KR20210009263A - 이산화탄소 흡착제 및 이를 포함하는 공기정화장치 - Google Patents

이산화탄소 흡착제 및 이를 포함하는 공기정화장치 Download PDF

Info

Publication number
KR20210009263A
KR20210009263A KR1020200022488A KR20200022488A KR20210009263A KR 20210009263 A KR20210009263 A KR 20210009263A KR 1020200022488 A KR1020200022488 A KR 1020200022488A KR 20200022488 A KR20200022488 A KR 20200022488A KR 20210009263 A KR20210009263 A KR 20210009263A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
carbon dioxide
adsorbent
metal
dioxide adsorbent
amine compound
Prior art date
Application number
KR1020200022488A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102365539B1 (ko
Inventor
홍창섭
김새미
김지연
박정렬
정용원
Original Assignee
삼성전자주식회사
고려대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성전자주식회사, 고려대학교 산학협력단 filed Critical 삼성전자주식회사
Priority to PCT/KR2020/007487 priority Critical patent/WO2021010597A1/ko
Publication of KR20210009263A publication Critical patent/KR20210009263A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102365539B1 publication Critical patent/KR102365539B1/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/22—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising organic material
    • B01J20/223—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising organic material containing metals, e.g. organo-metallic compounds, coordination complexes
    • B01J20/226—Coordination polymers, e.g. metal-organic frameworks [MOF], zeolitic imidazolate frameworks [ZIF]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/02—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F8/00—Treatment, e.g. purification, of air supplied to human living or working spaces otherwise than by heating, cooling, humidifying or drying
    • F24F8/10—Treatment, e.g. purification, of air supplied to human living or working spaces otherwise than by heating, cooling, humidifying or drying by separation, e.g. by filtering
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F8/00—Treatment, e.g. purification, of air supplied to human living or working spaces otherwise than by heating, cooling, humidifying or drying
    • F24F8/10—Treatment, e.g. purification, of air supplied to human living or working spaces otherwise than by heating, cooling, humidifying or drying by separation, e.g. by filtering
    • F24F8/15—Treatment, e.g. purification, of air supplied to human living or working spaces otherwise than by heating, cooling, humidifying or drying by separation, e.g. by filtering by chemical means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/50—Carbon oxides
    • B01D2257/504—Carbon dioxide
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F2110/00—Control inputs relating to air properties
    • F24F2110/10—Temperature

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Solid-Sorbent Or Filter-Aiding Compositions (AREA)
  • Treating Waste Gases (AREA)
  • Separation Of Gases By Adsorption (AREA)

Abstract

이산화탄소 흡착제가 개시된다. 본 이산화탄소 흡착제는 아민 화합물의 아민기와 결합된 금속유기골격체(Metal-Organic Frameworks, MOFs)를 포함하고, 아민 화합물은 N-메틸-1,3-디아미노프로판(N-methyl-1,3-diaminopropane) 또는 1,3-디아미노펜탄(1,3-diaminopentane)에서 선택된다.

