KR20190051274A - Gas separation membrane comprising thin layer containing metal-organic polyhedra and preparation method thereof - Google Patents

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KR20190051274A KR1020170146732A KR20170146732A KR20190051274A KR 20190051274 A KR20190051274 A KR 20190051274A KR 1020170146732 A KR1020170146732 A KR 1020170146732A KR 20170146732 A KR20170146732 A KR 20170146732A KR 20190051274 A KR20190051274 A KR 20190051274A
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Abstract

The present invention relates to a gas separation membrane comprising a thin film layer containing a metal-organic polyhedron and a method for manufacturing the same. The gas separation membrane comprises: a first gas separation layer formed on the upper surface of a porous substrate; a second gas separation layer formed on the upper surface of the formed first gas separation layer; and a gas selection layer formed on the upper surface of the second gas separation layer. The gas permeability is significantly enhanced as compared to a conventional gas separation membrane while maintaining the gas selectivity to the extent similar to that of the conventional gas separation membrane.

Description

금속-유기 다면체가 함유된 박막층을 포함하는 기체 분리막 및 이의 제조방법{Gas separation membrane comprising thin layer containing metal-organic polyhedra and preparation method thereof}[0001] The present invention relates to a gas separation membrane including a metal-organic polyhedra containing thin film layer and a manufacturing method thereof,

본 발명은 가스 선택성과 가스 투과도가 동시에 월등히 향상되며, 금속-유기 다면체가 함유된 박막층을 포함하는 세 개의 층으로 이루어진 기체 분리막 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a gas separation membrane comprising three layers including a thin film layer containing a metal-organic polyhedra, wherein the gas selectivity and the gas permeability are simultaneously enhanced, and a method for producing the same.

수소 제조 또는 요소 제조 등의 대규모 플랜트로 합성되는 합성 가스, 천연 가스, 배기 가스 등으로부터 이산화탄소를 분리하는 프로세스로서, 에너지 절약화를 실현할 수 있기 때문에 기체 분리막 프로세스가 최근 주목받고 있다.Background Art [0002] Gas separation membranes processes have recently been attracting attention as energy-saving processes for separating carbon dioxide from syngas, natural gas, and exhaust gas synthesized from large-scale plants such as hydrogen production or urea production.

상기 기체 분리막 프로세스에서 이용되는 기체 분리막으로는 지금까지 여러 가지의 분리막이 제안되어 있다.As the gas separation membrane used in the gas separation membrane process, various separation membranes have heretofore been proposed.

예컨대, 일본특허 공개 평성07-112122호 공보(특허문헌 1)에서는, 이산화탄소 캐리어를 포함하는 수용액을 가교 구조를 갖는 비닐알코올-아크릴산염 공중합체에 흡수시켜 형성한 하이드로겔막으로 이루어지는 이산화탄소 분리 겔막이 제안되어 있다. 상기 특허문헌 1에 기재된 발명은 이산화탄소 캐리어를 포함하는 수용액을 흡수시켜 하이드로겔화시키는 고분자 재료로서, 비닐알코올-아크릴산염 공중합체를 이용함으로써 종래부터 알려져 있는 폴리아크릴산 등의 전해질 고분자가 갖는 흡수 능력은 높지만 강도가 약하여 막형으로 성형하는 것이 곤란한 문제를 해결하여 실용에 제공할 수 있는 이산화탄소 촉진 수송막 및 그 제조 방법을 제공한다.For example, in JP-A-07-112122 (Patent Document 1), a carbon dioxide separation gel film formed of a hydrogel film formed by absorbing an aqueous solution containing a carbon dioxide carrier into a vinyl alcohol-acrylate copolymer having a crosslinking structure . The invention described in Patent Document 1 is a polymeric material which absorbs an aqueous solution containing a carbon dioxide carrier to hydrogel the polymeric material, and the absorption capacity of an electrolyte polymer such as polyacrylic acid conventionally known by using a vinyl alcohol-acrylate copolymer is high Provided is a carbon dioxide promoting transport membrane which can solve the problem that it is difficult to form into a film because of its weak strength and can be put to practical use.

하이드로겔화시키는 고분자 재료에 폴리아크릴산를 이용한 가스 분리막으로서, 일본특허 공개 평성08-193156호 공보(특허문헌 2)에서는 폴리아크릴산과 소정 당량의 지방족 아민의 반응 혼합물로 구성되는 수지 조성물로 형성된 이산화탄소 분리 필름이 제안되어 있다. 일본특허 공개 제2013-049048호 공보(특허문헌 3)에서는 글리신과 탈프로톤화제를 하이드로겔막에 포함하여 구성되는 겔층을 내열성의 다공막에 담지시킨 이산화탄소 촉진 수송막이 제안되어 있다.As a gas separation membrane using polyacrylic acid as a polymer material for hydro gelling, JP-A-08-193156 (Patent Document 2) discloses a carbon dioxide separation film formed of a resin composition composed of a reaction mixture of polyacrylic acid and a predetermined equivalent amount of an aliphatic amine Has been proposed. Japanese Patent Application Laid-Open No. 2013-049048 (Patent Document 3) proposes a carbon dioxide-promoted transport film in which a gel layer comprising glycine and a deprotonating agent in a hydrogel film is carried on a heat-resistant porous film.

이밖에도 이산화탄소 분리를 위한 종래의 방법으로는 고분자막이나 제올라이트 무기막을 이용하는 기술이 있다. 그러나, 상기 고분자막은 높은 이산화탄소 선택성을 얻기 어렵고, 상기 제올라이트 무기막은 대면적으로 만들기 어렵다는 단점이 있다. As a conventional method for separating carbon dioxide, there is a technique using a polymer membrane or a zeolite inorganic film. However, the polymer membrane is difficult to obtain high carbon dioxide selectivity, and the zeolite inorganic membrane is difficult to make large area.

최근 고분자에 제올라이트를 첨가하여 높은 이산화탄소 선택성을 보이면서 대면적 제조가 가능한 혼합기질 분리막이 많이 연구되고 있는데, 특히나 높은 이산화탄소 선택성과 투과도를 보이는 기체 분리막이 요구되고 있다.In recent years, mixed membrane separators capable of producing a large area while exhibiting high selectivity to carbon dioxide by adding zeolite to a polymer have been extensively studied. Especially, a gas separator having high selectivity to carbon dioxide and permeability is required.

일본특허 공개 평성07-112122호Japanese Patent Laid-open No. Hei 07-112122 일본특허 공개 평성08-193156호Japanese Patent Publication No. Hei 08-193156 일본특허 공개 제2013-049048호Japanese Patent Application Laid-Open No. 2013-049048

본 발명의 목적은 가스 선택성과 가스 투과도가 동시에 월등히 향상된 금속-유기 다면체가 함유된 박막층을 포함하는 기체 분리막을 제공하는데 있다.It is an object of the present invention to provide a gas separation membrane including a thin film layer containing a metal-organic polyhedrone having significantly improved gas selectivity and gas permeability at the same time.

또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 기체 분리막을 제조하는 방법을 제공하는데 있다.It is another object of the present invention to provide a method of manufacturing the gas separation membrane.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 상기 기체 분리막을 구비하는 기체 분리막 모듈을 제공하는데 있다.It is still another object of the present invention to provide a gas separation membrane module having the gas separation membrane.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 상기 기체 분리막 모듈을 적용한 기체 분리 장치를 제공하는데 있다.It is still another object of the present invention to provide a gas separation apparatus to which the gas separation membrane module is applied.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기체 분리막은 다공성 기판의 상면에 형성된 제1 기체분리층, 상기 제1 기체분리층 상면에 형성된 제2 기체분리층, 및 상기 제2 기체분리층 상면에 형성된 기체선택층,을 포함할 수 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided a gas separation membrane including a first gas separation layer formed on an upper surface of a porous substrate, a second gas separation layer formed on an upper surface of the first gas separation layer, A gas-selective layer, and the like.

상기 제1 기체분리층은 하기 [반응식 1]에 따라 [화학식 1]의 화합물과 [화학식 2]의 화합물을 유기용매 하에서 교반시켜 제조된 제1 기체분리층 물질이 코팅된 것일 수 있다;The first gas separation layer may be coated with a first gas separation layer material prepared by stirring the compound of Formula 1 and the compound of Formula 2 in an organic solvent according to the following Reaction Scheme 1:

[반응식 1][Reaction Scheme 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

[화학식 1] [화학식 2][Chemical Formula 1] < EMI ID =

상기 제2 기체분리층은 하기 [반응식 2]에 따라 [화학식 3]의 화합물과 [화학식 4]의 화합물을 유기용매 하에서 교반시켜 제조된 제2 기체분리층 물질이 코팅된 것일 수 있다;The second gas separation layer may be coated with a second gas separation layer material prepared by stirring the compound of Formula 3 and the compound of Formula 4 in an organic solvent according to the following Reaction Formula 2;

[반응식 2][Reaction Scheme 2]

Figure pat00002
Figure pat00002

[화학식 3] [화학식 4][Chemical Formula 3]

상기 기체선택층은 폴리에틸렌글리콜계 물질, 할로겐이 치환된 금속, 금속-유기 다면체(EG-MOP), ATRP 리간드 및 환원제를 포함하는 용액에 상기 제2 기체분리층까지 코팅된 기판을 침지시켜 원자이동라디칼중합(ATRP)에 의해 증착된 것일 수 있다.The gas-selective layer is formed by immersing a substrate coated to the second gas-separation layer in a solution containing a polyethylene glycol-based material, a halogen-substituted metal, a metal-organic polyhedron (EG-MOP), an ATRP ligand and a reducing agent May be deposited by radical polymerization (ATRP).

상기 폴리에틸렌글리콜계 물질은 폴리에틸렌글리콜디아크릴레이트(PEGDA) 및 폴리에틸렌글리콜메틸에테르아크릴레이트(PEGMEA9)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것일 수 있다.The polyethylene glycol-based material may be at least one selected from the group consisting of polyethylene glycol diacrylate (PEGDA) and polyethylene glycol methyl ether acrylate (PEGMEA9).

상기 금속-유기 다면체(EG-MOP)는 하기 [화학식 5]로 표현되는 것일 수 있다;The metal-organic polyhedra (EG-MOP) may be represented by the following formula (5);

[화학식 5][Chemical Formula 5]

Figure pat00003
Figure pat00003

상기 M1 및 M2는 Cu2+일 수 있다.The M 1 and M 2 may be Cu 2+ .

상기 L1, L2, L3 및 L4는 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 하기 [화학식 6]으로 표현되는 유기리간드이다.L 1 , L 2 , L 3 and L 4 are the same or different and each independently an organic ligand represented by the following formula (6).

[화학식 6][Chemical Formula 6]

Figure pat00004
Figure pat00004

바람직하게, 상기 L1, L2, L3 및 L4은 하기 [화학식 7]로 표현되는 유기리간드일 수 있다.Preferably, L 1 , L 2 , L 3 and L 4 may be organic ligands represented by the following formula (7).

[화학식 7](7)

Figure pat00005
Figure pat00005

바람직하게, 상기 L1, L2, L3 및 L4는 하기 [화학식 8]로 표현되는 유기리간드일 수 있다.Preferably, L 1 , L 2 , L 3 and L 4 may be organic ligands represented by the following formula (8).

[화학식 8][Chemical Formula 8]

Figure pat00006
Figure pat00006

상기 금속-유기 다면체는 5 내지 8 Å의 기공입구 및 10 내지 15 Å의 내부기공이 형성된 것일 수 있다.The metal-organic polyhedron may have a pore inlet of 5 to 8 angstroms and an inner pore of 10 to 15 angstroms.

상기 ATRP 리간드는 트리스[2-(디메틸아미노)에틸]아민(tris[2-(dimethylamino)ethyl]amine), 트리스[2-디(부틸아크릴레이트)아미노에틸]아민(tris(2-di(butylacrylate)aminoethyl)amine) 및 2-(디메틸아미노)에틸메타아크릴레이트)(2-(dimethylamino)ethyl methacrylate)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.The ATRP ligand may be a tris [2- (dimethylamino) ethyl] amine, tris [2- ) aminoethyl) amine and 2- (dimethylamino) ethyl methacrylate) (2- (dimethylamino) ethyl methacrylate).

