KR20210144574A - Gas separation membrane containing heterogeneous zeolites and preparation method thereof - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a gas separator in which heterogeneous zeolite epitaxially and alternately grows and a method for manufacturing the same, wherein MWW-based zeolite epitaxially grows to DDR-based zeolite or the DDR-based zeolite epitaxially grows to the MWW-based zeolite to form the gas separator, an MWW/DDR-based gas separator can be synthesized by using the structural continuity of the MWW-based zeolite and the DDR-based zeolite, and the gas separator manufactured thereby can have excellent separation efficiency.

Description

이종의 제올라이트를 포함하는 기체분리막 및 이의 제조방법{Gas separation membrane containing heterogeneous zeolites and preparation method thereof}Gas separation membrane containing heterogeneous zeolites and preparation method thereof

본 발명은 MWW 계열 제올라이트 및 DDR 계열 제올라이트를 포함하는 기체분리막 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로는 MWW 계열 제올라이트에 에피택시얼 성장된 DDR 계열 제올라이트를 포함하는 기체분리막에 관한 것이다.The present invention relates to a gas separation membrane comprising MWW-based zeolite and DDR-based zeolite, and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a gas separation membrane comprising DDR-based zeolite epitaxially grown on MWW-based zeolite.

제올라이트는 메탄올의 가솔린 전환이나 매연의 탈질 등을 위한 촉매로, SiO4 와 AlO4 -의 사면체가 기하학적 형태로 결합하여 규칙적인 삼차원적 골격 구조를 갖는 알루미나-실리카의 결정분자체로, 상기 사면체들은 산소를 서로 공유하여 연결되며 골격은 홈(channel)을 갖고 또한 서로 연결된 공동(cavity)을 갖는 특징이 있다. 이러한 특징으로 인하여 제올라이트는 이온교환성이 우수하기 때문에 촉매, 흡착제, 분자체, 이온교환제, 분리막 등 다양한 용도로 사용되고 있다. Zeolite is a catalyst for the conversion of methanol to gasoline or denitrification of soot, and is a crystalline molecular sieve of alumina-silica having a regular three-dimensional framework structure by geometrically combining tetrahedra of SiO 4 and AlO 4 -. They are connected by sharing oxygen, and the skeleton has a channel and a cavity connected to each other. Due to these characteristics, zeolite has excellent ion exchange properties and is therefore used in various applications such as catalysts, adsorbents, molecular sieves, ion exchangers, and separation membranes.

종래의 제올라이트 분리막의 경우 분리막을 제작할 때 필연적으로 생성되는 제올라이트 고유의 기공 크기보다 큰 결함들로 인하여 분리 성능이 크게 저하되며, 이로 인하여 고성능의 분리막 제작에 어려움이 있다. In the case of a conventional zeolite separator, the separation performance is greatly reduced due to defects larger than the inherent pore size of zeolite, which are inevitably generated when manufacturing the separator, and thus it is difficult to manufacture a high-performance separator.

따라서 제올라이트 고유의 기공 크기보다 큰 결함을 메워 분리 성능이 우수한 분리막에 대한 개발이 요구되고 있다.Therefore, the development of a separation membrane with excellent separation performance by filling defects larger than the pore size of zeolite is required.

선행문헌 prior literature

대한민국 등록특허 10-0861012Republic of Korea Patent Registration 10-0861012

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 이종의 제올라이트가 서로 교대로 에피택시얼 성장된 기체분리막 및 이의 제조방법을 제공함에 있다. 구체적으로, 본 발명은 MWW 계열 제올라이트로부터 DDR 계열 제올라이트가 에피택시얼 성장되거나, DDR 계열 제올라이트로부터 MWW 계열 제올라이트가 에피택시얼 성장된 것인 기체분리막을 제공한다.An object of the present invention is to provide a gas separation membrane in which heterogeneous zeolites are epitaxially grown alternately with each other and a method for manufacturing the same. Specifically, the present invention provides a gas separation membrane in which DDR-based zeolite is epitaxially grown from MWW-based zeolite or MWW-based zeolite is epitaxially grown from DDR-based zeolite.

본 발명은 하나 이상의 MWW 계열 제올라이트와 하나 이상의 DDR 계열 제올라이트를 포함하고, 상기 MWW 계열 제올라이트와 상기 DDR 계열 제올라이트는 서로 교대로 구비되되, 상기 MWW 계열 제올라이트와 상기 DDR 계열 제올라이트 중 적어도 어느 하나 이상은 에피택시얼 성장(epitaxial growth)되는 것을 포함하는 MWW/DDR 계열 기체분리막을 제공한다.The present invention includes at least one MWW series zeolite and at least one DDR series zeolite, wherein the MWW series zeolite and the DDR series zeolite are provided alternately with each other, at least one of the MWW series zeolite and the DDR series zeolite is epi To provide a MWW/DDR-based gas separation membrane, which includes epitaxial growth.

또한, 본 발명은 제1 구조유도제 및 제1 원료를 포함하는 제1 제올라이트 전구체 용액을 이용하여 수열합성법으로 제조한 복수개의 제1 제올라이트 입자를 지지체 상에 구비시켜 제1 제올라이트를 형성하는 제1 제올라이트 형성단계; 및In addition, the present invention provides a first zeolite for forming a first zeolite by providing a plurality of first zeolite particles prepared by a hydrothermal synthesis method on a support using a first zeolite precursor solution including a first structure directing agent and a first raw material formation step; and

제2 구조유도제 및 제2 원료를 포함하는 제2 제올라이트 전구체 용액을 이용하여 수열합성법으로 상기 제1 제올라이트 상에 제2 제올라이트를 성장시키는 제2 제올라이트 형성단계;를 포함하고,A second zeolite forming step of growing a second zeolite on the first zeolite by hydrothermal synthesis using a second zeolite precursor solution containing a second structure directing agent and a second raw material;

상기 제1 또는 제2 원료는 각각 Si 및 Al 중 적어도 어느 하나 이상을 포함하고,The first or second raw material includes at least any one or more of Si and Al, respectively,

상기 제1 제올라이트는 상기 지지체 상에 복수개의 입자의 형태로 구비되고, 상기 제2 제올라이트는 상기 제1 제올라이트 상에서 에피택시얼 성장(epitaxial growth)되는 것을 포함하는 기체분리막의 제조방법을 제공한다.The first zeolite is provided in the form of a plurality of particles on the support, and the second zeolite is epitaxially grown on the first zeolite.