Description

이산화탄소 흡착제 및 이를 포함하는 공기정화장치 {CARBON DIOXIDE ABSORBENT AND AIR PURIFIER INCLUDING THE SAME}
본 개시는 이산화탄소 흡착제 및 이를 포함하는 공기정화장치에 대한 것으로, 더욱 상세하게는 실생활에 적용가능한 이산화탄소 흡착능력을 가지며 저온에서 재생가능한 이산화탄소 흡착제 및 이를 포함하는 공기정화장치에 대한 것이다.
실내 공기에는 다양한 기체가 존재한다. 특히, 실내 공기 중 이산화탄소는 실내공기 오염 지표로 사용되고 있으며, 실내 공기 중 이산화탄소 농도가 높으면 인체에 영상을 미칠 가능성이 높아진다. 예를 들어, 실내 공기 중 이산화탄소 농도가 높아질수록 졸림을 느끼는 등 컨디션이 악화되거나, 어깨결림, 두통, 현기증과 같은 증상이 발생할 수도 있다. 또한, 이산화탄소가 농도가 높아질수록 수면 중 움직임이 많아져 수면질이 전반적으로 낮아지는 연구결과가 나타나고 있다. 이산화탄소 농도 권고 기준은 1000ppm이다(한국, 일본, 미국 ASHRAE).
실외 대기 중 이산화탄소 농도는 400ppm정도로 유지되는 반면, 밀폐된 실내의 이산화탄소의 농도는 실외 먼지 등으로 인해 자주 환기를 하지 못하면 급격하게 증가할 수 있다. 10평 거실 4인 재실 기준 1시간 경과시 이산화탄소 농도는 2000ppm을 돌파하며, 개인 차량 및 고속버스 등 좁은 공간에서의 농도 변화는 더욱 급격하다.
서울 시내 전역 아파트 10 가구의 거실에서의 측정 결과, 이산화탄소의 농도가 수면, 조리, 환기 시간에 관계없이 600 ~ 1200 ppm의 농도 분포를 나타내었고, 최대 1600ppm 이상이었다. 따라서, 이와 같은 실내에서의 이산화탄소 농도, 즉 약 1000ppm 정도의 농도에서 이산화탄소를 제거할 수 있는 기술 개발이 필요하였다.
종래의 이산화탄소 제거 기술로서는 공장의 배가스 내 이산화탄소를 제거하기 위한 습식 흡수제 (Wet scrubbing) 기술이 있었으나, 배가스 내 이산화탄소 농도는 약 15% 정도로 높으므로, 이산화탄소 농도가 0.04% 내외인 실내에 적용한다면 성능저하가 발생하였다. 또한 배가스용 이산화탄소 제거 장치는 액체 기반의 흡수제를 이용하므로 가전제품 등으로의 응용이 어려운 문제가 있었다.
또한 종래의 이산화탄소 제거 장치는 이산화탄소를 흡착한 후 탈착시켜 재사용하기 위해 100℃가 넘는 고온이 요구되어 과도한 에너지가 소모되는 문제가 있었다.
본 개시는 상술한 필요성으로부터 안출된 것으로, 본 개시의 목적은 실생활에 적용가능한 이산화탄소 흡착능력을 가지며 저온에서 재생가능한 이산화탄소 흡착제 및 이를 포함하는 공기정화장치를 제공함에 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 이산화탄소 흡착제는 아민 화합물의 아민기와 결합된 금속유기골격체(Metal-Organic Frameworks, MOFs)를 포함하고, 상기 아민 화합물은 N-메틸-1,3-디아미노프로판(N-methyl-1,3-diaminopropane) 또는 1,3-디아미노펜탄(1,3-diaminopentane)에서 선택된다.
이 경우, 상기 아민 화합물은 N-메틸-1,3-디아미노프로판일 수 있다.
한편, 상기 아민 화합물은 1,3-디아미노펜탄일 수 있다.
한편, 상기 금속유기골격체는 M2(dobpdc), M2(dobdc), M2(dondc) 및 M2(dotpdc)로 이루어진 군에서 선택되며, 여기서, 금속 M은 Mg, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Fe, Cu 또는 Zn이고, dobpdc는 4,4'-디옥시도-3,3'-비페닐디카복실레이트이며, dobdc는 2,5-디옥시도-1,4-벤젠디카복실레이트이고, dondc는 1,5-디옥사이드-2,6-나프탈렌디카복실레이트이고, dotpdc는 4,4'-디옥시도-3,3'-트리페닐디카복실레이트일 수 있다.
이 경우, 상기 금속유기골격체는 Mg2(dobpdc)일 수 있다.
한편, 상기 이산화탄소 흡착제는, 70℃를 초과하지 않는 온도로 가열시 흡착된 이산화탄소의 90% 이상이 탈착될 수 있다.
한편, 본 개시의 일 실시 예에 따른 공기정화장치는 이산화탄소를 포집하기 위한 이산화탄소 흡착제 및 상기 이산화탄소 흡착제에 흡착된 이산화탄소를 탈착시키기 위한 열을 발생시키는 히터를 포함하며, 상기 이산화탄소 흡착제는, 아민 화합물의 아민기와 결합된 금속유기골격체(Metal-Organic Frameworks, MOFs)를 포함하고, 상기 아민 화합물은 N-메틸-1,3-디아미노프로판(N-methyl-1,3-diaminopropane) 또는 1,3-디아미노펜탄(1,3-diaminopentane)에서 선택된다.
이 경우, 상기 히터는, 상기 이산화탄소 흡착제의 온도가 70℃를 초과하지 않도록 열을 발생시킬 수 있다.
한편, 상기 공기정화장치는 가전 제품(home appliance)일 수 있다.
도 1은 금속유기골격체의 일 예를 도식화 한 도면,
도 2는 아민 기능화된 금속-유기 골격체의 이산화탄소 흡착/탈착의 예시를 도 2에 도시한 도면,
도 3a는 실시예 1의 이산화탄소 흡착제(nmpn-Mg2(dobpdc))에 대한 흡착 등온선을 나타내는 도면,
