이로부터 개질에 의해 N-H가 감소했음을 확인할 수 있다.In Table 2, the N-H values for C = O are 3.50 for PEBAX and 2.46 for modified PEBAX. From this, it can be confirmed that N-H is decreased by the modification.

그리고 C=O 대비 C-N은 PEBAX에서 2.34 이고 modified PEBAX에서 2.33이다. 이는 개질 전후 PEBAX의 아마이드 그룹 결합은 변화 없이 N-H 결합이 modified PEBAX에서 많이 감소한 것으로 설명할 수 있다.The C-N for C = O is 2.34 for PEBAX and 2.33 for modified PEBAX. This can be explained by the fact that the N-H bond was significantly reduced in modified PEBAX without changing the amide group bond of PEBAX before and after the modification.

마지막으로 C-N 대비 N-H값은 PEBAX에서 1.5 이고 modified PEBAX에서 1.06 이다. 이 비교를 통해서도 개질에 의해 N-H가 감소했음을 또한 확인할 수 있다.Finally, the N-H values for C-N are 1.5 for PEBAX and 1.06 for modified PEBAX. This comparison also confirms that the N-H has decreased by the modification.

(4.7) 실험결과 3: (4.7) Experimental result 3: 중공사Hollow fiber 분리막 구조 분석 Membrane structure analysis

PEI 지지체 만으로 이루어진 중공사 분리막(분리막 Ⅰ), PEI 지지체와 PEBAX 코팅층으로 이루어진 중공사 분리막(분리막 Ⅱ), PEI 지지체와 개질 PEBAX 코팅층으로 이루어진 중공사 분리막(분리막 Ⅲ)에 대해 FE-SEM 단면 사진을 촬영하였다.FE-SEM cross-sectional photographs of a hollow fiber membrane (membrane Ⅰ) composed of a PEI support alone, a hollow fiber membrane (membrane Ⅱ) comprising a PEI support and a PEBAX coating layer, a hollow fiber membrane (membrane Ⅲ) comprising a PEI support and a modified PEBAX coating layer .

도 4는 상기 분리막 Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ에 대한 FE-SEM 촬영을 통해 얻은 단면 사진들을 보이는 것이다.FIG. 4 shows cross-sectional photographs obtained by FE-SEM imaging of the membranes I, II, and III.

분리막 Ⅱ의 PEBAX 코팅층 및 분리막 Ⅲ의 개질 PEBAX 코팅층은 약 0.3 내지 1.4 ㎛ 범위의 두께로 형성되며 지지체와 코팅액 간의 접촉시간이 증가함에 따라 코팅 두께가 증가함을 확인할 수 있었다.The PEBAX coating layer of the membrane II and the modified PEBAX coating layer of the membrane III were formed to a thickness in the range of about 0.3 to 1.4 탆 and the coating thickness was increased as the contact time between the support and the coating solution was increased.

그리고 그 접촉 시간이 동일한 조건 하에서 분리막 Ⅲ의 개질 PEBAX 코팅층보다 분리막 Ⅱ의 PEBAX 코팅층이 보다 두껍게 형성됨을 확인할 수 있었다(도 4에서 d1 > d2).And the PEBAX coating layer of the membrane II was formed thicker than the modified PEBAX coating layer of the membrane III under the same conditions of the contact time (d1 > d2 in FIG. 4).

분리막 Ⅱ의 코팅층이 상대적으로 두껍게 형성되는 이유는 분리막 Ⅱ의 제조 과정에서 에탄올/물 혼합용매가 사용된 결과 PEI 지지체와 코팅액의 접촉 과정에서 혼합용매에 포함된 에탄올의 작용으로 PEI 지지체 안으로 코팅액이 침투하였기 때문인 것으로 분석된다.The reason why the coating layer of the membrane II is formed to be relatively thick is that the ethanol / water mixed solvent is used in the preparation of the membrane II, and as a result, the coating solution penetrates into the PEI support by the action of the ethanol contained in the mixed solvent during the contact between the PEI support and the coating solution As a result.

반면 본 발명에 따른 분리막 Ⅲ의 경우, 그 제조 과정에서 단일용매로서 사용된 물은 소수성 특성을 가진 PEI 지지체의 표면을 침투하기 어려우므로 PEI 지지체 안으로 코팅액이 침투되는 현상이 억제되어 상대적으로 코팅층이 얇고 치밀하게 형성되는 것으로 분석된다.On the other hand, in the case of the separator III according to the present invention, water used as a single solvent in the production process is difficult to penetrate the surface of the PEI support having hydrophobic characteristics, so that the phenomenon of permeation of the coating solution into the PEI support is suppressed, It is analyzed that it is formed densely.