본 발명에 따른 기체분리막은 MWW 계열 제올라이트와 DDR 계열 제올라이트의 구조적 연속성을 이용하여 이종의 제올라이트가 서로 에피택시얼 성장된 기체분리막은 우수한 분리효능을 가질 수 있다.The gas separation membrane according to the present invention uses the structural continuity of the MWW-based zeolite and the DDR-based zeolite, and the gas separation membrane in which heterogeneous zeolites are epitaxially grown with each other can have excellent separation efficiency.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기체분리막을 단면도를 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기체분리막을 제조하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기체분리막을 제조하는 방법을 나타낸 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기체분리막을 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 이미지(a-e) 및 X선 회절분석한 그래프(f)이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 기체분리막의 계면에서의 MWW 계열 제올라이트로부터 DDR 계열 제올라이트의 에피택시얼 성장이 가능한 개략적인 구조 모델을 나타낸 이미지이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 기체분리막을 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 이미지이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 기체분리막을 X선 회절분석한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 기체분리막의 X선 회절분석한 그래프(a), 투과전자 현미경(TEM) 이미지(b), 고해상도 투과전자 현미경(HR-TEM) 이미지(c) 및 고속 푸리에 변환(FFT) 패턴(d)의 이미지이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 기체분리막을 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 이미지이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 기체분리막을 X선 회절분석한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 비교예에 따른 기체분리막을 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 이미지이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 기체분리막의 이산화탄소 분리 능력을 확인한 그래프이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 기체분리막의 이산화탄소 분리 능력을 확인한 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 기체분리막의 건조 및 습식 조건에서의 이산화탄소 분리 능력을 확인한 그래프이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 기체분리막의 소수성을 확인한 이미지이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 기체분리막의 주사전자 현미경(SEM) 및 형광 공초점 광학 현미경(FCOM) 이미지이고, (a) 라인 및 (c) 라인은 단면 이미지, (b) 라인 및 (d) 라인은 평면(top-view) 이미지이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 기체분리막의 형광 공초점 광학 현미경(FCOM) 특성을 분석한 이미지이다.
도 18은 본 발명의 다른 실시예에 따른 기체분리막의 형광 공초점 광학 현미경(FCOM) 특성을 분석한 이미지이다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 기체분리막의 결함 구조에 대해 개략적으로 나타낸 이미지이다.
도 20은 본 발명의 다른 실시예 및 비교예에 따른 기체분리막의 형광 공초점 광학 현미경(FCOM) 특성을 분석한 이미지이다.
1 is a schematic diagram showing a cross-sectional view of a gas separation membrane according to an embodiment of the present invention.
2 is a flowchart illustrating a method for manufacturing a gas separation membrane according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic diagram showing a method for manufacturing a gas separation membrane according to an embodiment of the present invention.
4 is an image (ae) taken with a scanning electron microscope (SEM) and a graph (f) obtained by X-ray diffraction analysis of the gas separation membrane according to an embodiment of the present invention.
5 is an image showing a schematic structural model capable of epitaxial growth of DDR-based zeolite from MWW-based zeolite at the interface of the gas separation membrane according to an embodiment of the present invention.
6 is an image taken with a scanning electron microscope (SEM) of a gas separation membrane according to another embodiment of the present invention.
7 is a graph of X-ray diffraction analysis of a gas separation membrane according to another embodiment of the present invention.
8 is a graph of X-ray diffraction analysis of a gas separation membrane according to an embodiment of the present invention (a), a transmission electron microscope (TEM) image (b), a high-resolution transmission electron microscope (HR-TEM) image (c), and a high-speed An image of a Fourier transform (FFT) pattern (d).
9 is an image taken with a scanning electron microscope (SEM) of a gas separation membrane according to another embodiment of the present invention.
10 is a graph of X-ray diffraction analysis of a gas separation membrane according to another embodiment of the present invention.
11 is an image taken with a scanning electron microscope (SEM) of a gas separation membrane according to a comparative example of the present invention.
12 is a graph confirming the carbon dioxide separation capability of the gas separation membrane according to an embodiment of the present invention.
13 is a graph confirming the carbon dioxide separation capability of the gas separation membrane according to another embodiment of the present invention.
14 is a graph confirming the carbon dioxide separation capability of the gas separation membrane according to an embodiment of the present invention under dry and wet conditions.
15 is an image confirming the hydrophobicity of the gas separation membrane according to an embodiment of the present invention.
16 is a scanning electron microscope (SEM) and a fluorescence confocal optical microscope (FCOM) image of a gas separation membrane according to an embodiment of the present invention, (a) lines and (c) lines are cross-sectional images, (b) lines and (d) Lines are top-view images.
17 is an image of analyzing the characteristics of a fluorescence confocal optical microscope (FCOM) of a gas separation membrane according to an embodiment of the present invention.
18 is an image of analyzing the characteristics of a fluorescence confocal optical microscope (FCOM) of a gas separation membrane according to another embodiment of the present invention.
19 is an image schematically showing a defect structure of a gas separation membrane according to an embodiment of the present invention.
20 is an image obtained by analyzing fluorescence confocal optical microscopy (FCOM) characteristics of gas separation membranes according to other examples and comparative examples of the present invention.

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.Hereinafter, preferred embodiments according to the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings in order to describe the present invention in more detail. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms.

제올라이트 분리막은 미세 기공 크기가 일정하여 분자체 역할을 수행할 수 있다. 제올라이트 분리막을 분리 공정에 적용할 경우 기존에 분리 공정에 사용되는 에너지를 저감시킬 수 있을 것이라 기대되고 있다. 현재까지 253개의 제올라이트 구조가 제시되었는데, 그럼에도 불구하고 소수의 제올라이트(예; MFI, FAU, CHA, DDR, MOR, LTA)구조가 분리막으로 합성되었다.The zeolite separation membrane may function as a molecular sieve because the micropore size is constant. When the zeolite separation membrane is applied to the separation process, it is expected that the energy used in the existing separation process can be reduced. To date, 253 zeolite structures have been proposed. Nevertheless, a small number of zeolite structures (eg, MFI, FAU, CHA, DDR, MOR, LTA) have been synthesized as membranes.

분리막 합성 시 균일한 씨앗층을 형성한 후 2차 성장을 통해 분리막을 합성하는 방법을 주로 사용하는 데, 대부분 씨앗층과 이차 성장으로 자란 분리막의 구조가 동일한 구조로 이루어졌다.When synthesizing a separation membrane, a method of synthesizing a separation membrane through secondary growth after forming a uniform seed layer is mainly used, and most of the seed layer and the separation membrane grown by secondary growth have the same structure.

DDR 계열 제올라이트는 기공 크기가 약 0.36 x 0.44 nm2로 CO2(0.33 nm)를 분자체 역할을 통해 선택적으로 분리할 수 있다. 그러나 DDR 계열 제올라이트는 씨앗 입자를 합성하는 것이 어렵고 재현성이 낮아 분리막의 씨앗층 형성이 어렵고, 연속적인 DDR 계열 제올라이트 분리막 합성을 제시한 경우가 매우 드물다.DDR-based zeolite has a pore size of about 0.36 x 0.44 nm 2 and can selectively separate CO 2 (0.33 nm) through a molecular sieve role. However, DDR-based zeolite is difficult to synthesize seed particles and has low reproducibility, making it difficult to form the seed layer of the separator.

또한, MWW 계열 제올라이트는 판형 입자로 c-방향으로 배향될 때 6 membered ring(MR) 기공(0.28 nm)을 수직으로 통과해야 하기 때문에 수소 선택적 분리막으로 제시되었다. 하지만 6 MR 기공 방향으로 배향된 분리막 형성이 어려워 연속적인 분리막 형성 및 분리 성능에 대해서는 보고된 바 없다. In addition, MWW-based zeolites have been proposed as hydrogen-selective membranes because they have to pass vertically through 6-membered ring (MR) pores (0.28 nm) when oriented in the c-direction as plate-shaped particles. However, since it is difficult to form a separator oriented in the 6 MR pore direction, continuous separator formation and separation performance have not been reported.

본 발명은 하나 이상의 MWW 계열 제올라이트와 하나 이상의 DDR 계열 제올라이트를 포함하고,The present invention comprises at least one MWW series zeolite and at least one DDR series zeolite,

상기 MWW 계열 제올라이트와 상기 DDR 계열 제올라이트는 서로 교대로 구비되되, 상기 MWW 계열 제올라이트와 상기 DDR 계열 제올라이트 중 적어도 어느 하나 이상은 에피택시얼 성장(epitaxial growth)되는 것을 포함하는 MWW/DDR 구조 기체분리막을 제공한다.The MWW series zeolite and the DDR series zeolite are alternately provided with each other, and at least one of the MWW series zeolite and the DDR series zeolite is epitaxially grown. to provide.

상기 MWW/DDR 구조는 MWW 계열 제올라이트와 DDR 계열 제올라이트가 상호성장한 것으로, 하나 이상의 MWW 계열 제올라이트에 하나 이상의 DDR 계열 제올라이트가 에피택시얼 성장된 것이나, 하나 이상의 DDR 계열 제올라이트에 하나 이상의 MWW 계열 제올라이트가 에피택시얼 성장된 것을 의미한다.The MWW/DDR structure is a mutual growth of MWW series zeolite and DDR series zeolite, and one or more DDR series zeolites are epitaxially grown on one or more MWW series zeolites, but one or more MWW series zeolites are epitaxially grown on one or more DDR series zeolites. It means that you have grown up.

하나의 예로서, 본 발명의 기체분리막은 상기 MWW 계열 제올라이트 및 DDR 계열 제올라이트가 독립적으로 층(layer)을 형성하되, 교대로 반복적으로 구비될 수 있고, 상기 기체분리막의 두께는 0.1 내지 50 ㎛, 0.1 내지 30 ㎛, 0.5 내지 10 ㎛ 또는 0.5 내지 3 ㎛일 수 있다.As an example, in the gas separation membrane of the present invention, the MWW-based zeolite and DDR-based zeolite independently form a layer, and may be alternately and repeatedly provided, and the thickness of the gas separation membrane is 0.1 to 50 μm, 0.1 to 30 μm, 0.5 to 10 μm, or 0.5 to 3 μm.

하나의 예로서, 상기 MWW 계열 제올라이트 상에 DDR 계열 제올라이트가 제1 조건으로 수열합성법으로 에피택시얼 성장되어 구비되거나, 상기 DDR 계열 제올라이트 상에 MWW 계열 제올라이트가 제2 조건으로 수열합성법으로 에피택시얼 성장되어 구비할 수 있다.As an example, a DDR-based zeolite is epitaxially grown on the MWW-based zeolite by a hydrothermal synthesis method as a first condition, or an MWW-based zeolite is epitaxially grown on the DDR-based zeolite by a hydrothermal synthesis method as a second condition. It can be grown and equipped.