도 3b는 실시예 2의 이산화탄소 흡착제(epn-Mg2(dobpdc))에 대한 흡착 등온선을 나타내는 도면,
도 3c는 실시예 3의 이산화탄소 흡착제(men-Mg2(dobpdc))에 대한 흡착 등온선을 나타내는 도면,
도 3d는 실시예 4의 이산화탄소 흡착제(dmpn-Mg2(dobpdc))에 대한 흡착 등온선을 나타내는 도면
도 3e는 실시예 5의 이산화탄소 흡착제(Ndmpn-Mg2(dobpdc))에 대한 흡착 등온선에 대한 흡착 등온선을 나타내는 도면,
도 4a는 실시예 1의 이산화탄소 흡착제에 대한 TGA(Thermogravimetric analysis) 곡선을 나타내는 도면,
도 4b는 실시예 2의 이산화탄소 흡착제에 대한 TGA 곡선을 나타내는 도면,
도 4c는 실시예 3의 이산화탄소 흡착제에 대한 TGA 곡선을 나타내는 도면,
도 4d는 실시예 4의 이산화탄소 흡착제에 대한 TGA 곡선을 나타내는 도면,
도 4e는 실시예 5의 이산화탄소 흡착제에 대한 TGA 곡선을 나타내는 도면,
도 5a는 실시예 1의 이산화탄소 흡착제의 흡착 및 탈착 사이클을 나타낸 그래프,
도 5b는 실시예 2의 이산화탄소 흡착제의 흡착 및 탈착 사이클을 나타낸 그래프,
도 6a는 실시예 1의 이산화탄소 흡착제의 실생활 조건의 챔버 내에서 반복 사용성을 측정한 결과를 나타낸 그래프,
도 6b는 실시예 2의 이산화탄소 흡착제의 실생활 조건의 챔버 내에서 반복 사용성을 측정한 결과를 나타낸 그래프, 그리고,
도 6c는 실시예 3의 이산화탄소 흡착제의 실생활 조건의 챔버 내에서 반복 사용성을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
본 개시를 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 개시의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 그리고 후술 되는 용어들은 본 개시에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관계 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 개시에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 권리범위를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "구성되다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 본 개시를 더욱 상세히 설명하고자 한다.
본 개시에 따른 이산화탄소 흡착제는 금속유기골격체(Metal-Organic Frameworks, MOFs)를 기본 구조로 포함한다.
금속유기골격체는 금속 이온과 이를 연결하는 유기 리간드의 배위결합으로 이루어지는 3차원 구조의 결정형 다공성 물질이다. 금속유기골격체의 일 예를 도식화 한 것을 도 1에 나타내었다. 금속 이온과 유기 리간드의 선택에 따라, 기공 크기 조절, 높은 결정성과 넓은 표면적, 다양한 표면 기능화가 가능하다. 특히, 금속유기골격체는 비표면적 5,000 m2/g 이상의 값을 나타내며, 이는 다공성 소재 중에 가장 높은 수치로서, 기체 흡착에 유리하다. 금속유기골격체는 기공 표면을 따라 놓여있는 배위적으로 불포화된 금속중심(open metal site)을 갖고, 이러한 배위 금속 양이온은 가스를 강하게 편극시키는 루이스 산으로 거동하며 후합성 기능화를 손쉽게 할 수 있다.
본 개시에 따르면, 금속-유기 골격체는 M2(dobpdc), M2(dobdc), M2(dondc) 및 M2(dotpdc)로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. 이 경우, 금속 M은 Mg, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Fe, Cu 또는 Zn일 수 있으며, 바람직하게는 Mg이다. 여기서 dobpdc는 4,4'-디옥시도-3,3'-비페닐디카복실레이트이며, dobdc는 2,5-디옥시도-1,4-벤젠디카복실레이트이고, dondc는 1,5-디옥사이드-2,6-나프탈렌디카복실레이트이고, dotpdc는 4,4'-디옥시도-3,3'-트리페닐디카복실레이트이다.
본 개시의 일 실시 예에 따르면 아민 화합물이 접목된 금속유기골격체를 포함하는 이산화탄소 흡착제가 바람직하다. 아민 화합물의 아민기가 금속유기골격체에 결합됨으로써 아민 화합물이 금속유기골격체에 접목될 수 있다. 염기성을 지니는 질소를 포함하고 있는 아민 화합물의 아민기는 이산화탄소의 흡착량을 향상시킬 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 금속유기골격체에 디아민 화합물이 접목된 것을 이용할 수 있다. 디아민 분자 중 한 개의 아민은 루이스 염기로 금속유기골격체의 금속 양이온에 결합할 수 있으며, 다른 한 개는 금속유기골격체의 기공에 들어오는 이산화탄소와 강한 물리, 화학적 흡착을 이룬다. 이와 같이 아민 기능화된 금속-유기 골격체의 이산화탄소 흡착/탈착의 예시를 도 2에 도시하였다.
본 개시의 다양한 실시 예에 따르면, 금속-유기 골격체의 아민 기능화를 위한 아민 화합물은 다음의 표 1에 나타낸 화학식 1 내지 5의 화합물들 중에서 선택될 수 있다.
[화학식 1]