상기 환원제는 아스코르빈산 나트륨(sodium ascorbate) 및 아지드화 나트륨(sodium azide)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.The reducing agent may be at least one selected from the group consisting of sodium ascorbate and sodium azide.

상기 기체 분리막의 두께는 10 내지 400 ㎛일 수 있다.The thickness of the gas separation membrane may be 10 to 400 탆.

상기 기체선택층의 두께는 50 내지 300 nm일 수 있다.The thickness of the gas-selective layer may be 50 to 300 nm.

또한, 상기한 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기체 분리막을 제조하는 방법은 (A) 다공성 기판의 상면에 제1 기체분리층을 형성하는 단계; (B) 상기 제1 기체분리층 상면에 제2 기체분리층을 형성하는 단계; 및 (C) 상기 제2 기체분리층 상면에 기체선택층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a gas separation membrane, including: (A) forming a first gas separation layer on a surface of a porous substrate; (B) forming a second gas separation layer on the upper surface of the first gas separation layer; And (C) forming a gas selective layer on the upper surface of the second gas separation layer.

상기 제1 기체분리층은 상기 [반응식 1]에 따라 [화학식 1]의 화합물과 [화학식 2]의 화합물을 유기용매 하에서 혼합하여 초음파처리 제조된 제1 기체분리층 물질이 코팅된 것일 수 있다.The first gas separation layer may be formed by coating a first gas separation layer material obtained by ultrasonic treatment by mixing the compound of Formula 1 and the compound of Formula 2 in an organic solvent according to the Reaction Scheme 1 described above.

상기 제2 기체분리층은 상기 [반응식 2]에 따라 [화학식 3]의 화합물과 [화학식 4]의 화합물을 유기용매 하에서 혼합하여 초음파처리 제조된 제2 기체분리층 물질이 코팅된 것일 수 있다.The second gas separation layer may be formed by coating a second gas separation layer material obtained by ultrasonication by mixing the compound of the formula (3) and the compound of the formula (4) in an organic solvent according to the scheme 2.

상기 기체선택층은 폴리에틸렌글리콜계 물질, 할로겐이 치환된 금속, 금속-유기 다면체(EG-MOP), ATRP 리간드 및 환원제를 포함하는 용액에 상기 제2 기체분리층까지 코팅된 기판을 침지시켜 원지이동라디칼중합(ATRP)에 의해 증착된 것일 수 있다.The gas-selective layer is formed by immersing a substrate coated to the second gas-separation layer in a solution containing a polyethylene glycol-based material, a halogen-substituted metal, a metal-organic polyhedron (EG-MOP), an ATRP ligand and a reducing agent May be deposited by radical polymerization (ATRP).

상기 폴리에틸렌글리콜계 물질과 금속-유기 다면체(EG-MOP)는 90-99 : 1-10의 중량비로 혼합될 수 있다.The polyethylene glycol-based material and the metal-organic polyhedron (EG-MOP) may be mixed in a weight ratio of 90-99: 1-10.

상기 폴리에틸렌글리콜계 물질은 폴리에틸렌글리콜디아크릴레이트(PEGDA) 및 폴리에틸렌글리콜메틸에테르아크릴레이트(PEGMEA9)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.The polyethylene glycol-based material may be at least one selected from the group consisting of polyethylene glycol diacrylate (PEGDA) and polyethylene glycol methyl ether acrylate (PEGMEA9).

상기 금속-유기 다면체(EG-MOP)는 상기 [화학식 5]로 표현되며, (a) 금속 전구체, 제1 용매 및 하기 [화학식 6]으로 표현되는 유기리간드를 포함하는 용액을 반응시키는 단계;를 포함하여 제조될 수 있다.The metal-organic polyhedra (EG-MOP) is represented by the following formula (5): (a) reacting a solution containing a metal precursor, a first solvent and an organic ligand represented by the following formula , ≪ / RTI >

상기 L1, L2, L3 및 L4는 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 하기 [화학식 6]으로 표현되는 유기리간드이다.L 1 , L 2 , L 3 and L 4 are the same or different and each independently an organic ligand represented by the following formula (6).

[화학식 6][Chemical Formula 6]

Figure pat00007
Figure pat00007

상기 금속 전구체는 Cu일 수 있다.The metal precursor may be Cu.

상기 [화학식 6]으로 표현되는 유기리간드는,The organic ligand represented by the above formula (6)

(a-Ⅰ) 디메틸-5-히드록시이소프탈레이트, 제2 용매 및 하기 [화학식 9]로 표현되는 단량체를 포함하는 용액을 촉매 존재하에 반응시켜 제1 반응용액을 수득하는 단계; (a-Ⅱ) 상기 제1 반응용액을 추출한 용액, 제3 용매 및 수산화물을 포함하는 용액을 반응시켜 제2 반응용액을 수득하는 단계; 및 (a-Ⅲ) 상기 제2 반응용액에 산을 첨가하여 침전물을 수득하는 단계;를 포함하여 제조될 수 있다;(a-I) reacting a solution containing dimethyl-5-hydroxyisophthalate, a second solvent and a monomer represented by the following formula (9) in the presence of a catalyst to obtain a first reaction solution; (a-II) reacting a solution containing the first reaction solution, a third solvent and a hydroxide to obtain a second reaction solution; And (a-III) adding an acid to the second reaction solution to obtain a precipitate;

[화학식 9][Chemical Formula 9]

Figure pat00008
Figure pat00008

상기 제1 용매, 제2 용매 및 제3 용매는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 디메틸포름아미드(N,N-Dimethyl Formamide, DMF), 메틸에틸케톤(Methyl ethyl keytone, MEK), 포름알데히드(Formaldehyde, FA), 디에틸포름아미드(N,N-Diethyl Formamide, DEF), 디메틸아세트아미드(Dimethylacetamide, DMA), 메탄올(methanol, MeOH), 에탄올(ethanol, EtOH), 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran, THF), 물(water, H2O), 1-메틸-2-피롤리디논(1-Methyl-2-pyrrolidinone, NMP), 디메틸설폭시드(Dimethyl Sulfoxide, DMSO), 다이에틸 에테르(Diethyl Ether, Ether) 및 이들의 혼합물 중에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.The first, second and third solvents may be the same or different from each other and each independently selected from the group consisting of N, N-Dimethyl Formamide (DMF), Methyl ethyl ketone (MEK), formaldehyde Dimethylformamide (DEF), dimethylacetamide (DMA), methanol (MeOH), ethanol (EtOH), tetrahydrofuran (THF) ), Water (H 2 O), 1-methyl-2-pyrrolidinone (NMP), dimethyl sulfoxide (DMSO), diethyl ether ), And mixtures thereof.

또한, 상기한 또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기체 분리막 모듈은 상기 기체 분리막을 구비할 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a gas separation membrane module including the gas separation membrane.

또한, 상기한 또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기체 분리 장치는 상기 기체 분리막 모듈과, 적어도 기체와 수증기를 포함하는 혼합 기체를 상기 기체 분리막 모듈에 공급하기 위한 기체 공급부를 구비할 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a gas separation apparatus comprising the gas separation membrane module and a gas supply unit for supplying a gas mixture containing at least gas and water vapor to the gas separation membrane module.

본 발명의 기체 분리막은 종래의 우수한 가스 선택성을 보이는 기체 분리막과 유사한 정도의 가스 선택성을 유지하면서 종래의 기체 분리막에 비하여 가스 투과도를 월등히 향상시킬 수 있습니다. 즉, 본 발명의 기체 분리막은 가스 선택성 및 가스 투과도 모두 우수합니다.The gas separation membrane of the present invention can significantly improve the gas permeability compared to the conventional gas separation membrane while maintaining the gas selectivity similar to that of the conventional gas separation membrane having excellent gas selectivity. That is, the gas separation membrane of the present invention has excellent gas selectivity and gas permeability.

더욱이, 본 발명의 기체 분리막은 친수성 작용기를 가지고 있는 금속-유기 다면체를 이용하여 더욱 우수한 기체 선택성과 기체 투과도를 보인다.Furthermore, the gas separation membrane of the present invention exhibits superior gas selectivity and gas permeability by using a metal-organic polyhedron having a hydrophilic functional group.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따라 기체 분리막을 제조하는 과정을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제조예 1에 따른 EG3-Tos의 합성과정을 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 제조예 1에 따른 EG3-Tos의 1H-NMR 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 제조예 1에 따른 EG3-BDC의 합성과정을 나타낸 모식도이다.
도 5는 본 발명의 제조예 1에 따른 EG3-BDC의 1H-NMR 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따라 제1 기체분리층 물질의 합성과정을 나타낸 모식도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따라 제2 기체분리층 물질의 합성과정을 나타낸 모식도이다.
1 is a view illustrating a process of manufacturing a gas separation membrane according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram showing a process for synthesizing EG 3 -Tos according to Preparation Example 1 of the present invention.
3 is a 1 H-NMR spectrum of EG 3 -Tos according to Production Example 1 of the present invention.
4 is a schematic diagram showing a process of synthesizing EG 3 -BDC according to Production Example 1 of the present invention.
5 shows the 1 H-NMR spectrum of EG 3 -BDC according to Production Example 1 of the present invention.
6 is a schematic view illustrating a process of synthesizing a first gas separation layer material according to an embodiment of the present invention.
7 is a schematic view illustrating a process of synthesizing a second gas separation layer material according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 가스 선택성과 가스 투과도가 동시에 월등히 향상된 금속-유기 다면체가 함유된 박막층을 포함하는 기체 분리막 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a gas separation membrane including a metal-organic polyhedron-containing thin film layer having enhanced gas selectivity and gas permeability at the same time, and a method for producing the same.

본 발명은 금속-유기 다면체를 포함하는 기체선택층에 의해 혼합기체 중에서 이산화탄소와 같은 친수성 기체에 대한 선택성과 투과도를 동시에 높이며, 제1 기체분리층 및 제2 기체분리층에 의해 높은 기체 투과도 및 기체 분리도를 보인다.The present invention relates to a gas-selective layer comprising a metal-organic polyhedron, which simultaneously enhances selectivity and permeability for a hydrophilic gas such as carbon dioxide in a mixed gas, and has high gas permeability and high gas permeability by the first gas- It shows separation.

본 발명에서 분리되는 기체는 H2O, SF4, H2, CH4, 프로판, 프로펜, 에틸렌, 아세틸렌, NO2, H2S, SO2, O2, CO, Ar, He, N2, CO2 ,Kr, Ne, CFCs 및 O3 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 특히, 본 발명의 기체 분리막은 이산화탄소(CO2)에 대한 분리특성이 우수하다.
The gas is separated in the present invention include H 2 O, SF 4, H 2, CH 4,, propane, propene, ethylene, acetylene NO 2, H 2 S, SO 2, O 2, CO, Ar, He, N 2 , CO 2 , Kr, Ne, CFCs, and O 3 , but is not limited thereto. Particularly, the gas separation membrane of the present invention is excellent in separation characteristics against carbon dioxide (CO 2 ).

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

본 발명의 기체 분리막은 다공성 기판의 상면에 형성된 제1 기체분리층, 상기 제1 기체분리층 상면에 형성된 제2 기체분리층, 및 상기 제2 기체분리층 상면에 형성된 기체선택층,을 포함한다.The gas separation membrane of the present invention includes a first gas separation layer formed on the upper surface of the porous substrate, a second gas separation layer formed on the upper surface of the first gas separation layer, and a gas selection layer formed on the upper surface of the second gas separation layer .

다공성 기판Porous substrate

상기 다공성 기판은 기체가 통과할 수 있는 다공성이 형성된 기판이라면 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 폴리아크릴로나이트릴(PAN, Polyacrylonitrile) 기판, 셀룰로스(Regenerated Cellulose) 기판, 폴리이미드(Polyimide) 기반, 폴리설폰(Polysulfone) 또는 폴리카보네이트(Polycarbonate) 기판을 들 수 있다.The porous substrate is not particularly limited as long as it is a porous substrate on which a gas can pass, but preferably a polyacrylonitrile (PAN) substrate, a cellulose (Regenerated Cellulose) substrate, a polyimide- Polysulfone or polycarbonate substrates may be mentioned.