이와 같이 본 발명에 따른 분리막 Ⅲ는 분리막 Ⅱ에 비해 얇고 치밀한 코팅층을 가지므로 기체 투과도 측면에서 상대적으로 우월한 성능을 나타낼 수 있다.As described above, since the separator III according to the present invention has a thin and dense coating layer as compared with the separator II, it can exhibit relatively superior performance in terms of gas permeability.

(4.8) 실험결과 4: 기체 투과 특성 분석(4.8) Experimental Result 4: Analysis of Gas Permeation Characteristics

PEI 지지체와 PEBAX 코팅층으로 이루어진 중공사 분리막(분리막 Ⅱ)과 PEI 지지체와 개질 PEBAX 코팅층으로 이루어진 중공사 분리막(분리막 Ⅲ)을 도 1에 도시된 형태의 중공사막 모듈에 적용하여 기체 투과 특성을 평가하였으며, 그 결과를 아래의 표 3에 나타내었다.The hollow fiber membrane (membrane Ⅲ) composed of the PEI support and the PEBAX coating layer (membrane Ⅱ), the PEI support and the modified PEBAX coating layer was applied to the hollow fiber membrane module shown in Fig. 1 to evaluate gas permeation characteristics , And the results are shown in Table 3 below.

Figure pat00014
Figure pat00014

이산화탄소/질소 선택도(PCO2/N2)는 분리막 Ⅱ와 분리막 Ⅲ의 경우 모두 40 이상으로 높게 나타났으며, 이로부터 두 분리막 Ⅱ, Ⅲ 모두 높은 이산화탄소 분리율을 나타냄을 확인할 수 있었다.The carbon dioxide / nitrogen selectivity (P CO2 / N2 ) was higher than 40 in both membrane II and membrane III, indicating that both membranes II and III exhibited a high carbon dioxide separation rate.

반면, 질소 투과도(PN2) 및 이산화탄소 투과도(PCO2)는 분리막 Ⅱ보다 분리막 Ⅲ에서 훨씬 높게 나타남을 확인할 수 있었다.On the other hand, nitrogen permeability (P N2 ) and carbon dioxide permeability (P CO2 ) were much higher in membrane III than membrane II.

이처럼 본 발명에 따른 분리막 Ⅲ가 상대적으로 월등한 기체 투과도를 보이는 것은 수소결합 수 감소를 위한 고분자 개질에 따른 결정화도 감소 및 지지체에 대한 코팅액 침투 억제에 따른 코팅층의 두께 감소에 의한 것이다.The relatively high gas permeability of the separator III according to the present invention is due to the decrease in crystallinity due to the modification of the polymer for reduction of the number of hydrogen bonds and the decrease in the thickness of the coating layer due to the suppression of penetration of the coating solution into the support.

10 : 중공사막 모듈
20 : 중공사막
30 : 하우징
10: Hollow Fiber Membrane Module
20: hollow fiber membrane
30: Housing

Claims (11)

지지체 및 그 위에 코팅된 코팅층을 포함하는 기체분리막으로서,
상기 코팅층은 화학식 1의 단위체가 반복 연결된 구조의 고분자를 포함하며,
[화학식 1]
Figure pat00015

상기 화학식 1에서 p는 0보다 크고 1보다 작은 실수이고, A는 N-알콕시메틸(N-alkoxymethyl)임.
1. A gas separation membrane comprising a support and a coating layer coated thereon,
Wherein the coating layer comprises a polymer having a structure in which the monomers of formula (1) are repeatedly linked,
[Chemical Formula 1]
Figure pat00015