Figure pat00001

N-메틸-1,3-디아미노프로판
[화학식 2]

Figure pat00002

1,3-디아미노펜탄
[화학식 3]

Figure pat00003

1,2-디아미노프로판
[화학식 4]

Figure pat00004

2,2-디메틸-1,3-디아미노프로판
[화학식 5]

Figure pat00005

N,N-디메틸-1,3-디아미노프로판
특히, 아민 화합물로서 상기 화학식 1 또는 화학식 2의 화합물을 사용하는 경우가 바람직하다. 상기 화학식 1 또는 화학식 2의 화합물로 기능화된 금속유기골격체를 흡착제로서 사용하는 경우, 이산화탄소 1000ppm 기준 최대 흡착량은 15.24wt%로 매우 높은 수준이며, 가정 내 실생활 조건에서 흡착실험을 진행한 결과 14.8wt%로 성능이 유지됨을 확인하였다(실생활 공기중에는 0.04% 이산화탄소 외에 질소 78%, 산소 21%, 그리고 다량의 수분이 존재하여 이산화탄소 흡착을 방해할 요인이 충분함에도 흡착량이 유지됨).
또한, 상기 화학식 1 또는 화학식 2의 화합물로 기능화된 금속유기골격체를 포함하는 흡착제를 이용해 압력에 따른 등온흡착선을 그린 결과 400~1000ppm사이에서 step-shaped isotherm을 나타내어, 평상시(이산화탄소 농도 400ppm)에는 흡착이 적게 되다가 이산화탄소 농도가 증가하여 1000ppm 이상이 되면 흡착이 최대화 되는 성질을 가지고 있다.
또한, 이산화탄소 흡착제를 재생시키기 위해 흡착된 이산화탄소를 탈착시키기 위해서는 열을 가해야 하는데 상기 화학식 1 또는 화학식 2의 화합물로 기능화된 금속유기골격체를 포함하는 흡착제는 대략 70℃ 정도만 가열해도 이산화탄소의 90% 이상이 탈착될 수 있다. 종래의 금속유기골격체를 기본 구조로하는 이산화탄소 흡착제는 보통 100℃ 이상으로 가열해야 이산화탄소가 유의미하게 탈착될 수 있는 것에 비교해 보면, 본 개시의 실시 예들에 따른 흡착제 이용시 에너지 소비량을 현저히 줄일 수 있다.
또한 상기 화학식 1 또는 화학식 2의 화합물로 기능화된 금속유기골격체를 포함하는 흡착제를 70℃ 재생 기준 30회 이상 반복실험시에도 성능이 90% 이상 유지되고, 습도를 60%RH 이상으로 상승시킨 경우에도 성능이 90% 이상 유지된다.
한편, 본 개시의 또 다른 실시예에 따르면 본 개시의 이산화탄소 흡착제를 포함한 공기정화장치가 제공될 수 있다.
구체적으로, 본 개시의 일 실시 예에 따른 공기정화장치는, 본 개시에 따른 이산화탄소 흡착제 및 이산화탄소 흡착제에 흡착된 이산화탄소를 탈착시키기 위해 열을 발생시키는 히터를 포함할 수 있다.
본 개시에 따른 이산화탄소 흡착제는 약 70℃ 에서도 이산화탄소와의 탈착이 잘 이루어질 수 있으므로, 상기 히터는, 이산화탄소 흡착제의 온도가 70℃를 초과하지 않도록 열을 발생시킬 수 있다.
일 실시예에 따르면, 공기정화장치는 실외로 연결되는 배기관을 포함할 수 있고, 이산화탄소 흡착제에서 탈착된 이산화탄소는 배기관을 통해 배출될 수 있다.
한편, 본 개시의 또 다른 실시 예에 따른 공기정화장치는 공기정화장치를 이동시키기 위한 주행부, 공기를 흡입하기 위한 팬(fan), 본 개시의 이산화탄소 흡착제, 이산화탄소 흡착제에 흡착된 이산화탄소를 탈착시키기 위해 열을 발생시키는 히터를 포함하며, 공기정화장치의 전반적인 동작을 제어하는 컴퓨팅 장치를 포함할 수 있다. 이러한 공기정화장치는, 이산화탄소 흡착제에 흡착된 이산화탄소를 탈착시켜 이산화탄소 흡착제를 재생시키고자 하는 경우, 환기 가능한 곳으로 자동으로 이동할 수 있다.
예컨대, 본 실시 예에 따른 공기정화장치의 주행부는 모터 및 하나 이상의 바퀴를 포함할 수 있다.
그리고 본 실시 예에 따른 공기정화장치의 컴퓨팅 장치는 이산화탄소 흡착제의 사용기간을 산출할 수 있고, 사용된 기간이 기 설정된 기간을 경과하면 이산화탄소 흡착제의 재생이 요구됨을 판단할 수 있다. 또한 컴퓨팅 장치는 외부 장치와 통신이 가능하고, 외부의 창문 및 문 중 적어도 하나에 부착된 센싱 장치로부터 수신된 정보를 바탕으로 실내 환기가 진행되는지 여부 및 환기 가능한 영역을 판단할 수 있고, 판단 결과를 바탕으로 주행부를 제어해서 공기정화장치가 환기 가능한 영역으로 이동하도록 할 수 있고, 히터를 제어하여 열을 발생시킬 수 있다. 따라서 환기 가능한 영역에서 이산화탄소 흡착제에 흡착된 이산화탄소가 탈착되어 배출될 수 있는 것이다.