상기 제1 조건은 100℃ 내지 200℃, 100℃ 내지 180℃, 120℃ 내지 160℃ 또는 130℃ 내지 160℃의 온도로 0.5일 내지 15일, 1일 내지 15일 또는 1일 내지 10일 동안 수열합성 하는 것을 포함하고, 상기 제2 조건은 100℃ 내지 200℃, 100℃ 내지 180℃, 120℃ 내지 160℃ 또는 130℃ 내지 150℃의 온도로 0.5일 내지 15일, 1일 내지 15일 또는 1일 내지 11일 동안 수열합성 하는 것을 포함할 수 있다.The first condition is a hydrothermal sequence for 0.5 days to 15 days, 1 day to 15 days, or 1 day to 10 days at a temperature of 100 °C to 200 °C, 100 °C to 180 °C, 120 °C to 160 °C or 130 °C to 160 °C. Including synthesizing, the second condition is 0.5 days to 15 days, 1 day to 15 days or 1 at a temperature of 100°C to 200°C, 100°C to 180°C, 120°C to 160°C or 130°C to 150°C It may include hydrothermal synthesis for 1 to 11 days.

상기 MWW 계열 제올라이트는 Si:Al의 몰비 기준값이 100:0~10 또는 100:1~10일 수 있다.The MWW series zeolite may have a Si:Al molar ratio of 100:0 to 10 or 100:1 to 10.

상기 DDR 계열 제올라이트는 Si:Al의 몰비 기준값이 100:0~10 또는 100:0~1일 수 있다.The DDR-based zeolite may have a Si:Al molar ratio of 100:0 to 10 or 100:0 to 1.

본 발명에 따른 기체분리막은 상기와 같이 이종의 제올라이트가 교대로 상호성장된 구조를 가지고, 상기 이종의 제올라이트가 서로 에피택시얼 성장된 것이 특징이므로, 기체 혼합물로부터 이산화탄소 기체(CO2)를 분리하는 기체분리효율이 기존의 분리막에 비해 더욱 향상될 수 있다.Since the gas separation membrane according to the present invention has a structure in which heterogeneous zeolites are alternately grown with each other as described above, and the heterogeneous zeolites are epitaxially grown with each other, carbon dioxide gas (CO 2 ) is separated from the gas mixture. Gas separation efficiency can be further improved compared to the conventional separation membrane.

또한, 본 발명의 기체분리막은 도 1의 (a)에 나타낸 바와 같이 상기 MWW 계열 제올라이트 상에 DDR 계열 제올라이트가 제1 방향(X)으로 구비되는 경우, 상기 MWW 계열 제올라이트는 복수개의 MWW 계열 제올라이트 입자의 집단으로 이루어지되, 상기 MWW 계열 제올라이트 입자는 상기 제1 방향으로 나란한 평균 길이(T1)가 10nm 내지 1㎛, 100nm 내지 1㎛, 10nm 내지 800nm, 20nm 내지 500nm, 10nm 내지 100nm 또는 50nm 내지 100nm이다.In addition, in the gas separation membrane of the present invention, when the DDR-based zeolite is provided on the MWW-based zeolite in the first direction (X) as shown in FIG. The MWW series zeolite particles have an average length (T1) parallel to each other in the first direction of 10 nm to 1 μm, 100 nm to 1 μm, 10 nm to 800 nm, 20 nm to 500 nm, 10 nm to 100 nm, or 50 nm to 100 nm .

또한, 도 1의 (b)에 나타낸 바와 같이 상기 DDR 계열 제올라이트 상에 MWW 계열 제올라이트가 제1 방향(X)으로 구비되는 경우, 상기 DDR 계열 제올라이트는 복수개의 DDR 계열 제올라이트 입자의 집단으로 이루어지되, 상기 DDR 계열 제올라이트 입자는 상기 제1 방향으로 나란한 평균 길이(T2)가 0.1㎛ 내지 10㎛, 0.1㎛ 내지 5㎛, 0.5㎛ 내지 5㎛, 1㎛ 내지 5㎛, 0.5㎛ 내지 3㎛ 또는 0.1㎛ 내지 1㎛인 것을 포함할 수 있다.In addition, when the MWW series zeolite is provided in the first direction (X) on the DDR series zeolite as shown in FIG. The DDR series zeolite particles have an average length (T2) parallel to the first direction of 0.1 μm to 10 μm, 0.1 μm to 5 μm, 0.5 μm to 5 μm, 1 μm to 5 μm, 0.5 μm to 3 μm or 0.1 μm to 1 μm.

아울러, 도 1의 (c)에 나타낸 바와 같이 상기 복수개의 MWW 계열 제올라이트 입자들이 다층(multi-layer)로 적층되어 제1 제올라이트를 형성할 수 있고, 도 1의 (d)에 나타낸 바와 같이 상기 복수개의 DDR 계열 제올라이트 입자들이 다층(multi-layer)로 적층되어 제1 제올라이트를 형성할 수 있다.In addition, as shown in FIG. 1(c), the plurality of MWW-based zeolite particles may be stacked in a multi-layer to form a first zeolite, and as shown in FIG. 1(d), the plurality of The DDR-based zeolite particles may be stacked in a multi-layer to form a first zeolite.

상기 MWW 계열 제올라이트 입자 또는 상기 DDR 계열 제올라이트 입자는 제1 제올라이트 입자로서 제2 제올라이트를 형성하기 위한 씨드역할을 할 수 있다.The MWW-based zeolite particles or the DDR-based zeolite particles may serve as a seed for forming the second zeolite as the first zeolite particles.

또한, 본 발명은 도 2에 나타낸 바와 같이 제1 구조유도제 및 제1 원료를 포함하는 제1 제올라이트 전구체 용액을 이용하여 수열합성법으로 제조한 복수개의 제1 제올라이트 입자를 지지체 상에 구비시켜 제1 제올라이트를 형성하는 제1 제올라이트 형성단계; 및 제2 구조유도제 및 제2 원료를 포함하는 제2 제올라이트 전구체 용액을 이용하여 수열합성법으로 상기 제1 제올라이트 상에 제2 제올라이트를 성장시키는 제2 제올라이트 형성단계;를 포함하고, 상기 제1 또는 제2 원료는 각각 Si 및 Al 중 적어도 어느 하나 이상을 포함하고, 상기 제1 제올라이트는 상기 지지체 상에 복수개의 입자의 형태로 구비되고, 상기 제2 제올라이트는 상기 제1 제올라이트 상에서 에피택시얼 성장(epitaxial growth)되는 것을 포함하는 기체분리막의 제조방법을 제공한다.In addition, as shown in FIG. 2, the present invention provides a plurality of first zeolite particles prepared by hydrothermal synthesis using a first zeolite precursor solution including a first structure directing agent and a first raw material on a support to provide a first zeolite A first zeolite forming step to form a; and a second zeolite forming step of growing a second zeolite on the first zeolite by hydrothermal synthesis using a second zeolite precursor solution containing a second structure directing agent and a second raw material; 2 The raw materials each include at least one of Si and Al, the first zeolite is provided in the form of a plurality of particles on the support, and the second zeolite is epitaxially grown on the first zeolite. growth) provides a method for manufacturing a gas separation membrane comprising that.

추가적으로, 본 발명에 따른 기체분리막의 제조방법은 도 3에 나타낸 바와 같이, 상기 제1 제올라이트 형성단계 및 상기 제2 제올라이트 형성단계 사이에 상기 제1 제올라이트 형성단계의 복수개의 제1 제올라이트 입자의 적어도 일부를 덮는 버퍼부를 형성시키는 버퍼부 형성단계를 더 포함할 수 있다.Additionally, in the method for manufacturing a gas separation membrane according to the present invention, as shown in FIG. 3 , at least a portion of a plurality of first zeolite particles in the first zeolite forming step between the first zeolite forming step and the second zeolite forming step It may further include a buffer unit forming step of forming a buffer unit covering the.

상기 버퍼부 형성단계는 상기 제1 제올라이트와 버퍼부 전구체 용액을 이용하여 수열합성법으로 상기 제1 제올라이트의 복수개의 입자 상에 제2 제올라이트를 성장시킬 수 있다.In the buffer part forming step, a second zeolite may be grown on a plurality of particles of the first zeolite by hydrothermal synthesis using the first zeolite and the buffer part precursor solution.

상기 버퍼부 형성단계는 생략가능하다. 상기 버퍼부 형성단계에 의하여 서로 다른 구조로 이루어진 제1 및 제2 제올라이트 사이의 계면이 에피택시얼하게 성장하여 구비되도록 함으로써 구조적 안정성을 보다 향상시킬 수 있다.The step of forming the buffer unit may be omitted. Structural stability can be further improved by making the interface between the first and second zeolites having different structures grow epitaxially by the buffer unit forming step.