제1 기체분리층The first gas-

상기 제1 기체분리층은 상기 다공성 기판의 상면에, 하기 [반응식 1]에 따라 [화학식 1]의 화합물과 [화학식 2]의 화합물을 유기용매 하에서 교반시켜 제조된 제1 기체분리층용 물질이 코팅되어 형성된 것으로서, 제2 기체분리층용 물질이 다공성 기판으로 스며드는 것을 방지하고 혼합기체에서 불순물로 여겨지는 이산화탄소 등의 기체를 분리한다.The first gas separation layer is formed on the upper surface of the porous substrate by stirring a compound of formula (1) and a compound of formula (2) in an organic solvent according to Reaction Scheme 1 below, Thereby preventing the material for the second gas-separation layer from permeating into the porous substrate and separating gas such as carbon dioxide, which is regarded as impurities in the gas mixture.

[반응식 1][Reaction Scheme 1]

Figure pat00009
Figure pat00009

[화학식 1] [화학식 2][Chemical Formula 1] < EMI ID =

상기 화학식 1에서, R1은 수소원자, 할로겐원자, 히드록시기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알콕시기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알킬아민기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 20의 알케닐기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 알킬아릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴아민기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴옥시기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴기, 혹은 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴옥시기이고;Wherein R 1 represents a hydrogen atom, a halogen atom, a hydroxy group, a substituted or unsubstituted C1-C20 alkyl group, a substituted or unsubstituted C1-C20 alkoxy group, a substituted or unsubstituted C1- A substituted or unsubstituted C1 to C30 alkylamine group, a substituted or unsubstituted C2 to C20 alkenyl group, a substituted or unsubstituted C6 to C30 aryl group, a substituted or unsubstituted C6 to C30 alkylaryl group, An arylamine group having 6 to 30 carbon atoms, a substituted or unsubstituted aryloxy group having 6 to 30 carbon atoms, a substituted or unsubstituted heteroaryl group having 2 to 30 carbon atoms, or a substituted or unsubstituted heteroaryl group having 2 to 30 carbon atoms Lt; / RTI >

상기 n은 1 내지 100의 정수이며;N is an integer from 1 to 100;

상기 화학식 2에서, R2 내지 R7은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소원자, 할로겐원자, 히드록시기, 치환 또는 비치환된 카르보닐기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알콕시기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알킬아민기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 20의 알케닐기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 알킬아릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴아민기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴옥시기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴기, 또는 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴옥시기이다.In Formula 2, R 2 to R 7 are the same or different from each other and each independently represents a hydrogen atom, a halogen atom, a hydroxy group, a substituted or unsubstituted carbonyl group, a substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, A substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, a substituted or unsubstituted alkylamine group having 1 to 20 carbon atoms, a substituted or unsubstituted alkenyl group having 2 to 20 carbon atoms, a substituted or unsubstituted aryl group having 6 to 30 carbon atoms, A substituted or unsubstituted aryloxy group having 6 to 30 carbon atoms, a substituted or unsubstituted aryloxy group having 6 to 30 carbon atoms, a substituted or unsubstituted arylamine group having 6 to 30 carbon atoms, a substituted or unsubstituted aryloxy group having 6 to 30 carbon atoms, A substituted or unsubstituted C2-C30 heteroaryl group, or a substituted or unsubstituted C2-C30 heteroaryloxy group.

제2 기체분리층The second gas-

상기 제2 기체분리층은 상기 제1 기체분리층의 상면에, 하기 [반응식 2]에 따라 [화학식 3]의 화합물과 [화학식 4]의 화합물을 유기용매 하에서 교반시켜 제조된 제2 기체분리층용 물질이 코팅되어 형성된 것으로서, 혼합기체에서 불순물로 여겨지는 기체를 분리한다. 상기 제2 기체분리층은 표면에 할로겐 작용기를 가지고 있어 마지막 기체선택층과의 고분자 중합반응을 할 수 있다. 또한, 본 발명의 기체 분리막은 두 번(제1 기체분리층과 제2 기체분리층)에 걸쳐 기체가 분리되므로 기체 분리도가 높다.The second gas-phase separation layer is formed on the upper surface of the first gas-phase separation layer in such a manner that the compound represented by the general formula (3) and the compound represented by the general formula (4) The gas is formed by coating the material, which is regarded as an impurity in the mixed gas. The second gas-phase separation layer has a halogen functional group on the surface thereof, and can polymerize with the last gas-selective layer. Further, in the gas separation membrane of the present invention, since the gas is separated twice through the first gas separation layer and the second gas separation layer, the degree of gas separation is high.

[반응식 2][Reaction Scheme 2]

Figure pat00010
Figure pat00010

[화학식 3] [화학식 4][Chemical Formula 3]

상기 화학식 3에서, R8은 수소원자, 할로겐원자, 히드록시기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알콕시기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알킬아민기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 20의 알케닐기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 알킬아릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴아민기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴옥시기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴기, 혹은 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴옥시기이고;In Formula 3, R 8 represents a hydrogen atom, a halogen atom, a hydroxy group, a substituted or unsubstituted C1-C20 alkyl group, a substituted or unsubstituted C1-C20 alkoxy group, a substituted or unsubstituted C1- A substituted or unsubstituted C1 to C30 alkylamine group, a substituted or unsubstituted C2 to C20 alkenyl group, a substituted or unsubstituted C6 to C30 aryl group, a substituted or unsubstituted C6 to C30 alkylaryl group, An arylamine group having 6 to 30 carbon atoms, a substituted or unsubstituted aryloxy group having 6 to 30 carbon atoms, a substituted or unsubstituted heteroaryl group having 2 to 30 carbon atoms, or a substituted or unsubstituted heteroaryl group having 2 to 30 carbon atoms Lt; / RTI >

상기 m은 1 내지 100의 정수이며;M is an integer of 1 to 100;

상기 화학식 4는

Figure pat00011
이거나, R9가 수소원자, 할로겐원자, 히드록시기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알콕시기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알킬아민기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 20의 알케닐기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 알킬아릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴아민기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴옥시기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴기, 혹은 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴옥시기이고;The formula (4)
Figure pat00011
Or R 9 represents a hydrogen atom, a halogen atom, a hydroxy group, a substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, a substituted or unsubstituted alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, a substituted or unsubstituted alkylamine having 1 to 20 carbon atoms A substituted or unsubstituted C2 to C20 alkenyl group, a substituted or unsubstituted C6 to C30 aryl group, a substituted or unsubstituted C6 to C30 alkyl aryl group, a substituted or unsubstituted C6 to C30 aryl group, A substituted or unsubstituted aryloxy group having 1 to 30 carbon atoms, a substituted or unsubstituted aryloxy group having 6 to 30 carbon atoms, a substituted or unsubstituted heteroaryl group having 2 to 30 carbon atoms, or a substituted or unsubstituted heteroaryloxy group having 2 to 30 carbon atoms ;

상기 X는 플루오르(F), 염소(Cl), 브롬(Br) 또는 요오드(I)로서, 이후 원자이동라디칼중합(ATRP) 반응을 수행하기 위하여 반드시 필요한 치환기이다.X is fluorine (F), chlorine (Cl), bromine (Br) or iodine (I) and is a necessary substituent for carrying out an atom transfer radical polymerization (ATRP) reaction.

기체선택층Gas-selective layer

상기 기체선택층은 금속-유기 다면체(EG-MOP)를 포함하는 기체선택층용 물질이 상기 제2 기체분리층의 상면에 증착되어 혼합기체 중에서 분리를 원하는 기체에 대한 선택성과 투과도를 동시에 높인다.The gas-selective layer is formed by depositing a gas-selective layer material including a metal-organic polyhedron (EG-MOP) on the upper surface of the second gas-separation layer, thereby increasing the selectivity and permeability of the gas desired to be separated in the gas mixture.

상기 기체선택층은 폴리에틸렌글리콜계 물질, 금속-유기 다면체(EG-MOP), 할로겐이 치환된 금속, ATRP 리간드 및 환원제를 포함하는 용액에 상기 제2 기체분리층까지 코팅된 기판을 침지시켜 원자이동라디칼중합(ATRP)에 의해 증착된 것으로서, 금속-유기 다면체(EG-MOP)의 손상이 없으면서 균일한 분자량을 가지고 있어 기체 투과도가 일정한 고분자를 제조하기 위하여 원자이동라디칼중합(ATRP)을 이용한 것이다. The gas-selective layer is formed by immersing a substrate coated to the second gas-phase separation layer in a solution containing a polyethylene glycol-based material, a metal-organic polyhedron (EG-MOP), a halogen-substituted metal, an ATRP ligand and a reducing agent (ATRP) to produce a polymer with a uniform gas permeability without damage to the metal-organic polyhedron (EG-MOP) and having a uniform gas permeability.

상기 폴리에틸렌글리콜계 물질은 금속-유기 다면체(EG-MOP)와 결합되어 기체 선택성을 높이기 위하여 사용되는 것으로서, 구체적으로 폴리에틸렌글리콜디아크릴레이트(PEGDA) 및 폴리에틸렌글리콜메틸에테르아크릴레이트(PEGMEA9)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 들 수 있다. The polyethylene glycol-based material is used for enhancing gas selectivity by being bonded to a metal-organic polyhedron (EG-MOP), and specifically includes polyethylene glycol diacrylate (PEGDA) and polyethylene glycol methyl ether acrylate (PEGMEA9) . ≪ / RTI >

상기 할로겐이 치환된 금속은 원자이동라디칼중합(ATRP) 반응을 수행하기 위하여 필요한 물질로서, 금속으로는 Mg2+, Ca2+, Sr2+, Ba2+, Sc3+, Y3+, Ti4+, Zr4+, Hf4+, V4+, V3+, V2+, Nb3+, Ta3+, Cr3+, Mo3+, W3+, Mn3+, Mn2+, Re3+, Re2+, Fe3+, Fe2+, Ru3+, Ru2+, Os3+, Os2+, Co3+, Co2+, Rh2+, Rh+, Ir2+, Ir+, Ni2+, Ni+, Pd2+, Pd+, Pt2+, Pt+, Cu2+, Cu+, Ag+, Au+, Zn2+, Cd2+, Hg2+, Al3+, Ga3+, In3+, Tl3+, Si4+, Si2+, Ge4+, Ge2+, Sn4+, Sn2+, Pb4+, Pb2+, As5+, As3+, As+, Sb5+, Sb3+, Sb+, Bi5+, Bi3+ 및 Bi+ 중에서 선택되는 1종을 들 수 있으며; 할로겐으로는 플루오르(F), 염소(Cl), 브롬(Br) 또는 요오드(I)를 들 수 있고 상기 제2 기체분리층의 할로겐과 동일한 것이 바람직하다.The halogen-substituted metal is a substance necessary for performing an atom transfer radical polymerization (ATRP) reaction. Examples of the metal include Mg 2+ , Ca 2+ , Sr 2+ , Ba 2+ , Sc 3+ , Y 3+ , Ti 4+ , Zr 4+ , Hf 4+ , V 4+ , V 3+ , V 2+ , Nb 3+ , Ta 3+ , Cr 3+ , Mo 3+ , W 3+ , Mn 3+ , Mn 2 + , Re 3+ , Re 2+ , Fe 3+ , Fe 2+ , Ru 3+ , Ru 2+ , Os 3+ , Os 2+ , Co 3+ , Co 2+ , Rh 2+ , Rh + , Ir 2+, Ir +, Ni 2+, Ni +, Pd 2+, Pd +, Pt 2+, Pt +, Cu 2+, Cu +, Ag +, Au +, Zn 2+, Cd 2+, Hg 2 + , Al 3+ , Ga 3+ , In 3+ , Tl 3+ , Si 4+ , Si 2+ , Ge 4+ , Ge 2+ , Sn 4+ , Sn 2+ , Pb 4+ , Pb 2+ , As 5+ , As 3+ , As + , Sb 5+ , Sb 3+ , Sb + , Bi 5+ , Bi 3+ and Bi + ; The halogen may be fluorine (F), chlorine (Cl), bromine (Br) or iodine (I), and is preferably the same as the halogen of the second gas separation layer.

또한, 상기 ATRP 리간드는 원자이동라디칼중합(ATRP) 반응을 수행하기 위하여 필요한 물질로서, 구체적으로 트리스[2-(디메틸아미노)에틸]아민(tris[2-(dimethylamino)ethyl]amine), 트리스[2-디(부틸아크릴레이트)아미노에틸]아민(tris(2-di(butylacrylate)aminoethyl)amine) 및 2-(디메틸아미노)에틸메타아크릴레이트)(2-(dimethylamino)ethyl methacrylate)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 들 수 있다.In addition, the ATRP ligand is a substance necessary for carrying out the ATRP reaction, and specifically includes tris [2- (dimethylamino) ethyl] amine, tris [ (2-di (butylacrylate) aminoethyl) amine and 2- (dimethylamino) ethyl methacrylate) (2- (dimethylamino) ethyl methacrylate) And at least one selected.