상술한 다양한 실시 예들에 따른 공기정화장치는 실생활에서 적용가능한 가전제품(home appliance)으로 구현될 수 있다. 예컨대, 로봇청소기, 에어컨, 공기청정기, 가습기 등으로 구현될 수 있다.
이하에선 본 개시의 이해를 돕기 위한 실시예들을 설명하도록 하다. 하기의 실시예들은 본 개시의 이해를 돕기 위한 것으로, 본 개시의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
1. 제조 실시 예
1.1 [Mg 2 (dobpdc)(DMF) 2 ]의 제조
H4dobpdc(7.8423 g, 28.598 mmol), MgCl2·6H2O (11.6278g, 57.195 mmol), 그리고 200 ml의 혼합 용액 (DMF:EtOH=1:1 / 부피:부피)를 300 ml의 고압반응기에 담고 뚜껑으로 잘 봉하였다. 혼합물을 140 ℃, 72시간동안 반응을 시켰다. 반응이 끝난 혼합물을 여과하여 보라색 고체 물질을 얻고 N,N-디메틸포름아마이드(DMF)로 여러 번 씻어준 뒤 진공 조건에서 건조시켰다. 그 결과 수들률이 약 90 %인 [Mg2(dobpdc)(DMF)2]을 얻을 수 있었다.
1.2 Mg 2 (dobpdc)(Nmpn or epn or men or dmpn or Ndmpn) 1.8 (H2O) 0.2 [Amine-Mg 2 (dobpdc)] 제조
[Mg2(dobpdc)(DMF)2]를 MeOH에 3일간 넣어두어 DMF를 제거하고 [Mg2(dobpdc)(MeOH)2]로 만들었다. MeOH을 충분히 여과 후 질소가스를 이용하거나 진공상태로 만들어 주어 표면과 pore에 있는 MeOH를 제거했다.
충분하게 MeOH가 제거된 건조한 물질 1 g (1 당량), 톨루엔 70 ml에 160 당량의 아민을 플라스크에 넣은 뒤 12시간 sonication을 해준다 (N-메틸-1,3-디아미노프로판(nmpn), 1,3-디아미노펜탄(epn), 1,2-디아미노프로판(men), 2,2-디메틸-1,3-디아미노프로판(dmpn), N,N-디메틸-1,3-디아미노프로판(Ndmpn) 각각에 대해 별로도 수행). 반응이 끝난 후 필터를 이용하여 보라색 고체를 분리하고 헥산으로 여러 번 씻어내 톨루엔을 제거하였다. 그 다음에 질소가스를 이용하거나 진공 조건에서 건조시켰다. (실시예 1:nmpn-Mg2(dobpdc), 실시예 2:epn-Mg2(dobpdc), 실시예 3: men-Mg2(dobpdc), 실시예 4:dmpn-Mg2(dobpdc), 실시예 5:Ndmpn-Mg2(dobpdc)).
2. 이산화탄소 흡착제 성능 평가
2.1 등온에서 흡착 성능 평가
이산화탄소 흡착제의 흡착 특성을 평가하기 위하여, 흡착 등온선을 측정하였다. 도 3a는 실시예 1의 흡착제에 대한 흡착 등온선, 도 3b는 실시예 2의 흡착제에 대한 흡착 등온선, 도 3c는 실시예 3의 흡착제에 대한 흡착 등온선, 도 3d는 실시예 4의 흡착제에 대한 흡착 등온선, 그리고, 도 3e는 실시예 5의 흡착제에 대한 흡착 등온선을 나타낸다.
도 3a 내지 도 3e를 참조하면, 금속유기골격체에 접목된 아민 화합물에 따라서 흡착 성능이 다름을 알 수 있다. 특히, 실시예 1의 흡착제에 대한 흡착 등온선(도 3a), 실시예 2의 흡착제에 대한 흡착 등온선(도 3b) 및 실시예 3의 흡착제에 대한 흡착 등온선의 경우, 0.4 ~ 1mbar (400~1000ppm) 에서 흡착이 급격히 시작된다는 점에서, 실시예 4의 흡착제에 대한 흡착 등온선(도 3d) 및 실시예 5의 흡착제에 대한 흡착 등온선(도 3e)와는 차이가 있다. 따라서, 실시예 1, 실시예 2 및 실시예 3의 흡착제가 가정 내와 같은 실생활에서 평상시(이산화탄소농도 400ppm 이하)에는 이산화탄소 흡착이 최소화되고, 환기를 하지 않아 이산화탄소 농도가 1000ppm이상으로 증가하였을 때 흡착이 최대화될 수 있는바, 실생활 응용에 적합한 성질을 가졌음을 알 수 있다.
2.2 온도변화에 따른 흡착 성능 평가