상기 제1 또는 제2 원료는 각각 Si 및 Al 중 적어도 어느 하나 이상을 포함한다.The first or second raw material includes at least one of Si and Al, respectively.

상기 Si을 포함하는 원료는 실리카(SiO2), 모노머 실리카(monomeric silica), 흄드 실리카(fumed silica) 및 콜로이드 실리카 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.The raw material containing Si may include any one or more of silica (SiO 2 ), monomeric silica, fumed silica, and colloidal silica.

상기 Al을 포함하는 원료는 산화알루미늄염을 포함할 수 있고, 구체적으로, Al을 포함하는 원료는 NaAl2O3일 수 있다.The raw material containing Al may include an aluminum oxide salt, and specifically, the raw material containing Al may be NaAl 2 O 3 .

구체적으로, 제1 또는 제2 제올라이트 전구체 용액이 MWW 계열 제올라이트를 성장시키기 위한 용액인 경우, 상기 제1 또는 제2 원료는 Si 및 Al을 포함하고, 상기 제1 또는 제2 제올라이트 전구체 용액의 몰 농도의 비율은 Si:Al:구조유도제:용매=100:0~10:10~500:500~20000 또는 100:1~10:10~500:500~20000을 포함할 수 있다.Specifically, when the first or second zeolite precursor solution is a solution for growing MWW-based zeolite, the first or second raw material includes Si and Al, and the molar concentration of the first or second zeolite precursor solution The ratio of Si: Al: structure directing agent: solvent = 100: 0 ~ 10: 10 ~ 500: 500 ~ 20000 or 100: 1 ~ 10: 10 ~ 500: 500 to 20000 may include.

또한, 제1 또는 제2 제올라이트 전구체 용액이 DDR 계열 제올라이트를 성장시키기 위한 용액인 경우, 상기 제1 또는 제2 원료는 Si를 포함하고, 상기 제1 또는 제2 제올라이트 전구체 용액의 몰 농도의 비율은 Si:Al: 구조유도제:용매=100:0~10:1~200:500~20000 또는 100:0~1:1~200:500~20000일 수 있다.In addition, when the first or second zeolite precursor solution is a solution for growing DDR-based zeolite, the first or second raw material contains Si, and the ratio of the molar concentration of the first or second zeolite precursor solution is Si:Al: structure directing agent: solvent = 100: 0 ~ 10:1 ~ 200: 500 ~ 20000 or 100: 0 ~ 1:1 ~ 200: 500 ~ 20000 may be.

상기 용매는 증류수, 탈이온수 또는 에탄올을 포함할 수 있다.The solvent may include distilled water, deionized water or ethanol.

상기 제1 및 제2 구조유도제는 독립적으로 헥사메틸렌이민(Hexamethyleneimine, HMI), 피페리딘(Piperidine), 아다맨틸아민(1-adamantylamine), 에틸렌디아민(ethylenediamine), 메틸트로피늄염, 1-TMAdaOH (N,N,N-trimethyl-1-adamantylammonium hydroxide), TMAdaBr (N,N,N-trimethyl-1-adamantylammonium bromide), TMAdaF (N,N,N-trimethyl-1-adamantylammonium fluoride), TMAdaCl (N,N,N-trimethyl-1-adamantylammonium chloride), TMAdaI(N,N,N-trimethyl-1-adamantylammonium iodide), TEAOH (tetraethylammonium hydroxide), TEABr (tetraethylammonium bromide), TEAF (tetraethylammonium fluoride), TEACl (tetraethylammonium chloride), TEAI(tetraethylammonium iodide), 디프로필아민(dipropylamine) 및 사이클로헥실아민(cyclohexylamine) 중 어느 하나 이상을 포함한다.The first and second structure-directing agents are independently hexamethyleneimine (Hexamethyleneimine, HMI), piperidine (Piperidine), adamantylamine (1-adamantylamine), ethylenediamine (ethylenediamine), methyltropinium salt, 1-TMAdaOH ( N,N,N-trimethyl-1-adamantylammonium hydroxide), TMAdaBr (N,N,N-trimethyl-1-adamantylammonium bromide), TMAdaF (N,N,N-trimethyl-1-adamantylammonium fluoride), TMAdaCl (N, N,N-trimethyl-1-adamantylammonium chloride), TMAdaI (N,N,N-trimethyl-1-adamantylammonium iodide), TEAOH (tetraethylammonium hydroxide), TEABr (tetraethylammonium bromide), TEAF (tetraethylammonium fluoride), TEACl (tetraethylammonium chloride) ), TEAI (tetraethylammonium iodide), dipropylamine (dipropylamine), and cyclohexylamine (cyclohexylamine), including any one or more.

상기 메틸트로피늄염은 메틸트로피늄 아이오다이드(methyltropinium iodide), 메틸트로피늄 플루오라이드(methyltropinium fluoride), 메틸트로피늄 클로라이드(methyltropinium chloride), 메틸트로피늄 브로마이드(methyltropinium bromide) 및 메틸트로피늄 하이드록사이드(methyltropinium hydroxide)로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상을 포함한다.The methyltropinium salt is methyltropinium iodide, methyltropinium fluoride, methyltropinium chloride, methyltropinium bromide, and methyltropinium hydroxide. (methyltropinium hydroxide) includes at least one selected from the group consisting of.

구체적으로, 제1 및 제2 구조유도제 중 MWW 계열 제올라이트를 성장시키기 위한 구조유도제는 헥사메틸렌이민(Hexamethyleneimine, HMI), 피페리딘(Piperidine), TMAdaOH (N,N,N-trimethyl-1-adamantylammonium hydroxide), TMAdaBr (N,N,N-trimethyl-1-adamantylammonium bromide), TMAdaF (N,N,N-trimethyl-1-adamantylammonium fluoride), TMAdaCl (N,N,N-trimethyl-1-adamantylammonium chloride), 및 TMAdaI(N,N,N-trimethyl-1- adamantylammonium iodide) 중 어느 하나 이상일 수 있다.Specifically, among the first and second structure inducers, structure inducers for growing MWW-based zeolite include hexamethyleneimine (HMI), piperidine, TMAdaOH (N,N,N-trimethyl-1-adamantylammonium) hydroxide), TMAdaBr (N,N,N-trimethyl-1-adamantylammonium bromide), TMAdaF (N,N,N-trimethyl-1-adamantylammonium fluoride), TMAdaCl (N,N,N-trimethyl-1-adamantylammonium chloride) , and TMAdaI (N,N,N-trimethyl-1-adamantylammonium iodide) may be any one or more.

또한, 제1 및 제2 구조유도제 중 DDR 계열 제올라이트를 성장시키기 위한 구조유도제는 메틸트로피늄염, 아다맨틸아민(1-adamantylamine) 및 에틸렌디아민(ethylenediamine)중 어느 하나 이상일 수 있다.In addition, among the first and second structure inducers, the structure inducer for growing the DDR-based zeolite may be any one or more of methyltropinium salt, adamantylamine (1-adamantylamine), and ethylenediamine.

상기 지지체는 α-알루미나, γ-알루미나, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리설폰, 폴리이미드, 실리카, 글래스, 멀라이트(mullite), 지르코니아(zirconia), 티타니아(titania), 이트리아(yttria), 세리아(ceria), 바나디아(vanadia), 실리콘, 스테인레스 스틸, 카본, 칼슘 산화물 및 인 산화물 중 어느 하나 이상을 포함한다.The support is α-alumina, γ-alumina, polypropylene, polyethylene, polytetrafluoroethylene, polysulfone, polyimide, silica, glass, mullite, zirconia, titania, yttria (yttria), ceria (ceria), vanadia (vanadia), silicon, stainless steel, carbon, includes any one or more of calcium oxide and phosphorus oxide.

상기 제1 제올라이트 형성단계는 제1 구조유도제 및 제1 원료를 포함하는 제1 제올라이트 전구체 용액을 이용하여 수열합성법으로 제조한 복수개의 제1 제올라이트 입자를 상기 지지체 상에 구비시켜 제1 제올라이트를 형성하는 단계이다.In the first zeolite forming step, a plurality of first zeolite particles prepared by hydrothermal synthesis using a first zeolite precursor solution including a first structure directing agent and a first raw material are provided on the support to form a first zeolite is a step

상기 제1 제올라이트 형성단계는 하기와 같이 2가지 단계로 구성될 수 있다:The first zeolite forming step may consist of two steps as follows:

(1)상기 제1 제올라이트 전구체 용액을 이용하여 제1 조건 또는 제2 조건으로 수열합성법으로 복수개의 제1 제올라이트 입자를 형성하는 제1 제올라이트 입자 형성단계; 및(1) a first zeolite particle forming step of forming a plurality of first zeolite particles by a hydrothermal synthesis method under a first condition or a second condition using the first zeolite precursor solution; and

(2)상기 형성된 복수개의 제1 제올라이트 입자를 포함하는 현탁액을 이용하여 지지체에 상기 제1 제올라이트 입자를 증착시키는 제1 제올라이트 형성단계를 포함할 수 있다.(2) it may include a first zeolite forming step of depositing the first zeolite particles on a support using the suspension including the formed plurality of first zeolite particles.