또한, 상기 환원제 역시 원자이동라디칼중합(ATRP) 반응을 수행하기 위하여 필요한 물질로서, 아스코르빈산 나트륨(sodium ascorbate) 및 아지드화 나트륨(sodium azide) 로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 들 수 있다. In addition, the reducing agent may be at least one selected from the group consisting of sodium ascorbate and sodium azide, which are required to perform ATRP (atom transfer radical polymerization) .

또한, 상기 금속-유기 다면체(EG-MOP)는 [화학식 5]로 표현될 수 있다.In addition, the metal-organic polyhedra (EG-MOP) can be represented by the following formula (5).

[화학식 5][Chemical Formula 5]

Figure pat00012
Figure pat00012

상기 화학식 5에서, 상기 M1 및 M2는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 Mg2+, Ca2+, Sr2+, Ba2+, Sc3+, Y3+, Ti4+, Zr4+, Hf4+, V4+, V3+, V2+, Nb3+, Ta3+, Cr3+, Mo3+, W3+, Mn3+, Mn2+, Re3+, Re2+, Fe3+, Fe2+, Ru3+, Ru2+, Os3+, Os2+, Co3+, Co2+, Rh2+, Rh+, Ir2+, Ir+, Ni2+, Ni+, Pd2+, Pd+, Pt2+, Pt+, Cu2+, Cu+, Ag+, Au+, Zn2+, Cd2+, Hg2+, Al3+, Ga3+, In3+, Tl3+, Si4+, Si2+, Ge4+, Ge2+, Sn4+, Sn2+, Pb4+, Pb2+, As5+, As3+, As+, Sb5+, Sb3+, Sb+, Bi5+, Bi3+ 및 Bi+ 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상이고;In Formula 5, M 1 and M 2 are the same or different from each other and each independently represents Mg 2+ , Ca 2+ , Sr 2+ , Ba 2+ , Sc 3+ , Y 3+ , Ti 4+ , Zr 4+ , Hf 4+ , V 4+ , V 3+ , V 2+ , Nb 3+ , Ta 3+ , Cr 3+ , Mo 3+ , W 3+ , Mn 3+ , Mn 2+ , Re 3+ , Re 2+ , Fe 3+ , Fe 2+ , Ru 3+ , Ru 2+ , Os 3+ , Os 2+ , Co 3+ , Co 2+ , Rh 2+ , Rh + , Ir 2+ , Ir + , Ni 2+, Ni +, Pd 2+, Pd +, Pt 2+, Pt +, Cu 2+, Cu +, Ag +, Au +, Zn 2+, Cd 2+, Hg 2+, Al 3+ , Ga 3+ , In 3+ , Tl 3+ , Si 4+ , Si 2+ , Ge 4+ , Ge 2+ , Sn 4+ , Sn 2+ , Pb 4+ , Pb 2+ , As 5+ , As 3+ , As + , Sb 5+ , Sb 3+ , Sb + , Bi 5+ , Bi 3+ and Bi + ;

상기 x는 3 내지 100의 정수이며;X is an integer from 3 to 100;

상기 L1, L2, L3 및 L4는 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 하기 [화학식 6]으로 표현되는 유기리간드이며;Wherein L 1 , L 2 , L 3 and L 4 are the same or different and each independently represents an organic ligand represented by the following formula (6);

[화학식 6][Chemical Formula 6]

Figure pat00013
Figure pat00013

상기 R10, R11 및 R12는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소원자, 할로겐원자, 히드록시기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알콕시기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알킬아민기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 20의 알케닐기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 알킬아릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴아민기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴옥시기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴기, 혹은 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴옥시기이고;R 10 , R 11 and R 12 are the same or different and each independently represents a hydrogen atom, a halogen atom, a hydroxy group, a substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, a substituted or unsubstituted alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms A substituted or unsubstituted C1-C20 alkylamine group, a substituted or unsubstituted C2-C20 alkenyl group, a substituted or unsubstituted C6-C30 aryl group, a substituted or unsubstituted C6- A substituted or unsubstituted arylamine group having 6 to 30 carbon atoms, a substituted or unsubstituted aryloxy group having 6 to 30 carbon atoms, a substituted or unsubstituted heteroaryl group having 2 to 30 carbon atoms, Or an unsubstituted heteroaryloxy group having 2 to 30 carbon atoms;

상기 y는 1 내지 20의 정수이다.Y is an integer of 1 to 20;

상기 M1 및 M2는 Cu2+일 수 있다.The M 1 and M 2 may be Cu 2+ .

상기 L1, L2, L3 및 L4는 하기 [화학식 7] 또는 [화학식 8]로 표현되는 유기리간드 중에서 서로 동일하거나 상이하게 선택될 수 있다.L 1 , L 2 , L 3 and L 4 may be the same or different from each other among the organic ligands represented by the following formulas (7) and (8).

[화학식 7](7)

Figure pat00014
Figure pat00014

[화학식 8][Chemical Formula 8]

Figure pat00015
Figure pat00015

상기 금속-유기 다면체는 5 내지 8 Å의, 바람직하게는 6 내지 7 Å의 기공입구; 및 10 내지 15 Å, 바람직하게는 13 내지 14 Å의 내부기공이 형성된 것일 수 있다.The metal-organic polyhedra has a pore inlet of 5 to 8 A, preferably 6 to 7 A; And an inner pore of 10 to 15 angstroms, preferably 13 to 14 angstroms.

상기 기체선택층을 제조시 폴리에틸렌글리콜계 물질과 금속-유기 다면체(EG-MOP)는 90-99 : 1-10의 중량비, 바람직하게는 95-99 : 1-5의 중량비로 혼합된다. 폴리에틸렌글리콜계 물질과 금속-유기 다면체(EG-MOP)의 함량이 상기 바람직한 범위를 벗어나는 경우에는 기체 선택성 및 기체 투과도 모두 현저히 감소될 수 있다.In preparing the gas-selective layer, the polyethylene glycol-based material and the metal-organic polyhedron (EG-MOP) are mixed at a weight ratio of 90-99: 1-10, preferably 95-99: 1-5. When the content of the polyethylene glycol-based material and the metal-organic polyhedra (EG-MOP) is out of the preferable range, both the gas selectivity and the gas permeability can be remarkably reduced.

이와 같이 형성된 기체선택층의 두께는 50 내지 300 nm, 바람직하게는 100 내지 200 nm로서, 박막으로 형성되어 기체 투과도가 향상된다. 기체선택층의 두께가 상기 바람직한 범위의 하한치 미만인 경우에는 기체 투과도는 향상되지만 기체 선택성이 저하될 수 있으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 기체 투과도가 감소될 수 있다.The gas-selective layer thus formed has a thickness of 50 to 300 nm, preferably 100 to 200 nm, and is formed into a thin film to improve gas permeability. When the thickness of the gas-selective layer is less than the lower limit of the above-mentioned preferable range, the gas permeability may be improved but the gas selectivity may be lowered, and in the case of exceeding the upper limit, the gas permeability may be reduced.

본 발명의 기체 분리막 두께는 10 내지 400 ㎛, 바람직하게는 100 내지 300 ㎛로서, 기체 분리막의 두께가 상기 바람직한 범위를 벗어나는 경우에는 기체 선택성 및 기체 투과도가 현저히 감소될 수 있다.
The thickness of the gas separation membrane of the present invention is 10 to 400 占 퐉, preferably 100 to 300 占 퐉, and when the thickness of the gas separation membrane is out of the preferable range, gas selectivity and gas permeability can be remarkably reduced.

또한, 본 발명은 기체 분리막의 제조방법을 제공한다(도 1).The present invention also provides a method for producing a gas separation membrane (Fig. 1).

본 발명의 기체 분리막을 제조하는 방법은 (A) 다공성 기판의 상면에 제1 기체분리층을 형성하는 단계; (B) 상기 제1 기체분리층 상면에 제2 기체분리층을 형성하는 단계; 및 (C) 상기 제2 기체분리층 상면에 기체선택층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.The method for producing a gas separation membrane of the present invention comprises the steps of: (A) forming a first gas separation layer on an upper surface of a porous substrate; (B) forming a second gas separation layer on the upper surface of the first gas separation layer; And (C) forming a gas selective layer on the upper surface of the second gas separation layer.

먼저, 상기 (A)단계에서는 다공성 기판의 상면에, 상기 [반응식 1]에 따라 [화학식 1]의 화합물과 [화학식 2]의 화합물을 유기용매 하에서 혼합하여 10 내지 60초, 바람직하게는 20 내지 30초 동안 초음파처리함으로써 제조된 제1 기체분리층용 물질을 스핀 코팅 등의 다양한 코팅방법으로 코팅하여 제1 기체분리층을 형성한다.In step (A), the compound of formula (1) and the compound of formula (2) are mixed in an organic solvent on the upper surface of the porous substrate for 10 to 60 seconds, The material for the first gas separation layer produced by ultrasonic treatment for 30 seconds is coated by various coating methods such as spin coating to form a first gas separation layer.

상기 초음파 처리 시간이 상기 바람직한 범위의 하한치 미만인 경우에는 생성되는 합성 물질의 수율이 낮고 기체 분리도를 향상시킬 수 없으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 부반응이 일어나 수율이 현저히 낮아질 수 있다.When the ultrasonic treatment time is less than the lower limit of the preferable range, the yield of the synthesized material is low and the gas separation can not be improved. If the ultrasonic treatment time exceeds the upper limit, a side reaction may occur and the yield may be significantly lowered.

다음으로, 상기 (B)단계에서는 상기 제1 기체분리층 상면에, 상기 [반응식 2]에 따라 [화학식 3]의 화합물과 [화학식 4]의 화합물을 유기용매 하에서 혼합하여 10 내지 60초, 바람직하게는 20 내지 30초 동안 초음파처리함으로써 제조된 제2 기체분리층용 물질을 스핀 코팅 등의 다양한 코팅방법으로 코팅하여 제2 기체분리층을 형성한다.Next, in the step (B), the compound of the formula (3) and the compound of the formula (4) are mixed in an organic solvent according to the reaction scheme 2 for 10 to 60 seconds on the upper surface of the first gas separation layer , The material for the second gas separation layer produced by ultrasonic treatment for 20 to 30 seconds is coated by various coating methods such as spin coating to form a second gas separation layer.

상기 초음파 처리 시간이 상기 바람직한 범위의 하한치 미만인 경우에는 생성되는 합성 물질의 수율이 낮고 기체 분리도를 향상시킬 수 없으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 부반응이 일어나 수율이 현저히 낮아질 수 있다.When the ultrasonic treatment time is less than the lower limit of the preferable range, the yield of the synthesized material is low and the gas separation can not be improved. If the ultrasonic treatment time exceeds the upper limit, a side reaction may occur and the yield may be significantly lowered.

다음으로, 상기 (C)단계에서는 상기 제2 기체분리층 상면에, 폴리에틸렌글리콜계 물질, 할로겐이 치환된 금속, 금속-유기 다면체(EG-MOP), ATRP 리간드 및 환원제를 포함하는 용액에 상기 제2 기체분리층까지 코팅된 기판을 침지시켜 증착을 통해 기체선택층을 형성한다.Next, in step (C), a solution containing a polyethylene glycol-based material, a metal substituted with a halogen, a metal-organic polyhedron (EG-MOP), an ATRP ligand and a reducing agent is applied to the upper surface of the second gas- 2 The substrate coated to the gas separation layer is dipped into a gas selective layer through deposition.

상기 침지 시간은 2 내지 6시간, 바람직하게는 3 내지 4시간이다. 침지 시간이 상기 바람직한 범위의 하한치 미만인 경우에는 기체선택층이 고르게 증착되지 않을 뿐만 아니라 일부분이 증착되지 않을 수 있으며, 상기 바람직한 범위의 상한치 초과인 경우에는 더 이상의 증착이 일어나지 않으므로 바람직하지 않다.The immersing time is 2 to 6 hours, preferably 3 to 4 hours. If the immersion time is less than the lower limit of the above-mentioned preferable range, the gas-selective layer may not be uniformly deposited, and a portion may not be deposited. If the immersion time is above the upper limit of the preferable range, further deposition is not performed.