열중량 분석법(Thermogravimetric analysis; TGA)을 이용해 이산화탄소 농도 1000ppm 환경에서 온도를 달리하면서 흡착의 패턴을 확인하였다. 1000ppm는 가정 내와 같은 실생활에서 나타날 수 있는 이산화탄소 농도로서, 공장의 배가스 내 이산화탄소 농도와 비교하였을 때 매우 저농도이다. 도 4a는 실시예 1의 흡착제에 대한 TGA 곡선, 도 4b는 실시예 2의 흡착제에 대한 TGA 곡선, 도 4c는 실시예 3의 흡착제에 대한 TGA 곡선, 도 4d는 실시예 4의 흡착제에 대한 TGA 곡선, 그리고, 도 4e는 실시예 5의 흡착제에 대한 TGA 곡선을 나타낸다.
특히, 실시예 1의 흡착제의 TGA 곡선(도 4a)와 실시예 2의 TGA 곡선(도 4b)를 보면 저농도의 이산화탄소 농도 환경에서도 흡착이 잘 되는 것을 알 수 있으며, 70℃의 낮은 온도에서 90% 이상 이산화탄소가 탈착됨을 알 수 있다. 또한, 실시예 3의 흡착제 또한 실시예 4의 흡착제 및 실시예 5의 흡착제에 비하여 흡착이 잘 된다는 점을 알 수 있다.
한편, 이하에서는 본 개시의 실시 예에 따른 흡착제들의 재생률을 살펴본다. 실시예 4와 실시예 5의 흡착제는 흡착이 거의 이루어지지 않으므로 재생률을 확인하는 의미가 없고, 실시예 1 내지 실시예 3의 흡착제의 재생률은 아래 표와 같다.
재생온도[℃] 50℃ 60℃ 70℃ 80℃ 90℃ 100℃
실시예1 35% 65% 96% 97% 98% 99%
실시예2 37% 94% 98% 99% 99% 100%
실시예3 9% 19% 29% 43% 66% 86%
실시예 1의 흡착제의 경우 70℃부터 96% 이상의 재생률을 보이며, 실시예 2의 흡착제의 경우 60℃에서 이미 94% 이상의 재생률을 보인다. 그러나, 실시예 3의 흡착제의 경우, 전술한 바와 같이 흡착은 잘 되지만, 재생을 위해서는 높은 온도가 필요하며, 온도를 100℃로 올려도 재생률이 86%밖에 되지 않는 것을 확인하였다. 따라서, 실시예 1의 흡착제와 실시예 2의 흡착제 이용 시 재생을 위한 높은 온도를 요구하지 않는다는 점에서, 실시예 3의 흡착제를 이용하는 경우에 비하여 에너지 소비를 줄일 수 있다.
2.3 반복사용성 평가
도 5a 는 실시예 1의 이산화탄소 흡착제의 흡착 및 탈착 사이클을 나타낸 그래프이고 도 5b는 실시예 2의 이산화탄소 흡착제의 흡착 및 탈착 사이클을 나타낸 그래프이다. 구체적으로, 도 5a 및 도 5b는 실시예 1과 실시예 2에 따라 제조된 흡착제가 70℃의 낮은 온도에서 10번의 흡·탈착 과정에서도 성능이 유지된다는 것을 나타내며, 또한 9회 이상의 반복 성능 테스트에서도 10wt% 이상의 고 성능이 유지된다는 것을 나타낸다. 다시 말해, 실시예 1과 실시예 2에 따라 제조된 흡착제는 재사용시에도 우수한 이산화탄소 흡착성능을 유지한다는 것을 확인하였다.
2.4 실환경에서 반복사용성 확인
도 6a 내지 도 6c는 이산화탄소뿐만 아니라 질소, 산소 및 수분 등이 포함된 실생활 조건에서도 동일 수준의 흡착량을 유지하는지 확인하기 위해 실생활 조건의 챔버 내에서 반복 사용성을 측정한 결과이다. 도 6a, 도 6b 및 도 6c 는 각각 실시예 1, 실시예 2 및 실시예 3에 따라 제조된 이산화탄소 흡착제에 대한 그래프이다. 도 6a 내지 도 6c를 참조하면, 실생활 조건의 챔버 내에서 실시예 1, 실시예 2 및 실시예 3의 이산화탄소 흡착제 모두 130℃에서 재생할 때에는 반복사용이 가능하고, 재생 온도를 내리더라도 실시예 1 및 실시예 2의 이산화탄소 흡착제는 반복 사용이 가능하지만, 실시예 3의 이산화탄소 흡착제는 재생 능력이 저하됨을 알 수 있다. 따라서, 실시예 1 및 실시예 2의 흡착제가 실생활에서도 반복사용성이 뛰어남을 알 수 있다.
이상에서는 본 개시의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 개시는 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 개시의 요지를 벗어남이 없이 당해 개시에 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 개시의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.