상기 제1 제올라이트 전구체 용액이 MWW 계열 제올라이트 입자를 형성하기 위한 용액인 경우, 상기 제1 원료는 Si 및 Al을 포함하고, 상기 제1 제올라이트 전구체 용액의 몰 농도의 비율은 Si:Al:구조유도제:용매=100:0~10:10~500:500~20000 또는 100:1~10:10~500:500~20000을 포함한다. 구체적으로, MWW 계열 제올라이트 입자를 형성하기 위한 제1 제올라이트 전구체 용액은 Si:Na:Al:구조유도제:용매=100:10~100:0~10:10~500:500~20000 또는 100:10~100:1~10:10~500:500~20000의 비율로 혼합된 용액일 수 있다.When the first zeolite precursor solution is a solution for forming MWW-based zeolite particles, the first raw material includes Si and Al, and the molar concentration ratio of the first zeolite precursor solution is Si:Al: structure directing agent: solvent=100:0-10:10-500:500-20000 or 100:1-10:10-500:500-20000. Specifically, the first zeolite precursor solution for forming MWW-based zeolite particles is Si:Na:Al:Structure inducing agent:Solvent=100:10-100:0-10:10-500:500-20000 or 100:10- It may be a mixed solution in a ratio of 100:1 to 10:10 to 500:500 to 20000.

또한, 상기 제1 제올라이트 전구체 용액이 DDR 계열 제올라이트 입자를 형성하기 위한 용액인 경우, 상기 제1 원료는 Si를 포함하고, 상기 제1 제올라이트 전구체 용액의 몰 농도의 비율은 Si:Al:구조유도제:용매=100:0~10:1~200:500~20000 또는 100:0~1:1~200:500~20000을 포함한다. 구체적으로, DDR 계열 제올라이트 입자를 형성하기 위한 제1 제올라이트 전구체 용액은 SiO2:Na:Al:구조유도제:용매=100:10~100:0~10:1~200:500~20000 또는 100:10~100:0~1:1~200:500~20000의 비율로 포함할 수 있다.In addition, when the first zeolite precursor solution is a solution for forming DDR-based zeolite particles, the first raw material includes Si, and the molar concentration ratio of the first zeolite precursor solution is Si:Al: structure inducer: solvent=100:0-10:1-200:500-20000 or 100:0-1:1-200:500-20000. Specifically, the first zeolite precursor solution for forming DDR-based zeolite particles is SiO 2 :Na:Al:Structure inducing agent:Solvent=100:10~100:0~10:1~200:500~20000 or 100:10 It may be included in a ratio of ~100:0~1:1~200:500~20,000.

상기 제1 조건은 DDR 계열 제올라이트의 입자를 형성하는 조건으로, 100℃ 내지 200℃, 100℃ 내지 180℃, 120℃ 내지 160℃ 또는 130℃ 내지 160℃의 온도로 0.5일 내지 15일, 1일 내지 15일 또는 1일 내지 10일 동안 수열합성 하는 것을 포함하고, 상기 제2 조건은 MWW 계열 제올라이트의 입자를 형성하는 조건으로 100℃ 내지 200℃, 100℃ 내지 180℃, 120℃ 내지 160℃ 또는 130℃ 내지 150℃의 온도로 0.5일 내지 15일, 1일 내지 15일 또는 1일 내지 11일 동안 수열합성 하는 것을 포함한다.The first condition is a condition for forming particles of DDR-based zeolite, at a temperature of 100°C to 200°C, 100°C to 180°C, 120°C to 160°C or 130°C to 160°C for 0.5 days to 15 days, 1 day It includes hydrothermal synthesis for 15 days or 1 day to 10 days, and the second condition is a condition for forming particles of MWW-based zeolite at 100° C. to 200° C., 100° C. to 180° C., 120° C. to 160° C. or It includes hydrothermal synthesis at a temperature of 130° C. to 150° C. for 0.5 days to 15 days, 1 day to 15 days, or 1 day to 11 days.

상기 제1 제올라이트 입자 형성단계는 수열합성 후 12~40시간 동안 수열합성 후에 12~40시간동안 0.5~1.5℃/min의 상승속도로 450~550℃의 온도에서 가열하여 하소하는 단계를 더 수행할 수 있다.The first zeolite particle forming step may be further performed by heating and calcining at a temperature of 450 to 550° C. at a rising rate of 0.5 to 1.5° C./min for 12 to 40 hours after hydrothermal synthesis for 12 to 40 hours after hydrothermal synthesis. can

또한, 상기 제1 제올라이트 형성단계는 상기 제조된 복수개의 제1 제올라이트 입자와 무수 톨루엔, 에탄올 및 증류수 중 어느 하나 이상을 포함하는 용매를 혼합한 현탁액을 이용하여 지지체 상에 복수개의 제1 제올라이트 입자를 하나 이상의 층으로 증착시켜 제1 제올라이트를 형성할 수 있다.In addition, in the first zeolite forming step, the plurality of first zeolite particles prepared above and a plurality of first zeolite particles are formed on a support by using a suspension in which a solvent containing at least one of anhydrous toluene, ethanol, and distilled water is mixed. One or more layers may be deposited to form the first zeolite.

상기와 같은 조건에서 제1 제올라이트를 형성하는 경우, 도 1의 (a) 와 같이 상기 지지체(S) 상에 제1 방향으로 나란한 평균 길이(T1)가 10nm 내지 1㎛, 100nm 내지 1㎛, 10nm 내지 800nm, 20nm 내지 500nm, 10nm 내지 100nm 또는 50nm 내지 100nm인 복수개의 제1 제올라이트 입자(100)를 형성하여 제1 제올라이트를 형성할 수 있고, 상기 제1 제올라이트 입자(100)는 MWW 계열 제올라이트 입자일 수 있다. 또한, 도 1의 (c)와 같이 상기 지지체(S) 상에 상기 복수개의 제1 제올라이트 입자(100)가 다층(multi-layer)으로 적층되어 제1 제올라이트를 형성할 수 있다.When forming the first zeolite under the conditions as described above, the average length T1 parallel to the first direction on the support (S) is 10 nm to 1 µm, 100 nm to 1 µm, 10 nm as shown in FIG. to 800 nm, 20 nm to 500 nm, 10 nm to 100 nm, or 50 nm to 100 nm may form a first zeolite by forming a plurality of first zeolite particles 100, wherein the first zeolite particles 100 are MWW-based zeolite particles can In addition, as shown in FIG. 1C , the plurality of first zeolite particles 100 may be stacked in a multi-layer on the support S to form a first zeolite.

또는, 도 1의 (b)와 같이 상기 지지체(S) 상에 제1 방향(X)으로 나란한 평균 길이(T2)가 0.1㎛ 내지 10㎛, 0.1㎛ 내지 5㎛, 0.5㎛ 내지 5㎛, 1㎛ 내지 5㎛, 0.5㎛ 내지 3㎛ 또는 0.1㎛ 내지 1㎛인 제1 제올라이트 입자(100)를 형성하여 제1 제올라이트를 형성할 수 있고, 상기 제1 제올라이트 입자(100)는 DDR 계열 제올라이트 입자일 수 있다. 또한, 도 1의 (d)와 같이 상기 지지체(S) 상에 상기 복수개의 제1 제올라이트 입자(100)가 다층(multi-layer)으로 적층되어 제1 제올라이트를 형성할 수 있다.Alternatively, as shown in (b) of FIG. 1 , the average length T2 parallel to the first direction (X) on the support S is 0.1 μm to 10 μm, 0.1 μm to 5 μm, 0.5 μm to 5 μm, 1 The first zeolite may be formed by forming the first zeolite particles 100 of μm to 5 μm, 0.5 μm to 3 μm, or 0.1 μm to 1 μm, and the first zeolite particles 100 are DDR-based zeolite particles. can In addition, as shown in FIG. 1D , the plurality of first zeolite particles 100 may be stacked in a multi-layer on the support S to form a first zeolite.

상기 제1 제올라이트 입자는 제2 제올라이트를 형성하기 위한 씨드역할을 할 수 있다.The first zeolite particles may serve as seeds for forming the second zeolite.