상기 금속-유기 다면체(EG-MOP)는 상기 [화학식 5]로 표현되는 것으로서, (a) 금속 전구체, 제1 용매 및 상기 [화학식 6]으로 표현되는 유기리간드를 포함하는 용액을 반응시키는 단계;를 포함하여 제조된다.The metal-organic polyhedra (EG-MOP) is represented by the following formula (5): (a) reacting a solution containing a metal precursor, a first solvent and an organic ligand represented by the formula (6); .

상기 금속 전구체는 Cu일 수 있으며, 금속 전구체는 순수한 금속 나노 분말, 염화물(chloride), 브롬화물(bromide), 요오드화물(iodide), 질산염(nitrate), 아질산염(nitrite), 황산염(sulfate), 아세트산염(acetate), 아황산염(sulfite), 아세틸아세토네이트염(acetylacetoante) 및 수산화물(hydroxide) 중에서 선택되는 1종 이상의 형태일 수 있으며, 이에 한정되지 않는다. 구체적으로는 아세트산염일 수 있다.The metal precursor may be Cu and the metal precursor may be selected from the group consisting of pure metal nano powder, chloride, bromide, iodide, nitrate, nitrite, sulfate, But is not limited to, one or more types selected from acetate, sulfite, acetylacetoate and hydroxide. Specifically, it may be an acetic acid salt.

상기 [화학식 6]으로 표현되는 유기리간드는, (a-Ⅰ) 디메틸-5-히드록시이소프탈레이트, 제2 용매 및 하기 [화학식 9]로 표현되는 단량체를 포함하는 용액을 촉매 존재하에 반응시켜 제1 반응용액을 수득하는 단계; (a-Ⅱ) 상기 제1 반응용액을 추출한 용액, 제3 용매 및 수산화물을 포함하는 용액을 반응시켜 제2 반응용액을 수득하는 단계; 및 (a-Ⅲ) 상기 제2 반응용액에 산을 첨가하여 침전물을 수득하는 단계;를 포함하여 제조될 수 있다.The organic ligand represented by the formula (6) can be obtained by reacting a solution containing (a-I) dimethyl-5-hydroxyisophthalate, a second solvent and a monomer represented by the following formula 1 to obtain a reaction solution; (a-II) reacting a solution containing the first reaction solution, a third solvent and a hydroxide to obtain a second reaction solution; And (a-III) adding an acid to the second reaction solution to obtain a precipitate.

[화학식 9][Chemical Formula 9]

Figure pat00016
Figure pat00016

상기 z는 1 내지 20의 정수이다.And z is an integer of 1 to 20.

구체적인 예로, 상기 (a-Ⅰ) 단계는 80 내지 200 ℃, 바람직하게는 100 내지 120 ℃ 조건으로, 5 내지 30시간, 바람직하게는 22 내지 26시간 동안 리플럭스(reflux) 반응에 의하여 수행될 수 있고;, 상기 (a-Ⅱ) 단계는 50 내지 150 ℃, 바람직하게는 70 내지 90 ℃ 조건으로 5 내지 30시간, 바람직하게는 22 내지 26시간 동안 리플럭스 반응에 의하여 수행될 수 있으며; 상기 촉매는 바람직하게는 탄산칼륨을 사용할 수 있으며; 상기 수산화물은 바람직하게는 수산화나트륨을 사용할 수 있으며; 상기 산은 바람직하게는 염산을 사용할 수 있다.As a specific example, the step (a-I) may be carried out by a reflux reaction at 80 to 200 ° C, preferably 100 to 120 ° C for 5 to 30 hours, preferably 22 to 26 hours (A-II) may be carried out by a reflux reaction at 50 to 150 ° C, preferably 70 to 90 ° C for 5 to 30 hours, preferably 22 to 26 hours; The catalyst may preferably be potassium carbonate; The hydroxide may preferably be sodium hydroxide; The acid is preferably hydrochloric acid.

또한, 상기 (a-Ⅲ) 단계 이후에 수득한 침전물을 물로 세척하고 여과하여 생성된 생성물을 진공건조하는 단계를 더욱 포함할 수 있다.Further, the precipitate obtained after the step (a-III) may be washed with water and filtered to vacuum-dry the resulting product.

상기 제1 용매, 제2 용매 및 제3 용매는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 디메틸포름아미드(N,N-Dimethyl Formamide, DMF), 메틸에틸케톤(Methyl ethyl keytone, MEK), 포름알데히드(Formaldehyde, FA), 디에틸포름아미드(N,N-Diethyl Formamide, DEF), 디메틸아세트아미드(Dimethylacetamide, DMA), 메탄올(methanol, MeOH), 에탄올(ethanol, EtOH), 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran, THF), 물(water, H2O), 1-메틸-2-피롤리디논(1-Methyl-2-pyrrolidinone, NMP), 디메틸설폭시드(Dimethyl Sulfoxide, DMSO), 다이에틸 에테르(Diethyl Ether, Ether) 및 이들의 혼합물 중에서 선택되는 어느 하나일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 바람직하게는 제1 용매는 디메틸포름아미드, 제2 용매는 메틸에틸케톤 및 제3 용매는 에탄올을 사용할 수 있다. The first, second and third solvents may be the same or different from each other and each independently selected from the group consisting of N, N-Dimethyl Formamide (DMF), Methyl ethyl ketone (MEK), formaldehyde Dimethylformamide (DEF), dimethylacetamide (DMA), methanol (MeOH), ethanol (EtOH), tetrahydrofuran (THF) ), Water (H 2 O), 1-methyl-2-pyrrolidinone (NMP), dimethyl sulfoxide (DMSO), diethyl ether ), And mixtures thereof, but is not limited thereto. Preferably, the first solvent is dimethylformamide, the second solvent is methylethylketone, and the third solvent is ethanol.

본 발명의 기체 분리막과 같이 다공성 기판의 상면에 형성된 제1 기체분리층, 상기 제1 기체분리층 상면에 형성된 제2 기체분리층, 및 상기 제2 기체분리층 상면에 형성되며 금속-유기 다면체(EG-MOP)를 포함하는 기체선택층으로 이루어진 것과 달리, 제1 기체분리층 및 제2 기체분리층 없이 금속-유기 다면체(EG-MOP)만을 이용하여 제조된 기체 분리막(8-15 GPU)은 본 발명의 기체 분리막(260-310 GPU)에 비하여 기체 투과도가 현저히 낮다.
A first gas separation layer formed on the upper surface of the porous substrate such as the gas separation membrane of the present invention, a second gas separation layer formed on the upper surface of the first gas separation layer, and a second metal separation layer formed on the upper surface of the second gas separation layer, EG-MOP), a gas separation membrane (8-15 GPU) manufactured using only a metal-organic polyhedron (EG-MOP) without a first gas separation layer and a second gas separation layer The gas permeability is significantly lower than that of the gas separation membrane (260-310 GPU) of the present invention.

또한, 본 발명은 상기 기체 분리막이 구비된 기체 분리막 모듈을 제공할 수 있으며; 상기 기재된 기체 분리막 모듈, 적어도 기체와 수증기를 포함하는 혼합 기체를 상기 기체 분리막 모듈에 공급하기 위한 기체 공급부를 구비한 기체 분리 장치를 제공할 수 있다.
In addition, the present invention can provide a gas separation membrane module provided with the gas separation membrane; It is possible to provide a gas separation device having the above-described gas separation membrane module, and a gas supply part for supplying a gas mixture containing at least gas and water vapor to the gas separation membrane module.

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.

제조예 1. EGProduction Example 1. EG 33 -MOP 제조-MOP manufacture

EGEG 33 -Tos의 합성Synthesis of -Tos

200 mL 비커에 트리에틸렌 글리콜 모노메틸에테르(Triethylene glycol monomethylether) 15 mL(91.72 mmol), p-톨루엔설포닐 클로라이드(P-toluenesulforyl chloride) 20.2841 g(106.2 mmol) 및 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran, THF) 70 mL를 혼합시킨 용액에, 증류수 10 mL에 수산화나트륨 5.634 g을 모두 용해시킨 용액을 천천히 부어주고 6 시간 교반하였다. 35% 염산(HCl)을 10배 희석하여 상기 6시간 교반된 용액에 천천히 넣어주며 pH paper를 이용해 pH가 1~2로 되는 것을 확인한 후, 클로로포름과 증류수를 이용하여 3번 클로로포름 층에 있는 기름기 있는(oily) 생성물을 추출함으로써, EG3-Tos(2-(2-(2-methoxyethoxy)ethoxy)ethyl 4-methylbenzenesulfonate)를 합성하였다(수율 = ~ 100 %)[도 2]. To a 200 mL beaker was added 15 mL (91.72 mmol) of triethylene glycol monomethylether, 20.2841 g (106.2 mmol) of p-toluenesulphonyl chloride and 70 mL of tetrahydrofuran (THF) 70 mL solution of sodium hydroxide (5.634 g) dissolved in 10 mL of distilled water was slowly poured into the solution and stirred for 6 hours. 35% hydrochloric acid (HCl) was diluted 10-fold and slowly added to the stirred solution for 6 hours. After confirming that the pH was 1 to 2 by using a pH paper, chloroform and distilled water were used. (yield: ~ 100%) of EG 3 -Tos (2- (2-methoxyethoxy) ethoxy) ethyl 4-methylbenzenesulfonate was synthesized by extracting the oily product (FIG. 2).

EGEG 33 -BDC의 합성Synthesis of BDC

상기 합성된 PEO3-Tos 10 g, 디메틸-5-하이드록시 이소프탈레이트(Dimethyl-5-hydroxy isophthalate) 5 g(DHI, 23.79 mmol) 및 탄산칼륨(K2CO3, 16.43 g)을 메틸에틸케톤(MEK, 300 mL)에 혼합한 후 110 ℃에서 하루 동안 reflux 반응시켰다. 혼합된 용액을 식힌 후 rotary evaporator로 용매를 제거하고, 클로로포름과 증류수를 이용하여 3번 클로로포름 층에 있는 기름기 있는(oily) product를 추출하였다. 생성된 product 용액에 에탄올 200 mL를 넣고 교반한 후 증류수 100 mL에 수산화나트륨(NaOH, 23.324g)을 녹인 용액을 천천히 부어주고 80 ℃에서 하루동안 reflux 반응시켰다. 혼합된 용액을 식힌 후 rotary evaporator로 150 ~ 200 mL 용매를 남기고 용매를 제거하였다. 그리고 남은 용액에 35% 염산을 천천히 넣어주면서 침전물을 얻었다. 생성된 침전물을 소량의 물로 씻어 주면서 필터하여 하얀색 파우더 형태의 생성물을 얻고 진공 건조하였다(EGO3-BDC,수율=82%)[도 4]. 10 g of the synthesized PEO 3 -Tos, 5 g of dimethyl-5-hydroxy isophthalate (DHI, 23.79 mmol) and potassium carbonate (K 2 CO 3 , 16.43 g) were dissolved in methyl ethyl ketone (MEK, 300 mL), and then subjected to a reflux reaction at 110 ° C. for one day. After cooling the mixed solution, the solvent was removed using a rotary evaporator, and oily product in chloroform layer 3 was extracted with chloroform and distilled water. After 200 mL of ethanol was added to the product solution, the solution was slowly poured into 100 mL of distilled water and sodium hydroxide (NaOH, 23.324 g) was slowly poured into the solution. After cooling the mixed solution, 150 ~ 200 mL of solvent was removed with a rotary evaporator and the solvent was removed. Then, 35% hydrochloric acid was slowly added to the remaining solution to obtain a precipitate. The resulting precipitate was filtered while washing with a small amount of water to obtain a product in the form of a white powder and vacuum dried (EGO 3 -BDC, yield = 82%) [Fig.