Claims (9)

  1. 이산화탄소 흡착제에 있어서,
    아민 화합물의 아민기와 결합된 금속유기골격체(Metal-Organic Frameworks, MOFs)를 포함하고,
    상기 아민 화합물은 N-메틸-1,3-디아미노프로판(N-methyl-1,3-diaminopropane) 또는 1,3-디아미노펜탄(1,3-diaminopentane)에서 선택되는, 이산화탄소 흡착제.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 아민 화합물은 N-메틸-1,3-디아미노프로판인, 이산화탄소 흡착제.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 아민 화합물은 1,3-디아미노펜탄인, 이산화탄소 흡착제.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속유기골격체는 M2(dobpdc), M2(dobdc), M2(dondc) 및 M2(dotpdc)로 이루어진 군에서 선택되며,
    여기서, 금속 M은 Mg, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Fe, Cu 또는 Zn이고, dobpdc는 4,4'-디옥시도-3,3'-비페닐디카복실레이트이며, dobdc는 2,5-디옥시도-1,4-벤젠디카복실레이트이고, dondc는 1,5-디옥사이드-2,6-나프탈렌디카복실레이트이고, dotpdc는 4,4'-디옥시도-3,3'-트리페닐디카복실레이트인, 이산화탄소 흡착제.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 금속유기골격체는 Mg2(dobpdc)인, 이산화탄소 흡착제.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 이산화탄소 흡착제는,
    70℃를 초과하지 않는 온도로 가열시 흡착된 이산화탄소의 90% 이상이 탈착되는, 이산화탄소 흡착제.
  7. 공기정화장치에 있어서,
    이산화탄소를 포집하기 위한 이산화탄소 흡착제; 및
    상기 이산화탄소 흡착제에 흡착된 이산화탄소를 탈착시키기 위한 열을 발생시키는 히터;를 포함하며,
    상기 이산화탄소 흡착제는,
    아민 화합물의 아민기와 결합된 금속유기골격체(Metal-Organic Frameworks, MOFs)를 포함하고,
    상기 아민 화합물은 N-메틸-1,3-디아미노프로판(N-methyl-1,3-diaminopropane) 또는 1,3-디아미노펜탄(1,3-diaminopentane)에서 선택되는, 공기정화장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 히터는,
    상기 이산화탄소 흡착제의 온도가 70℃를 초과하지 않도록 열을 발생시키는 공기정화장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 공기정화장치는 가전 제품(home appliance)인, 공기정화장치.
KR1020200022488A 2019-07-16 2020-02-24 이산화탄소 흡착제 및 이를 포함하는 공기정화장치 KR102365539B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/KR2020/007487 WO2021010597A1 (ko) 2019-07-16 2020-06-10 이산화탄소 흡착제 및 이를 포함하는 공기정화장치