상기 제1 제올라이트의 두께는 0.1 내지 10 ㎛, 0.5 내지 10 ㎛, 0.1 내지 1 ㎛ 또는 1 내지 10㎛일 수 있고, 제1 제올라이트가 MWW 계열 제올라이트인 경우의 제1 제올라이트 두께는 0.1 내지 1㎛이고, 제1 제올라이트가 DDR 계열 제올라이트인 경우의 제1 제올라이트의 두께는 1 내지 10㎛일 수 있다.The thickness of the first zeolite may be 0.1 to 10 μm, 0.5 to 10 μm, 0.1 to 1 μm, or 1 to 10 μm, and when the first zeolite is a MWW series zeolite, the thickness of the first zeolite is 0.1 to 1 μm, and , When the first zeolite is a DDR-based zeolite, the thickness of the first zeolite may be 1 to 10 μm.

상기와 같은 두께로 제1 제올라이트를 형성하는 경우는 제1 제올라이트 입자와 연속한 결정상을 형성하도록 제2 제올라이트를 성장시킬 수 있다.When the first zeolite is formed to have the same thickness as described above, the second zeolite may be grown to form a continuous crystal phase with the first zeolite particles.

상기 제1 제올라이트 형성단계는 수열합성 후에 12~40시간동안 0.2~1.0℃/min의 상승속도로 400~500℃의 온도에서 가열하여 하소하는 단계를 더 수행할 수 있다.The first zeolite forming step may further include heating and calcining at a temperature of 400 to 500° C. at a rising rate of 0.2 to 1.0° C./min for 12 to 40 hours after hydrothermal synthesis.

상기와 같은 하소하는 과정을 통해 제1 제올라이트는 다공성 지지층과의 결합력이 증대될 수 있고, 안정적인 제1 제올라이트를 형성할 수 있다.Through the calcination process as described above, the binding force of the first zeolite with the porous support layer may be increased, and a stable first zeolite may be formed.

상기 버퍼부 형성단계는 제1 제올라이트의 복수개의 제1 제올라이트 입자와 연속한 결정상을 형성하도록 제2 제올라이트가 에피택시얼하게 성장되어 제2 제올라이트를 3차원으로 성장시키기 위한 전구체 역할을 한다.In the buffer unit forming step, the second zeolite is epitaxially grown to form a continuous crystal phase with the plurality of first zeolite particles of the first zeolite, and serves as a precursor for three-dimensional growth of the second zeolite.

상기 버퍼부 형성단계에서, 상기 제1 및 제2 제올라이트는 서로 상이한 종류의 제올라이트로 이루어지되, 상기 버퍼부 전구체 용액에 의하여 형성된 제올라이트 구조는 상기 제2 제올라이트 구조와 동일하게 형성할 수 있다.In the buffer unit forming step, the first and second zeolites may be formed of different types of zeolite, and the zeolite structure formed by the buffer unit precursor solution may be formed in the same manner as the second zeolite structure.

구체적으로, 상기 버퍼부 형성단계는 아다맨틸아민: 에틸레디아민: 흄드실리카(fumed silica):용매가 1~20:100~200:100:1000~20000의 몰 농도로 혼합된 버퍼부 전구체 용액을 이용하여 수열합성법으로 버퍼부를 구비시킬 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 제1 제올라이트 상에 버퍼부 전구체 용액을 이용하여 100℃ 내지 200℃, 100℃ 내지 180℃, 120℃ 내지 160℃ 또는 130℃ 내지 160℃의 온도로 1일 내지 5일 또는 1일 내지 3일 동안 수열합성법으로 제1 제올라이트 상에 버퍼부를 형성할 수 있다.Specifically, the buffer part forming step is a buffer part precursor solution in which adamantylamine: ethyl rediamine: fumed silica: solvent is mixed at a molar concentration of 1-20:100-200:100:1000-20000. A buffer unit can be provided by hydrothermal synthesis using More specifically, using the buffer precursor solution on the first zeolite at a temperature of 100°C to 200°C, 100°C to 180°C, 120°C to 160°C, or 130°C to 160°C for 1 day to 5 days or 1 The buffer part may be formed on the first zeolite by hydrothermal synthesis for one to three days.

상기 버퍼부 형성단계는 상기와 같은 조건의 수열합성법으로 버퍼부를 형성함으로써 제1 제올라이트 입자로부터 에피택시얼(epitaxial)하게 제2 제올라이트 입자를 형성할 수 있다.In the step of forming the buffer part, the second zeolite particles may be epitaxially formed from the first zeolite particles by forming the buffer part by the hydrothermal synthesis method under the conditions as described above.

상기 버퍼부 형성단계는 수열합성 후에 12~40시간동안 0.2~0.5℃/min의 상승속도로 450~550℃의 온도에서 가열하여 하소하는 단계를 더 수행할 수 있다.The step of forming the buffer unit may further include heating and calcining at a temperature of 450 to 550° C. at a rate of 0.2 to 0.5° C./min for 12 to 40 hours after hydrothermal synthesis.

상기와 같이 하소하는 과정을 통해 제조된 제2 제올라이트 입자는 열적으로 활성화될 수 있고, 제2 제올라이트 입자는 안정적으로 제1 제올라이트와 강한 결합력을 가질 수 있다.The second zeolite particles prepared through the calcination process as described above may be thermally activated, and the second zeolite particles may stably have a strong bonding force with the first zeolite.

상기 제2 제올라이트 형성단계는 제2 구조유도제 및 제2 원료를 포함하는 제2 제올라이트 전구체 용액을 이용하여 제1 조건 또는 제2 조건으로 수열합성법으로 상기 제1 제올라이트 상에 제2 제올라이트를 성장시키는 단계이다.The step of forming the second zeolite is a step of growing a second zeolite on the first zeolite by a hydrothermal synthesis method under a first condition or a second condition using a second zeolite precursor solution containing a second structure directing agent and a second raw material. am.

상기 제2 제올라이트 전구체 용액이 MWW 계열 제올라이트를 형성하기 위한 용액인 경우, 상기 제2 원료는 Si 및 Al을 포함하고, 상기 제2 제올라이트 전구체 용액의 몰 농도의 비율은 Si:Al:구조유도제:용매=100:0~10:10~500:500~20000 또는 100:1~10:10~500:500~20000을 포함한다. 구체적으로, MWW 계열 제올라이트를 형성하기 위한 제2 제올라이트 전구체 용액은 Si:Na:Al:구조유도제:용매=100:10~100:0~10:10~500:500~20000 또는 100:10~100:1~10:10~500:500~20000의 비율로 혼합된 용액일 수 있다.When the second zeolite precursor solution is a solution for forming a MWW-based zeolite, the second raw material includes Si and Al, and the molar concentration ratio of the second zeolite precursor solution is Si:Al:structure directing agent:solvent =100:0-10:10-500:500-20000 or 100:1-10:10-500:500-20000. Specifically, the second zeolite precursor solution for forming the MWW-based zeolite is Si:Na:Al:Structure inducing agent:Solvent=100:10-100:0-10:10-500:500-20000 or 100:10-100 It may be a mixed solution in a ratio of :1 to 10:10 to 500:500 to 20000.

또한, 상기 제2 제올라이트 전구체 용액이 DDR 계열 제올라이트를 형성하기 위한 용액인 경우, 상기 제2 원료는 Si를 포함하고, 상기 제2 제올라이트 전구체 용액의 몰 농도의 비율은 Si:Al:구조유도제:용매=100:0~10:1~200:500~20000 또는 100:0~1:1~200:500~20000을 포함한다. 구체적으로, DDR 계열 제올라이트를 형성하기 위한 제2 제올라이트 전구체 용액은 Si:Na:Al:구조유도제:용매=100:10~100:0~10:1~200:500~20000 또는 100:10~100:0~1:1~200:500~20000의 비율로 포함할 수 있다.In addition, when the second zeolite precursor solution is a solution for forming a DDR-based zeolite, the second raw material contains Si, and the molar concentration ratio of the second zeolite precursor solution is Si:Al: structure directing agent: solvent = 100:0 to 10:1 to 200:500 to 20000 or 100:0 to 1:1 to 200:500 to 20000. Specifically, the second zeolite precursor solution for forming the DDR-based zeolite is Si:Na:Al:Structure inducing agent:Solvent=100:10-100:0-10:1-200:500-20000 or 100:10-100 It can be included in a ratio of :0~1:1~200:500~20,000.