친수성 금속-유기 다면체(EGHydrophilic metal-organic polyhedra (EG 33 -MOP)의 합성-MOP)

상기 제조된 EG3-BDC (1.5g), 디메틸포름아미드(DMF, 50 mL), Cu(CH3CO2)2·H2O(0.86 g,4.73 mmol)을 혼합하여 용해하였다. 용해된 푸른색의 용액을 테프론 반응기에서 80 ℃ 조건으로 하루동안 반응시켜 EG3-MOP를 합성하였다.
The prepared EG 3 -BDC (1.5 g), dimethylformamide (DMF, 50 mL) and Cu (CH 3 CO 2 ) 2 .H 2 O (0.86 g, 4.73 mmol) were mixed and dissolved. The dissolved blue solution was reacted in a Teflon reactor at 80 ° C for one day to synthesize EG 3 -MOP.

실시예 1 내지 3. 기체 분리막의 제조Examples 1 to 3. Preparation of Gas Separation Membrane

제1 기체분리층 형성(step 1)First gas separation layer formation (step 1)

물로 기판의 기공을 채우기 위하여 PAN(peroxyacetyl nitrate) 기판을 먼저 탈이온수에서 10분 동안 초음파처리하고 표면상의 과량의 물을 티슈를 이용하여 제거하였다.In order to fill the pores of the substrate with water, the peroxyacetyl nitrate (PAN) substrate was first ultrasonicated in deionized water for 10 minutes and excess water on the surface was removed using a tissue.

별도의 바이알에서, TMC(Trimesoyl chloride, 7 mg, 0.0267 mmol) 및 폴리디메틸실록산(PDMS, Polydimethylsiloxane)(2 g, 0.04 mmol)를 각각 10 ml 헥산(2.0% w/v)에 용해시켰다. 상기 두 용액을 혼합하여 30초 동안 초음파처리한 후 상기 교반된 용액(도 6) 1 ml를 상기 기판에 스핀코팅(1000 rpm, 15 s)하여 제1 기체분리층을 형성하였다. 이 제1 기체분리층이 코팅된 기판을 25 ℃의 오븐에서 밤새 진공건조시켰다.In a separate vial, TMC (Trimesoyl chloride, 7 mg, 0.0267 mmol) and polydimethylsiloxane (PDMS, Polydimethylsiloxane) (2 g, 0.04 mmol) were dissolved in 10 ml of hexane (2.0% w / v) respectively. The two solutions were mixed and ultrasonicated for 30 seconds, and 1 ml of the stirred solution (FIG. 6) was spin-coated on the substrate (1000 rpm, 15 seconds) to form a first gas separation layer. The substrate coated with the first gas separation layer was vacuum-dried overnight in an oven at 25 ° C.

제2 기체분리층 형성(step 2)Second gas separation layer formation (step 2)

10 mL의 P(DMS-co-BIBAPMS) 용액(2.0% w/v, in hexane)에 0.35 mL의 BIBB(2-Bromo-2-methylpropionyl bromide, 1.0% w/v, in hexane)을 첨가하여 혼합하고 30초 동안 초음파처리 하였다. 1 ml의 상기 혼합된 용액을 미리 코팅된 PAN 기판에 스핀코팅(1000 rpm, 10 sec)하여 제2 기체분리층을 수득하였다. 상기 코팅된 기판을 25 ℃에서 건조시킨 후 가스 투과 특성에 대하여 얇은 기체선택층이 형성되기 전에 누출이 없는지 확인하였다.To the mixture was added 0.35 mL of BIBB (2-Bromo-2-methylpropionyl bromide, 1.0% w / v, in hexane) to 10 mL of a solution of DMS-co-BIBAPMS (2.0% And sonicated for 30 seconds. 1 ml of the mixed solution was spin-coated (1000 rpm, 10 sec) on the previously coated PAN substrate to obtain a second gas separation layer. The coated substrate was dried at 25 캜 and checked for leaks before the formation of a thin gas-selective layer on the gas permeability characteristics.

기체선택층 형성(step 3)Gas selective layer formation (step 3)

상기 제2 기체분리층까지 코팅된 PAN 기판을 질소 버블링을 통해 탈기된 Milli-Q 물에서 PEGDMA9 링커(macrocross-linker, 20 mM), CuBr2(1mM), 제조예 1에서 제조된 EG3-MOP, Me6TREN(Tris[2-(dimethylamino)ethyl]amine, 1mM; ATRP 리간드) 및 NaAsc(sodium ascorbate, 3mM; 환원제)을 포함하는 CAP 용액에 침지시켜 기체선택층을 형성하였다. CAP 용액에서 PEGDMA9 함량에 대한 EG3-MOP의 함량은 1, 2.5 및 5 중량%로 하였다(PEGDMA9 : EG3-MOP = 99 : 1 중량비, 97.5 : 2.5 중량비, 95 : 5 중량비).The PAN substrate coated to the second gas-containing layer was immersed in a PEGDMA 9 linker (20 mM), CuBr 2 (1 mM), and EG 3 prepared in Preparation Example 1 in Milli-Q water degassed through a nitrogen bubbling Was immersed in a CAP solution containing -MOP, Me 6 TREN (Tris [2- (dimethylamino) ethyl] amine, 1 mM ATRP ligand) and NaAsc (sodium ascorbate, 3 mM; reducing agent) to form a gas-selective layer. In the CAP solution, the content of EG 3 -MOP relative to the PEGDMA 9 content was 1, 2.5 and 5 wt% (PEGDMA 9 : EG 3 -MOP = 99: 1 weight ratio, 97.5: 2.5 weight ratio, 95: 5 weight ratio).

3시간 후 기체선택층까지 증착된 PAN 기판을 탈이온수로 세척하고, 물에 20분 동안 침지시킨 다음 25 ℃에서 24시간 동안 진공건조하여 기체 분리막을 제조하였다.
After 3 hours, the PAN substrate deposited to the gas-selective layer was washed with deionized water, immersed in water for 20 minutes, and vacuum-dried at 25 DEG C for 24 hours to prepare a gas separation membrane.

비교예 1. EGComparative Example 1 EG 33 -MOP생략-MOP Omission

상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 기체선택층 제조시 EG3-MOP를 사용하지 않고 기체 분리막을 제조하였다.
A gas separation membrane was prepared in the same manner as in Example 1 except that EG 3 -MOP was not used in the production of a gas selective layer.

비교예 2. EGComparative Example 2. EG 33 -MOP를 포함하는 층만 구비_제1 및 제2 기체분리층 생략Only the layer containing -MOP is omitted; the first and second gas separation layers are omitted;

PEGDMA9 링커(macrocross-linker, 20mM)와 제조예 1에서 제조된 EG3-MOP를 95 : 5 중량비로 혼합한 후 PAN 기판에 스핀코팅하여 기체 분리막을 제조하였다.
PEGDMA 9 A macrocross-linker (20 mM) and EG 3 -MOP prepared in Preparation Example 1 were mixed at a weight ratio of 95: 5 and then spin-coated on the PAN substrate to prepare a gas separation membrane.

<시험예><Test Example>

시험예 1. 기체 분리막의 표면을 육안 확인Test Example 1. Visual inspection of the surface of the gas separation membrane

본 발명의 실시예 및 비교예에서 제조된 기체 분리막의 표면(즉 기체선택층 표면)을 SEM으로 측정하였다.The surfaces of the gas separation membranes prepared in Examples and Comparative Examples of the present invention (i.e., the surface of the gas selective layer) were measured by SEM.

실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 실시예 3Example 3 비교예 1Comparative Example 1

Figure pat00017
Figure pat00017
Figure pat00018
Figure pat00018
Figure pat00019
Figure pat00019
Figure pat00020
Figure pat00020

위 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예 1 내지 3에 따라 제조된 기체 분리막은 비교예 1의 기체 분리막에 비하여 조도가 높아 비표면적이 크고 더욱 많은 다공성이 형성된 것을 확인하였다.
As shown in Table 1, it was confirmed that the gas separation membranes prepared according to Examples 1 to 3 of the present invention had higher specific surface area and higher porosity than the gas separation membranes of Comparative Example 1,

시험예 2. 이산화탄소 가스 분리특성 측정_순수 가스 이용Test Example 2. Measurement of Carbon Dioxide Gas Separation Characteristics _ Using pure gas

본 발명의 실시예 및 비교예에서 제조된 기체 분리막에 이산화탄소와 질소의 혼합가스를 통과시켜 가스 분리특성을 측정하였다.The gas separation characteristics were measured by passing a gas mixture of carbon dioxide and nitrogen through the gas separation membranes prepared in Examples and Comparative Examples of the present invention.

구분division CO2 투과율(GPU)CO 2 Transmittance (GPU) N2 투과율(GPU)N 2 transmittance (GPU) CO2/N2 선택도CO 2 / N 2 Selectivity 실시예 1Example 1 315315 1919 2727 실시예 2Example 2 381381 1212 2828 실시예 3Example 3 408408 1414 3030 비교예 1Comparative Example 1 377377 1313 2020 비교예 2Comparative Example 2 8.18.1 0.20.2 20.720.7

위 표 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예 1 내지 3에 따라 제조된 기체 분리막은 이산화탄소 투과율과 선택도가 모두 향상된 것을 확인하였으며, 이 수치는 비교예 1 및 2의 기체 분리막에 비해서 현저히 높은 것을 확인하였다.As shown in Table 2, the gas separation membranes prepared according to Examples 1 to 3 of the present invention were found to have improved both the carbon dioxide permeability and the selectivity. These values were significantly higher than those of the gas separation membranes of Comparative Examples 1 and 2 Respectively.

구체적으로, 비교예 1의 기체 분리막은 이산화탄소 투과율은 높으나 선택도가 낮은 것을 확인하였고, 비교예 2의 기체 분리막은 이산화탄소 투과율은 현저히 낮으나 선택도가 우수한 것을 확인하였다.
Specifically, it was confirmed that the gas separation membrane of Comparative Example 1 had a high carbon dioxide permeability but a low selectivity, and that the gas separation membrane of Comparative Example 2 had a significantly low carbon dioxide permeability but an excellent selectivity.

시험예 3. 이산화탄소 가스 분리특성 측정_혼합 가스 이용Test Example 3. Measurement of carbon dioxide gas separation characteristics _ Using mixed gas

본 발명의 실시예 및 비교예에서 제조된 기체 분리막에 이산화탄소와 질소 외에 메탄, 프로판, 산소 등이 혼합된 혼합가스를 통과시켜 가스 분리특성을 측정하였다.The gas separation characteristics of the gas separation membranes prepared in Examples and Comparative Examples of the present invention were measured by passing a mixed gas of carbon dioxide and nitrogen, as well as methane, propane, and oxygen.

구분division CO2 투과율(GPU)CO 2 Transmittance (GPU) N2 투과율(GPU)N 2 transmittance (GPU) CO2/N2 선택도CO 2 / N 2 selectivity 실시예 1Example 1 217217 17.517.5 12.412.4 실시예 2Example 2 269269 19.919.9 13.913.9 실시예 3Example 3 303303 1919 15.715.7 비교예 1Comparative Example 1 243243 2424 1010 비교예 2Comparative Example 2 3.23.2 0.10.1 11.811.8

위 표 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예 1 내지 3에 따라 제조된 기체 분리막은 다양한 가스가 혼합된 혼합가스를 이용시에도 이산화탄소 투과율과 선택도가 모두 향상된 것을 확인하였으며, 이 수치는 비교예 1 및 2의 기체 분리막에 비해서 현저히 높은 것을 확인하였다.As shown in Table 3 above, the gas separation membranes prepared according to Examples 1 to 3 of the present invention were found to have improved both the carbon dioxide permeability and the selectivity even when mixed gases were mixed with various gases, 1 and 2, respectively.

이러한 이산화탄소 분리특성은 상업적으로 이용하기에 적합하다.Such carbon dioxide separation properties are suitable for commercial use.