In Formula 1, p is a real number greater than 0 and less than 1, and A is N-alkoxymethyl.
청구항 1에 있어서,
상기 N-알콕시메틸은 메톡시메틸(methoxymethyl), 에톡시메틸(ethoxymethyl), 프로폭시메틸(propoxymethyl), 또는 부톡시메틸(butoxymethyl)인,
기체분리막.
The method according to claim 1,
The N-alkoxymethyl may be methoxymethyl, ethoxymethyl, propoxymethyl, or butoxymethyl, and the like.
Gas separation membrane.
청구항 1에 있어서,
상기 코팅층의 두께는 0.1 내지 2.0 ㎛인,
기체분리막.
The method according to claim 1,
Wherein the coating layer has a thickness of 0.1 to 2.0 탆,
Gas separation membrane.
청구항 1에 있어서,
상기 지지체는 폴리에테르이미드, 폴리설폰, 폴리에테르설폰, 폴리비닐리덴플루오라이드 및 폴리이미드 중 어느 하나의 고분자로 이루어진 고분자 지지체이거나, 금속 다공성 지지체이거나, 세라믹 다공성 지지체인,
기체분리막.
The method according to claim 1,
The support may be a polymeric support made of any one of polyetherimide, polysulfone, polyethersulfone, polyvinylidene fluoride and polyimide, a metal porous support, a ceramic porous support,
Gas separation membrane.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기체분리막은 중공사 분리막인,
기체분리막.
The method according to any one of claims 1 to 4,
The gas separation membrane may be a hollow fiber membrane,
Gas separation membrane.
다수의 중공사막; 및
상기 다수의 중공사막이 배열된 내부채널과, 상기 내부채널의 일단에 구비된 유입구, 상기 내부채널의 타단에 구비된 제1 배출구와, 상기 내부채널의 측면에 구비된 제2 배출구를 가진 하우징;을 포함하며,
상기 중공사막은 청구항 1 내지 청구항 4 중에서 어느 하나에 따른 기체분리막인,
중공사막 모듈.
A plurality of hollow fiber membranes; And
A housing having an inner channel in which the plurality of hollow fiber membranes are arranged, an inlet provided at one end of the inner channel, a first outlet provided at the other end of the inner channel, and a second outlet provided at a side of the inner channel; / RTI >
Wherein the hollow fiber membrane is a gas separation membrane according to any one of claims 1 to 4,
Hollow Fiber Membrane Module.
기체분리막 제조 방법으로서,
(a) 지지체를 제공하는 단계;
(b) 코팅액을 제공하는 단계;
(c) 상기 지지체의 표면에 상기 코팅액을 코팅하는 단계; 및
(d) 기체분리막을 건조시키는 단계;를 포함하며,
상기 코팅액은 화학식 1로 표시되는 단위체가 반복 연결된 고분자를 포함하며,
[화학식 1]
Figure pat00016

상기 화학식 1에서 p는 0보다 크고 1보다 작은 실수이고, A는 N-알콕시메틸(N-alkoxymethyl)임.
A method for producing a gas separation membrane,
(a) providing a support;
(b) providing a coating liquid;
(c) coating the coating liquid on the surface of the support; And
(d) drying the gas separation membrane,
Wherein the coating solution comprises a polymer in which the unit represented by the formula (1) is repeatedly attached,
[Chemical Formula 1]
Figure pat00016

In Formula 1, p is a real number greater than 0 and less than 1, and A is N-alkoxymethyl.
청구항 7에 있어서,
상기 (b) 단계는,
(b1) 상기 고분자를 생성하는 단계; 및
(b2) 상기 고분자를 용매에 혼합시켜 상기 코팅액을 만드는 단계;를 포함하는,
기체분리막 제조 방법.
The method of claim 7,
The step (b)
(b1) generating the polymer; And
(b2) mixing the polymer with a solvent to prepare the coating solution.
A method for producing a gas separation membrane.
청구항 8에 있어서,
상기 용매로서 물이 사용되는,
기체분리막 제조 방법.
The method of claim 8,
Wherein water is used as said solvent,
A method for producing a gas separation membrane.
청구항 8에 있어서,
상기 N-알콕시메틸은 메톡시메틸(methoxymethyl)인,
기체분리막 제조 방법.
The method of claim 8,
Wherein said N-alkoxymethyl is methoxymethyl,
A method for producing a gas separation membrane.
청구항 10에 있어서,
상기 (b1) 단계는,
(b11) 화학식 2의 단위체가 반복 연결된 구조의 고분자를 개미산(formic acid)에 용해시켜 고분자 용액을 만드는 단계;
[화학식 2]
Figure pat00017

(b12) 상기 단위체의 아마이드 블록 내 수소가 메톡시메틸(methoxymethyl)로 치환되도록 상기 고분자 용액에 헤미아세틸(hemiacetal)을 투입하여 반응시키는 단계; 및
(b13) 상기 고분자 용액에 침전유도제를 투입하여 상기 고분자 용액 내 고분자를 침전시키는 단계;를 포함하며,
상기 화학식 2에서 p는 0보다 크고 1보다 작은 실수인,
기체분리막 제조 방법.
The method of claim 10,
The step (b1)
(b11) dissolving a polymer having a structure in which a unit of formula (2) is repeatedly linked in a formic acid to form a polymer solution;
(2)
Figure pat00017

(b12) introducing hemiacetal into the polymer solution so that the hydrogen in the amide block of the unit is substituted with methoxymethyl; And
(b13) introducing a precipitation inducing agent into the polymer solution to precipitate a polymer in the polymer solution,
Wherein p is a real number larger than 0 and smaller than 1,
A method for producing a gas separation membrane.
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KR20100079530A (en) * 2008-12-31 2010-07-08 정욱진 Method of manufacture hydrophilic water qualification isolation membrane of low fouling using pebax polymer and silver nano particles
KR20140125101A (en) * 2013-04-18 2014-10-28 코오롱인더스트리 주식회사 Hollow fiber membrane module
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