상기 제2 제올라이트 전구체 용액에서 구조유도제는 상기 메틸트로피늄염일 수 있고, 상기와 같이 메틸트로피늄염을 포함하는 제2 제올라이트 전구체 용액을 이용하여 수열합성법으로 연속적인 면의 방향성을 지니도록 제2 제올라이트를 성장시킬 수 있다.In the second zeolite precursor solution, the structure-inducing agent may be the methyltropinium salt, and as described above, the second zeolite is prepared by hydrothermal synthesis using the second zeolite precursor solution containing the methyltropinium salt to have the directionality of the continuous plane. can grow

구체적으로, 도 1에 나타낸 바와 같이 상기 지지체(S) 상에 형성된 복수개의 제1 제올라이트 입자(100)로부터 제2 제올라이트가 성장되면서 하나의 면을 형성하여 제2 제올라이트 층(200)을 형성할 수 있고, 도 1의 (a)와 같이 상기 복수개의 제1 제올라이트 입자(100)가 MWW 계열 제올라이트 입자인 경우 제2 제올라이트 층(200)은 DDR 계열 제올라이트로 형성될 수 있고, 도 1의 (c)와 같이 상기 복수개의 제1 제올라이트 입자(100)가 다층(multi-layer)으로 적층된 제1 제올라이트 상에 제2 제올라이트 층(200)을 형성할 수 있다.Specifically, as the second zeolite grows from the plurality of first zeolite particles 100 formed on the support S as shown in FIG. 1 , one surface is formed to form the second zeolite layer 200 . 1 (a), when the plurality of first zeolite particles 100 are MWW-based zeolite particles, the second zeolite layer 200 may be formed of DDR-based zeolite, and in FIG. 1 (c) As described above, the second zeolite layer 200 may be formed on the first zeolite in which the plurality of first zeolite particles 100 are stacked in a multi-layered manner.

또는, 도 1의 (b)와 같이 상기 복수개의 제1 제올라이트 입자(100)는 DDR 계열 제올라이트 입자인 경우 제2 제올라이트 층(200)은 MWW 계열 제올라이트로 형성될 수 있고, 도 1의 (d)와 같이 상기 복수개의 제1 제올라이트 입자(100)가 다층(multi-layer)으로 적층된 제1 제올라이트 상에 제2 제올라이트 층(200)을 형성할 수 있다.Alternatively, when the plurality of first zeolite particles 100 are DDR-based zeolite particles, as shown in (b) of FIG. 1, the second zeolite layer 200 may be formed of MWW-based zeolite. As described above, the second zeolite layer 200 may be formed on the first zeolite in which the plurality of first zeolite particles 100 are stacked in a multi-layered manner.

상기 제1 조건은 100℃ 내지 200℃, 100℃ 내지 180℃, 120℃ 내지 160℃ 또는 130℃ 내지 160℃의 온도로 0.5일 내지 15일, 1일 내지 15일 또는 1일 내지 10일 동안 수열합성 하는 것을 포함하고, 상기 제2 조건은 100℃ 내지 200℃, 100℃ 내지 180℃, 120℃ 내지 160℃ 또는 130℃ 내지 150℃의 온도로 0.5일 내지 15일, 1일 내지 15일 또는 1일 내지 11일 동안 수열합성 하는 것을 포함한다.The first condition is a hydrothermal sequence for 0.5 days to 15 days, 1 day to 15 days, or 1 day to 10 days at a temperature of 100 °C to 200 °C, 100 °C to 180 °C, 120 °C to 160 °C or 130 °C to 160 °C. Including synthesizing, the second condition is 0.5 days to 15 days, 1 day to 15 days or 1 at a temperature of 100°C to 200°C, 100°C to 180°C, 120°C to 160°C or 130°C to 150°C Including hydrothermal synthesis for 1 to 11 days.

상기 제2 제올라이트 형성단계 이후에 700~1200℃의 온도에서 10초~5분 동안 급속 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.After the second zeolite forming step, the method may further include a rapid heat treatment at a temperature of 700 to 1200° C. for 10 seconds to 5 minutes.

상기와 같이 급속 열처리하는 단계를 통해 제올라이트는 축소되고 지지체는 팽창하면서 제올라이트 내에 크랙(crack)의 폭이 줄어들어 기체 투과 선택성을 향상시킬 수 있다.Through the rapid heat treatment as described above, the width of cracks in the zeolite is reduced while the zeolite is reduced and the support is expanded, thereby improving gas permeation selectivity.

이하 본 발명의 실시예를 기재한다. 그러나, 하기 실시예들은 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명의 권리 범위가 하기 실시예들에 의하여 제한되는 것은 아니다.Examples of the present invention will be described below. However, the following examples are only preferred examples of the present invention, and the scope of the present invention is not limited by the following examples.

[실시예][Example]

본 발명의 실시예 1-2 및 비교예 1-11의 제올라이트를 하기와 같이 합성하였고, 그 결과를 하기 표 1에 정리하였다.The zeolites of Examples 1-2 and Comparative Examples 1-11 of the present invention were synthesized as follows, and the results are summarized in Table 1 below.

MWW 계열 제올라이트 입자 합성Synthesis of MWW series zeolite particles

먼저 NaOH(98% pellet, Sigma-Aldrich) 및 나트륨 알루민산염(45wt% Na2O과 55wt% Al2O3, Sigma-Aldrich)을 플라스틱 병에 담긴 탈이온수(DI)에 첨가했다. 이어서 헥사메틸렌이민(hexamethyleneimine, HMI, 97% Sigma-Aldrich)을 상기 혼합물에 첨가했다. 상기 용액에 흄드실리카(CAB-O-SIL® M-5, Cabot Corporation)을 교반하면서 천천히 첨가했다. 상기 혼합물의 최종 질량 조성은 1 SiO2 : 0.1 NaOH : 0.03 NaAlO2 : 0.8 HMI : 13.1 H2O이다. 상기 혼합물을 쉐이커를 사용하여 밤새 격렬하게 혼합하고 테플론 라이너로 옮기고, 라이너를 스테인레스-스틸 오토클레이브(stainless-steel autoclave)에 끼워 넣었다. 상기 오토클레이브는 135℃로 예열된 오븐에 옮기고 40rpm으로 회전시켜주며 11일 동안 수행하였다. 11일 후 오토클레이브를 수돗물로 냉각하여 급랭시켰다. 그리고 나서 생성된 MCM-22(P)는 5회 원심분리 및 세척을 반복하여 회수하였다. 회수된 입자를 하소로(furnace)에서 200mL/min의 기류하에서 1℃/min의 승온속도로 550℃에서 12시간 동안 하소하여 MCM-22 입자를 제조하였다.First, NaOH (98% pellet, Sigma-Aldrich) and sodium aluminate (45 wt% Na 2 O and 55 wt% Al 2 O 3 , Sigma-Aldrich) were added to deionized water (DI) in a plastic bottle. Then hexamethyleneimine (HMI, 97% Sigma-Aldrich) was added to the mixture. Fumed silica (CAB-O-SIL ® M-5, Cabot Corporation) was slowly added to the solution with stirring. The final mass composition of the mixture is 1 SiO 2 :0.1 NaOH : 0.03 NaAlO 2 :0.8 HMI : 13.1 H 2 O. The mixture was vigorously mixed overnight using a shaker, transferred to a Teflon liner, and the liner placed in a stainless-steel autoclave. The autoclave was transferred to an oven preheated to 135° C. and rotated at 40 rpm for 11 days. After 11 days, the autoclave was quenched by cooling with tap water. Then, the produced MCM-22(P) was recovered by repeating centrifugation and washing 5 times. MCM-22 particles were prepared by calcining the recovered particles in a furnace at 550° C. for 12 hours at a temperature increase rate of 1° C./min under an airflow of 200 mL/min.

MCM-22 씨앗 층 형성MCM-22 Seed Layer Formation

약 0.05g의 하소된 MCM-22 입자를 40mL의 무수 톨루엔에 첨가하여 종자 현탁액을 제조하였다. 이 현탁액을 커버 유리 사이에 끼워지고 테플론 홀더를 사용하여 수직으로 배치된 α-Al2O3 디스크를 건조된 유리 반응기에 순차적으로 배치했다. 그 후 유리 반응기를 파라필름으로 밀봉하고 초음파처리(UC-10P, JEIO Tech, South Korea)를 약 20분 동안 수행하였다. 초음파 처리를 수행한 후 α-Al2O3 디스크는 회수하고 신선한 톨루엔으로 잠깐 세척했다. 생성된 MCM-22 씨앗층은 200mL/min의 기류하에서 0.5℃/min의 승온속도로 450℃에서 12시간 동안 하소되었다. 이때 제조된 MCM-22 씨앗층은 Layer M(비교예 1)라고 한다.A seed suspension was prepared by adding about 0.05 g of calcined MCM-22 particles to 40 mL of anhydrous toluene. α-Al 2 O 3 disks sandwiched between cover glasses and placed vertically using a Teflon holder were sequentially placed in a dried glass reactor. After that, the glass reactor was sealed with parafilm and sonication (UC-10P, JEIO Tech, South Korea) was performed for about 20 minutes. After sonication was performed, the α-Al 2 O 3 disk was recovered and briefly washed with fresh toluene. The resulting MCM-22 seed layer was calcined at 450° C. for 12 hours at a temperature increase rate of 0.5° C./min under an air flow of 200 mL/min. At this time, the prepared MCM-22 seed layer is called Layer M (Comparative Example 1).