Claims (23)

다공성 기판의 상면에 형성된 제1 기체분리층,
상기 제1 기체분리층 상면에 형성된 제2 기체분리층, 및
상기 제2 기체분리층 상면에 형성된 기체선택층,을 포함하는 것을 특징으로 하는 기체 분리막.
A first gas separation layer formed on the upper surface of the porous substrate,
A second gas separation layer formed on the upper surface of the first gas separation layer,
And a gas-selective layer formed on the upper surface of the second gas-separation layer.
제1항에 있어서, 상기 제1 기체분리층은 하기 [반응식 1]에 따라 [화학식 1]의 화합물과 [화학식 2]의 화합물을 유기용매 하에서 교반시켜 제조된 제1 기체분리층 물질이 코팅된 것을 특징으로 하는 기체 분리막;
[반응식 1]
Figure pat00021

[화학식 1] [화학식 2]
상기 화학식 1에서, R1은 수소원자, 할로겐원자, 히드록시기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알콕시기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알킬아민기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 20의 알케닐기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 알킬아릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴아민기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴옥시기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴기, 혹은 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴옥시기이고;
상기 n은 1 내지 100의 정수이며;
상기 화학식 2에서, R2 내지 R7은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소원자, 할로겐원자, 히드록시기, 치환 또는 비치환된 카르보닐기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알콕시기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알킬아민기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 20의 알케닐기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 알킬아릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴아민기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴옥시기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴기, 또는 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴옥시기이다.
The method of claim 1, wherein the first gas separation layer is formed by coating a first gas separation layer material prepared by stirring a compound of Formula (1) and a compound of Formula (2) in an organic solvent according to Reaction Scheme 1 below A gas separation membrane characterized by comprising;
[Reaction Scheme 1]
Figure pat00021

[Chemical Formula 1] &lt; EMI ID =
Wherein R 1 represents a hydrogen atom, a halogen atom, a hydroxy group, a substituted or unsubstituted C1-C20 alkyl group, a substituted or unsubstituted C1-C20 alkoxy group, a substituted or unsubstituted C1- A substituted or unsubstituted C1 to C30 alkylamine group, a substituted or unsubstituted C2 to C20 alkenyl group, a substituted or unsubstituted C6 to C30 aryl group, a substituted or unsubstituted C6 to C30 alkylaryl group, An arylamine group having 6 to 30 carbon atoms, a substituted or unsubstituted aryloxy group having 6 to 30 carbon atoms, a substituted or unsubstituted heteroaryl group having 2 to 30 carbon atoms, or a substituted or unsubstituted heteroaryl group having 2 to 30 carbon atoms Lt; / RTI &gt;
N is an integer from 1 to 100;
In Formula 2, R 2 to R 7 are the same or different from each other and each independently represents a hydrogen atom, a halogen atom, a hydroxy group, a substituted or unsubstituted carbonyl group, a substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, A substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, a substituted or unsubstituted alkylamine group having 1 to 20 carbon atoms, a substituted or unsubstituted alkenyl group having 2 to 20 carbon atoms, a substituted or unsubstituted aryl group having 6 to 30 carbon atoms, A substituted or unsubstituted aryloxy group having 6 to 30 carbon atoms, a substituted or unsubstituted aryloxy group having 6 to 30 carbon atoms, a substituted or unsubstituted arylamine group having 6 to 30 carbon atoms, a substituted or unsubstituted aryloxy group having 6 to 30 carbon atoms, A substituted or unsubstituted C2-C30 heteroaryl group, or a substituted or unsubstituted C2-C30 heteroaryloxy group.
제1항에 있어서, 상기 제2 기체분리층은 하기 [반응식 2]에 따라 [화학식 3]의 화합물과 [화학식 4]의 화합물을 유기용매 하에서 교반시켜 제조된 제2 기체분리층 물질이 코팅된 것을 특징으로 하는 기체 분리막;
[반응식 2]
Figure pat00022

[화학식 3] [화학식 4]
상기 화학식 3에서, R8은 수소원자, 할로겐원자, 히드록시기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알콕시기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알킬아민기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 20의 알케닐기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 알킬아릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴아민기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴옥시기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴기, 혹은 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴옥시기이고;
상기 m은 1 내지 100의 정수이며;
상기 화학식 4는
Figure pat00023
이거나, R9가 수소원자, 할로겐원자, 히드록시기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알콕시기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알킬아민기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 20의 알케닐기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 알킬아릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴아민기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴옥시기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴기, 혹은 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴옥시기이고;
상기 X는 플루오르(F), 염소(Cl), 브롬(Br) 또는 요오드(I)이다.
The method of claim 1, wherein the second gas separation layer is formed by coating a compound of formula (3) and a compound of formula (4) in an organic solvent according to the following reaction formula A gas separation membrane characterized by comprising;
[Reaction Scheme 2]
Figure pat00022

[Chemical Formula 3]
In Formula 3, R 8 represents a hydrogen atom, a halogen atom, a hydroxy group, a substituted or unsubstituted C1-C20 alkyl group, a substituted or unsubstituted C1-C20 alkoxy group, a substituted or unsubstituted C1- A substituted or unsubstituted C1 to C30 alkylamine group, a substituted or unsubstituted C2 to C20 alkenyl group, a substituted or unsubstituted C6 to C30 aryl group, a substituted or unsubstituted C6 to C30 alkylaryl group, An arylamine group having 6 to 30 carbon atoms, a substituted or unsubstituted aryloxy group having 6 to 30 carbon atoms, a substituted or unsubstituted heteroaryl group having 2 to 30 carbon atoms, or a substituted or unsubstituted heteroaryl group having 2 to 30 carbon atoms Lt; / RTI &gt;
M is an integer of 1 to 100;
The formula (4)
Figure pat00023
Or R 9 represents a hydrogen atom, a halogen atom, a hydroxy group, a substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, a substituted or unsubstituted alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms, a substituted or unsubstituted alkylamine having 1 to 20 carbon atoms A substituted or unsubstituted C2 to C20 alkenyl group, a substituted or unsubstituted C6 to C30 aryl group, a substituted or unsubstituted C6 to C30 alkyl aryl group, a substituted or unsubstituted C6 to C30 aryl group, A substituted or unsubstituted aryloxy group having 1 to 30 carbon atoms, a substituted or unsubstituted aryloxy group having 6 to 30 carbon atoms, a substituted or unsubstituted heteroaryl group having 2 to 30 carbon atoms, or a substituted or unsubstituted heteroaryloxy group having 2 to 30 carbon atoms ;
X is fluorine (F), chlorine (Cl), bromine (Br) or iodine (I).
제1항에 있어서, 상기 기체선택층은 폴리에틸렌글리콜계 물질, 할로겐이 치환된 금속, 금속-유기 다면체(EG-MOP), ATRP 리간드 및 환원제를 포함하는 용액에 상기 제2 기체분리층까지 코팅된 기판을 침지시켜 원자이동라디칼중합(ATRP)에 의해 증착된 것을 특징으로 하는 기체 분리막.2. The method according to claim 1, wherein the gas-selective layer is formed by coating a solution containing a polyethylene glycol-based material, a halogen-substituted metal, a metal-organic polyhedron (EG-MOP), an ATRP ligand and a reducing agent Characterized in that the substrate is immersed and deposited by atom transfer radical polymerization (ATRP). 제4항에 있어서, 상기 폴리에틸렌글리콜계 물질과 금속-유기 다면체(EG-MOP)는 90-99 : 1-10의 중량비로 혼합되는 것을 특징으로 하는 기체 분리막.The gas separation membrane according to claim 4, wherein the polyethylene glycol-based material and the metal-organic polyhedron (EG-MOP) are mixed at a weight ratio of 90-99: 1-10. 제4항에 있어서, 상기 폴리에틸렌글리콜계 물질은 폴리에틸렌글리콜디아크릴레이트(PEGDA) 및 폴리에틸렌글리콜메틸에테르아크릴레이트(PEGMEA9)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 기체 분리막.The gas separation membrane according to claim 4, wherein the polyethylene glycol-based material is at least one selected from the group consisting of polyethylene glycol diacrylate (PEGDA) and polyethylene glycol methyl ether acrylate (PEGMEA9). 제4항에 있어서, 상기 금속-유기 다면체(EG-MOP)는 하기 [화학식 5]로 표현되는 것을 특징으로 하는 기체 분리막;
[화학식 5]
Figure pat00024

상기 화학식 5에서, 상기 M1 및 M2는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 Mg2+, Ca2+, Sr2+, Ba2+, Sc3+, Y3+, Ti4+, Zr4+, Hf4+, V4+, V3+, V2+, Nb3+, Ta3+, Cr3+, Mo3+, W3+, Mn3+, Mn2+, Re3+, Re2+, Fe3+, Fe2+, Ru3+, Ru2+, Os3+, Os2+, Co3+, Co2+, Rh2+, Rh+, Ir2+, Ir+, Ni2+, Ni+, Pd2+, Pd+, Pt2+, Pt+, Cu2+, Cu+, Ag+, Au+, Zn2+, Cd2+, Hg2+, Al3+, Ga3+, In3+, Tl3+, Si4+, Si2+, Ge4+, Ge2+, Sn4+, Sn2+, Pb4+, Pb2+, As5+, As3+, As+, Sb5+, Sb3+, Sb+, Bi5+, Bi3+ 및 Bi+ 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상이고;
상기 x는 3 내지 100의 정수이며;
상기 L1, L2, L3 및 L4는 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 하기 [화학식 6]으로 표현되는 유기리간드이며;
[화학식 6]
Figure pat00025

상기 R10, R11 및 R12는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소원자, 할로겐원자, 히드록시기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알콕시기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알킬아민기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 20의 알케닐기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 알킬아릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴아민기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴옥시기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴기, 혹은 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴옥시기이고;
상기 y는 1 내지 20의 정수이다.
5. The gas separation membrane according to claim 4, wherein the metal-organic polyhedra (EG-MOP) is represented by the following Chemical Formula 5:
[Chemical Formula 5]
Figure pat00024

In Formula 5, M 1 and M 2 are the same or different from each other and each independently represents Mg 2+ , Ca 2+ , Sr 2+ , Ba 2+ , Sc 3+ , Y 3+ , Ti 4+ , Zr 4+ , Hf 4+ , V 4+ , V 3+ , V 2+ , Nb 3+ , Ta 3+ , Cr 3+ , Mo 3+ , W 3+ , Mn 3+ , Mn 2+ , Re 3+ , Re 2+ , Fe 3+ , Fe 2+ , Ru 3+ , Ru 2+ , Os 3+ , Os 2+ , Co 3+ , Co 2+ , Rh 2+ , Rh + , Ir 2+ , Ir + , Ni 2+, Ni +, Pd 2+, Pd +, Pt 2+, Pt +, Cu 2+, Cu +, Ag +, Au +, Zn 2+, Cd 2+, Hg 2+, Al 3+ , Ga 3+ , In 3+ , Tl 3+ , Si 4+ , Si 2+ , Ge 4+ , Ge 2+ , Sn 4+ , Sn 2+ , Pb 4+ , Pb 2+ , As 5+ , As 3+ , As + , Sb 5+ , Sb 3+ , Sb + , Bi 5+ , Bi 3+ and Bi + ;
X is an integer from 3 to 100;
Wherein L 1 , L 2 , L 3 and L 4 are the same or different and each independently represents an organic ligand represented by the following formula (6);
[Chemical Formula 6]
Figure pat00025