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20190085797 2019-07-16
KR1020190085797 2019-07-16

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20210009263A true KR20210009263A (ko) 2021-01-26
KR102365539B1 KR102365539B1 (ko) 2022-02-22

Family

ID=74310372

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200022488A KR102365539B1 (ko) 2019-07-16 2020-02-24 이산화탄소 흡착제 및 이를 포함하는 공기정화장치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102365539B1 (ko)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140110645A (ko) * 2013-03-08 2014-09-17 고려대학교 산학협력단 이산화탄소 흡착제
JP2017170359A (ja) * 2016-03-24 2017-09-28 大阪瓦斯株式会社 ガス分離装置

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140110645A (ko) * 2013-03-08 2014-09-17 고려대학교 산학협력단 이산화탄소 흡착제
JP2017170359A (ja) * 2016-03-24 2017-09-28 大阪瓦斯株式会社 ガス分離装置

Also Published As

Publication number Publication date
KR102365539B1 (ko) 2022-02-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7381244B2 (en) Apparatus and process for air cleaning
WO2021010597A1 (ko) 이산화탄소 흡착제 및 이를 포함하는 공기정화장치
JP6807834B2 (ja) 空気清浄機のための濾過装置
WO2021089629A1 (en) Regenerable voc filters with improved selectivity and efficacy
KR20190064148A (ko) 유해공기 정화용 필터
WO2001036880A1 (fr) Salle blanche
CN207025008U (zh) 一种加强空气净化器净化效果的过滤装置
TW201806667A (zh) 吸附劑、二氧化碳的去除方法、二氧化碳去除器及空調裝置
KR102365539B1 (ko) 이산화탄소 흡착제 및 이를 포함하는 공기정화장치
JPWO2021089629A5 (ko)
TW201802402A (zh) 空調裝置、空調系統、二氧化碳的去除方法、吸附劑及二氧化碳去除器
US20170368531A1 (en) Adsorbent for halogenated anaesthetics
JPH04200719A (ja) 炭素酸化物除去装置
EP4444461A1 (en) Metal organic frameworks for the selective capture of volatil organic compounds comprising carboxylic acid functional group(s) and/or volatile alcohols
JP4726360B2 (ja) 吸着材
JPH03210269A (ja) 脱臭防菌組成物
TW201815465A (zh) 吸附劑、二氧化碳的去除方法、二氧化碳去除器及空調裝置
CN111138672A (zh) 金属有机框架材料及其制备方法、以及包含其的吸附装置
KR20210119749A (ko) 포름알데하이드 제거용 산소 공공 흡착제, 그의 제조방법 및 이를 포함하는 포름알데하이드 흡착 코팅액, 부직포 필터
JP6264859B2 (ja) シロキサン除去剤およびそれを用いたシロキサン除去フィルタ
JP2002079099A (ja) ガス除去材
JPH10180093A (ja) 活性炭及びその複合吸着材の再生方法
CN115475602B (zh) 一种夹炭布用活性炭基吸附材料及其制备方法
JPH07171341A (ja) 空気中の微量のアセトアルデヒドを除去する方法
JP7209994B2 (ja) アンモニア脱離方法、アンモニア回収方法、及びアンモニア回収装置

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)
GRNT Written decision to grant