R 10 , R 11 and R 12 are the same or different and each independently represents a hydrogen atom, a halogen atom, a hydroxy group, a substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, a substituted or unsubstituted alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms A substituted or unsubstituted C1-C20 alkylamine group, a substituted or unsubstituted C2-C20 alkenyl group, a substituted or unsubstituted C6-C30 aryl group, a substituted or unsubstituted C6- A substituted or unsubstituted arylamine group having 6 to 30 carbon atoms, a substituted or unsubstituted aryloxy group having 6 to 30 carbon atoms, a substituted or unsubstituted heteroaryl group having 2 to 30 carbon atoms, Or an unsubstituted heteroaryloxy group having 2 to 30 carbon atoms;
Y is an integer of 1 to 20;
제7항에 있어서, 상기 M1 및 M2는 Cu2+인 것을 특징으로 하는 기체 분리막.The gas separation membrane according to claim 7, wherein M 1 and M 2 are Cu 2+ . 제7항에 있어서, 상기 L1, L2, L3 및 L4은 하기 [화학식 7]로 표현되는 유기리간드인 것을 특징으로 하는 기체 분리막;
[화학식 7]
Figure pat00026
.
The gas separation membrane according to claim 7, wherein L 1 , L 2 , L 3 and L 4 are organic ligands represented by the following formula (7):
(7)
Figure pat00026
.
제7항에 있어서, 상기 L1, L2, L3 및 L4는 하기 [화학식 8]로 표현되는 유기리간드인 것을 특징으로 하는 기체 분리막;
[화학식 8]
Figure pat00027
.
The gas separation membrane according to claim 7, wherein L 1 , L 2 , L 3 and L 4 are organic ligands represented by the following formula (8):
[Chemical Formula 8]
Figure pat00027
.
제4항에 있어서, 상기 금속-유기 다면체는 5 내지 8 Å의 기공입구 및 10 내지 15 Å의 내부기공이 형성된 것을 특징으로 하는 기체 분리막. 5. The gas separation membrane according to claim 4, wherein the metal-organic polyhedron has a pore inlet of 5 to 8 angstroms and an inner pore of 10 to 15 angstroms. 제4항에 있어서, 상기 ATRP 리간드는 트리스[2-(디메틸아미노)에틸]아민(tris[2-(dimethylamino)ethyl]amine), 트리스[2-디(부틸아크릴레이트)아미노에틸]아민(tris(2-di(butylacrylate)aminoethyl)amine) 및 2-(디메틸아미노)에틸메타아크릴레이트)(2-(dimethylamino)ethyl methacrylate)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 기체 분리막.5. The method of claim 4 wherein the ATRP ligand is selected from the group consisting of tris [2- (dimethylamino) ethyl] amine, tris [2- (diethyl (butyl acrylate) aminoethyl] amine Wherein the membrane is at least one selected from the group consisting of 2-di (butylacrylate) aminoethyl) amine and 2- (dimethylamino) ethyl methacrylate. 제4항에 있어서, 상기 환원제는 아스코르빈산 나트륨(sodium ascorbate) 및 아지드화 나트륨(sodium azide)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 기체 분리막.The gas separation membrane according to claim 4, wherein the reducing agent is at least one selected from the group consisting of sodium ascorbate and sodium azide. 제1항에 있어서, 상기 기체 분리막의 두께는 10 내지 400 ㎛인 것을 특징으로 하는 기체 분리막.The gas separation membrane according to claim 1, wherein the thickness of the gas separation membrane is 10 to 400 탆. 제1항에 있어서, 상기 기체선택층의 두께는 50 내지 300 nm인 것을 특징으로 하는 기체 분리막.The gas separation membrane according to claim 1, wherein the thickness of the gas selection layer is 50 to 300 nm. (A) 다공성 기판의 상면에 제1 기체분리층을 형성하는 단계;
(B) 상기 제1 기체분리층 상면에 제2 기체분리층을 형성하는 단계; 및
(C) 상기 제2 기체분리층 상면에 기체선택층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 기체 분리막의 제조방법.
(A) forming a first gas separation layer on an upper surface of a porous substrate;
(B) forming a second gas separation layer on the upper surface of the first gas separation layer; And
(C) forming a gas selective layer on the upper surface of the second gas separation layer.
제16항에 있어서, 상기 기체선택층은 폴리에틸렌글리콜계 물질, 할로겐이 치환된 금속, 금속-유기 다면체(EG-MOP), ATRP 리간드 및 환원제를 포함하는 용액에 상기 제2 기체분리층까지 코팅된 기판을 침지시켜 원지이동라디칼중합(ATRP)에 의해 증착된 것을 특징으로 하는 기체 분리막의 제조방법.17. The method of claim 16, wherein the gas-selective layer comprises a solution comprising a polyethylene glycol-based material, a halogen-substituted metal, a metal-organic polyhedron (EG-MOP), an ATRP ligand and a reducing agent, Wherein the substrate is immersed and deposited by radical transfer radical polymerization (ATRP). 제17항에 있어서, 상기 금속-유기 다면체(EG-MOP)는 (a) 금속 전구체, 제1 용매 및 하기 [화학식 6]으로 표현되는 유기리간드를 포함하는 용액을 반응시키는 단계;를 포함하는, 하기 [화학식 5]로 표현되는 것을 특징으로 하는 기체 분리막의 제조방법;
[화학식 5]
Figure pat00028

상기 화학식 5에서, 상기 M1 및 M2는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 Mg2+, Ca2+, Sr2+, Ba2+, Sc3+, Y3+, Ti4+, Zr4+, Hf4+, V4+, V3+, V2+, Nb3+, Ta3+, Cr3+, Mo3+, W3+, Mn3+, Mn2+, Re3+, Re2+, Fe3+, Fe2+, Ru3+, Ru2+, Os3+, Os2+, Co3+, Co2+, Rh2+, Rh+, Ir2+, Ir+, Ni2+, Ni+, Pd2+, Pd+, Pt2+, Pt+, Cu2+, Cu+, Ag+, Au+, Zn2+, Cd2+, Hg2+, Al3+, Ga3+, In3+, Tl3+, Si4+, Si2+, Ge4+, Ge2+, Sn4+, Sn2+, Pb4+, Pb2+, As5+, As3+, As+, Sb5+, Sb3+, Sb+, Bi5+, Bi3+ 및 Bi+ 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상이고;
상기 x는 3 내지 100의 정수이며;
상기 L1, L2, L3 및 L4는 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 하기 [화학식 6]으로 표현되는 유기리간드이며;
[화학식 6]
Figure pat00029

상기 R10, R11 및 R12는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 수소원자, 할로겐원자, 히드록시기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알킬기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알콕시기, 치환 또는 비치환된 탄소수 1 내지 20의 알킬아민기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 20의 알케닐기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 알킬아릴기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴아민기, 치환 또는 비치환된 탄소수 6 내지 30의 아릴옥시기, 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴기, 혹은 치환 또는 비치환된 탄소수 2 내지 30의 헤테로아릴옥시기이고;
상기 y는 1 내지 20의 정수이다.
18. The method of claim 17, wherein the metal-organic polyhedron (EG-MOP) comprises: (a) reacting a solution comprising a metal precursor, a first solvent and an organic ligand represented by Formula 6: A process for producing a gas separation membrane characterized by:
[Chemical Formula 5]
Figure pat00028

In Formula 5, M 1 and M 2 are the same or different from each other and each independently represents Mg 2+ , Ca 2+ , Sr 2+ , Ba 2+ , Sc 3+ , Y 3+ , Ti 4+ , Zr 4+ , Hf 4+ , V 4+ , V 3+ , V 2+ , Nb 3+ , Ta 3+ , Cr 3+ , Mo 3+ , W 3+ , Mn 3+ , Mn 2+ , Re 3+ , Re 2+ , Fe 3+ , Fe 2+ , Ru 3+ , Ru 2+ , Os 3+ , Os 2+ , Co 3+ , Co 2+ , Rh 2+ , Rh + , Ir 2+ , Ir + , Ni 2+, Ni +, Pd 2+, Pd +, Pt 2+, Pt +, Cu 2+, Cu +, Ag +, Au +, Zn 2+, Cd 2+, Hg 2+, Al 3+ , Ga 3+ , In 3+ , Tl 3+ , Si 4+ , Si 2+ , Ge 4+ , Ge 2+ , Sn 4+ , Sn 2+ , Pb 4+ , Pb 2+ , As 5+ , As 3+ , As + , Sb 5+ , Sb 3+ , Sb + , Bi 5+ , Bi 3+ and Bi + ;
X is an integer from 3 to 100;
Wherein L 1 , L 2 , L 3 and L 4 are the same or different and each independently represents an organic ligand represented by the following formula (6);
[Chemical Formula 6]
Figure pat00029

R 10 , R 11 and R 12 are the same or different and each independently represents a hydrogen atom, a halogen atom, a hydroxy group, a substituted or unsubstituted alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, a substituted or unsubstituted alkoxy group having 1 to 20 carbon atoms A substituted or unsubstituted C1-C20 alkylamine group, a substituted or unsubstituted C2-C20 alkenyl group, a substituted or unsubstituted C6-C30 aryl group, a substituted or unsubstituted C6- A substituted or unsubstituted arylamine group having 6 to 30 carbon atoms, a substituted or unsubstituted aryloxy group having 6 to 30 carbon atoms, a substituted or unsubstituted heteroaryl group having 2 to 30 carbon atoms, Or an unsubstituted heteroaryloxy group having 2 to 30 carbon atoms;
Y is an integer of 1 to 20;
제18항에 있어서, 상기 금속 전구체는 Cu인 것을 특징으로 하는 기체 분리막의 제조방법.The method according to claim 18, wherein the metal precursor is Cu. 제18항에 있어서, 상기 [화학식 6]으로 표현되는 유기리간드는,
(a-Ⅰ) 디메틸-5-히드록시이소프탈레이트, 제2 용매 및 하기 [화학식 9]로 표현되는 단량체를 포함하는 용액을 촉매 존재하에 반응시켜 제1 반응용액을 수득하는 단계;
(a-Ⅱ) 상기 제1 반응용액을 추출한 용액, 제3 용매 및 수산화물을 포함하는 용액을 반응시켜 제2 반응용액을 수득하는 단계;및
(a-Ⅲ) 상기 제2 반응용액에 산을 첨가하여 침전물을 수득하는 단계;를 포함하여 제조되는 것을 특징으로 하는 기체 분리막의 제조방법;
[화학식 9]
Figure pat00030

상기 z는 1 내지 20의 정수이다.
19. The method according to claim 18, wherein the organic ligand represented by the formula (6)
(a-I) reacting a solution containing dimethyl-5-hydroxyisophthalate, a second solvent and a monomer represented by the following formula (9) in the presence of a catalyst to obtain a first reaction solution;
(a-II) reacting a solution containing the first reaction solution, a third solvent and a hydroxide to obtain a second reaction solution; and
(a-III) adding an acid to the second reaction solution to obtain a precipitate;
[Chemical Formula 9]
Figure pat00030

And z is an integer of 1 to 20.
제20항에 있어서, 상기 제1 용매, 제2 용매 및 제3 용매는 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 디메틸포름아미드(N,N-Dimethyl Formamide, DMF), 메틸에틸케톤(Methyl ethyl keytone, MEK), 포름알데히드(Formaldehyde, FA), 디에틸포름아미드(N,N-Diethyl Formamide, DEF), 디메틸아세트아미드(Dimethylacetamide, DMA), 메탄올(methanol, MeOH), 에탄올(ethanol, EtOH), 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran, THF), 물(water, H2O), 1-메틸-2-피롤리디논(1-Methyl-2-pyrrolidinone, NMP), 디메틸설폭시드(Dimethyl Sulfoxide, DMSO), 다이에틸 에테르(Diethyl Ether, Ether) 및 이들의 혼합물 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 기체 분리막의 제조방법.21. The method of claim 20, wherein the first solvent, the second solvent, and the third solvent are the same or different from each other and are each independently selected from the group consisting of N, N-Dimethyl Formamide (DMF), Methyl ethyl ketone, MEK), formaldehyde (FA), N, N-Diethyl Formamide (DEF), dimethylacetamide (DMA), methanol, MeOH, ethanol, tetrahydrofuran (tetrahydrofuran, THF), water (water, H 2 O), 1- methyl-2-pyrrolidinone (1-methyl-2-pyrrolidinone , NMP), dimethyl sulfoxide (dimethyl sulfoxide, DMSO), diethyl (Diethyl Ether, Ether), and mixtures thereof. &Lt; / RTI &gt; 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 기재된 기체 분리막을 구비하는 기체 분리막 모듈.A gas separation membrane module comprising the gas separation membrane according to any one of claims 1 to 15. 제22항에 기재된 기체 분리막 모듈과,
적어도 기체와 수증기를 포함하는 혼합 기체를 상기 기체 분리막 모듈에 공급하기 위한 기체 공급부를 구비하는 기체 분리 장치.
A gas separation membrane module according to claim 22,
And a gas supply unit for supplying a gas mixture containing at least a gas and water vapor to the gas separation membrane module.
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07112122A (en) 1993-10-19 1995-05-02 Agency Of Ind Science & Technol Carbon dioxide separating gelatinous membrane and its production
JPH08193156A (en) 1995-01-18 1996-07-30 Kureha Chem Ind Co Ltd Resin composition and film formed therefrom
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Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07112122A (en) 1993-10-19 1995-05-02 Agency Of Ind Science & Technol Carbon dioxide separating gelatinous membrane and its production
JPH08193156A (en) 1995-01-18 1996-07-30 Kureha Chem Ind Co Ltd Resin composition and film formed therefrom
JP2013049048A (en) 2011-08-01 2013-03-14 Renaissance Energy Research:Kk Co2-facilitated transport membrane, and method for manufacturing same
US20170216765A1 (en) * 2013-11-14 2017-08-03 The University Of Melbourne Composite gas separation membrane

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