2차 및 3차 성장을 통한 이종 필름 형성Heterogeneous film formation through secondary and tertiary growth

상기 MCM-22 씨앗층은 추가로 2차 수열합성 성장에 노출되었다. 우선 최종 졸의 몰 조성은 1-아다맨틸아민(1-adamantylamine, 97%, Sigma-Aldrich):에틸렌디아민(ethylenediamine, 99%, Sigma-Aldrich):흄드 실리카(CAB-O_Sil, M5):H2O가 9:150:100:4000인 합성용액을 제조하였다. 그런 다음 MCM-22 씨앗층이 코팅된 면을 테플론 홀더의 도움으로 기울어진 각도로 아래쪽을 향하도록 테플론 라이너에 위치시켰다. 상기 합성용액을 스테인리스-스틸 오토클레이브에 있는 테플론 라이너에 부었다. 상기 오토클레이브는 160℃로 예열된 오븐에 옮기고 반응을 1일, 2일 또는 3일 동안 수행한 후 수돗물로 냉각하여 급랭시켰다. 회수된 MCM-22 씨앗층을 탈이온수로 광범위하게 세척하고 하소로(furnace)에서 200mL/min의 기류하에서 0.5℃/min의 승온속도로 550℃에서 12시간 동안 하소하였다. 이때 회수된 α-Al2O3 디스크는 MD_xd(비교예 2-4)로 표시되고, 여기서 M은 MCM-22 씨앗층, D는 DDR 제올라이트, x는 수열반응시간(1일, 2일 또는 3일)을 의미한다.The MCM-22 seed layer was further exposed to secondary hydrothermal growth. First, the molar composition of the final sol is 1-adamantylamine (1-adamantylamine, 97%, Sigma-Aldrich):ethylenediamine (ethylenediamine, 99%, Sigma-Aldrich):fumed silica (CAB-O_Sil, M5):H 2 A synthetic solution in which O is 9:150:100:4000 was prepared. Then, the side coated with the MCM-22 seed layer was placed on the Teflon liner with the help of a Teflon holder facing downward at an inclined angle. The synthesis solution was poured into a Teflon liner in a stainless-steel autoclave. The autoclave was transferred to an oven preheated to 160° C. and the reaction was carried out for 1 day, 2 days or 3 days, and then quenched by cooling with tap water. The recovered MCM-22 seed layer was extensively washed with deionized water and calcined at 550° C. for 12 hours at a heating rate of 0.5° C./min under an airflow of 200 mL/min in a furnace. At this time, the recovered α-Al 2 O 3 disk is represented by MD_xd (Comparative Example 2-4), where M is an MCM-22 seed layer, D is a DDR zeolite, and x is a hydrothermal reaction time (1 day, 2 days or 3 days) work) means

하소된 MD층은 ZSM-58(DDR 계열 제올라이트)의 합성을 허용하는 합성 전구체를 사용하여 상호성장 되었다. 하소된 MD층을 메틸트로피늄 아이오다이드(methyltropinium iodide, MTI)가 포함된 합성 전구체 용액에 넣고 수열합성을 진행함으로써 연속적인 면외 방향성을 지닌 소수성의 DDR 제올라이트 분리막을 3차원으로 성장시켰다. 구체적으로 실리카 소스역할을 하는 LUDOX HS-40(40wt% suspension in H2O, Sigma-Aldrich)와 메틸트로피늄 아이오다이드(methyltropinium iodide)를 같이 탈이온수에 첨가했다. 이렇게 준비한 전구체 용액을 교반기를 이용하여 1시간 정도 혼합했다. 추가로 NaOH를 넣은 후에, 밤새 교반기를 이용하여 잘 섞어주었다. 이렇게 준비한 합성 전구체 용액의 몰 조성은 100 SiO2: 25MTI: 30 NaOH: 4000 H2O이다. 이렇게 준비한 전구체 용액에 하소된 MD층이 형성된 알파 알루미나 디스크를 넣은 후에 130℃로 예열된 오븐에서 시간을 바꿔가면서(5일 또는 10일) 수열합성을 수행한 후 반응이 완료되면 수돗물로 급랭시켰다. 수득한 분리막은 탈이온수에 담근 다음 100℃의 오븐에서 밤새 건조시켰다. 그 결과 생성물인 분리막은 MDZ_xd(비교예 5-6)로 표시하고, 여기서, M은 MCM-22, D는 DDR, Z: ZSM-58를 나타내고, x는 3차 성장을 위한 시간수열합성 반응시간(일)을 나타낸다.The calcined MD layer was intergrown using a synthetic precursor that allowed the synthesis of ZSM-58 (DDR-based zeolite). The calcined MD layer was placed in a synthetic precursor solution containing methyltropinium iodide (MTI) and hydrothermal synthesis was performed to grow a hydrophobic DDR zeolite separator with continuous out-of-plane orientation in three dimensions. Specifically, LUDOX HS-40 (40wt% suspension in H 2 O, Sigma-Aldrich) serving as a silica source and methyltropinium iodide were added to deionized water together. The precursor solution thus prepared was mixed for about 1 hour using a stirrer. After additional NaOH was added, it was mixed well using a stirrer overnight. The molar composition of the synthetic precursor solution thus prepared is 100 SiO 2 : 25 MTI: 30 NaOH: 4000 H 2 O. After putting the alpha-alumina disk on which the calcined MD layer was formed into the precursor solution prepared in this way, hydrothermal synthesis was performed in an oven preheated to 130° C. at varying times (5 days or 10 days), and when the reaction was completed, it was quenched with tap water. The obtained separation membrane was immersed in deionized water and dried overnight in an oven at 100°C. The resulting product, the separation membrane, is expressed as MDZ_xd (Comparative Example 5-6), where M is MCM-22, D is DDR, Z: ZSM-58, and x is time hydrothermal synthesis reaction time for tertiary growth (day) is indicated.

결함 구조를 제어하기 위해 문헌에 보고된대로 급속 열처리 공정(Rapid Thermal Processing, RTP)을 사용하여 제조된 분리막(MDZ_5d, MDZ_10d)을 처리하였다. 구체적으로, 제조된 분리막을 200mL/min의 아르곤 기체 흐름 하에서 석영 튜브에 넣고 예열된 노(furnace, 명목상 약 1000℃)를 빠르게 분리막 쪽으로 이동시켰다. 1분 후 노(furnace)는 분리막에서 멀어졌다. RTP 처리한 분리막과 RTP 처리하지 않은 분리막 모두 200mL/min의 기류하에서 0.5℃/min의 승온속도로 550℃에서 12시간 동안 추가로 하소하였다. RTP 처리 MDZ 분리막은 MDZ_xd_RC(실시예 1-2)로 표시하고, 여기서 RC의 R은 급속 열처리, C는 후속 기존의 하소를 의미한다. 반대로 RTP 처리를 하지 않은 분리막은 MDZ_xd_C(비교예 7-8)라고 나타낸다.In order to control the defect structure, the prepared separators (MDZ_5d, MDZ_10d) were treated using a rapid thermal processing (RTP) process as reported in the literature. Specifically, the prepared separator was placed in a quartz tube under an argon gas flow of 200 mL/min, and a preheated furnace (nominal, about 1000° C.) was quickly moved toward the separator. After 1 minute the furnace was moved away from the separator. Both the RTP-treated separation membrane and the non-RTP-treated separation membrane were further calcined at 550° C. for 12 hours at a temperature increase rate of 0.5° C./min under an airflow of 200 mL/min. The RTP-treated MDZ separator is denoted by MDZ_xd_RC (Example 1-2), where R in RC stands for rapid heat treatment and C stands for subsequent conventional calcination. Conversely, the separation membrane not subjected to RTP treatment is indicated as MDZ_xd_C (Comparative Examples 7-8).

또한, DDR/MWW의 이종 에피택시얼(heteroepitaxial) 성장에 대한 구조적 호환성을 평가하기 위해 MCM-22 씨앗층은 MFI 계열 제올라이트의 2차 수열성장에 노출되었다. MFI 제올라이트 합성 졸의 몰 조성은 40 SiO2(테트라에틸오르토 실리케이트, TEOS, Sigma-Aldrich):9 테트라프로필 암모늄 하이드록사이드(1.0M in H2O, Sigma-Aldrich):9500 탈이온수:160 에탄올이다. 상기 합성 졸을 상기 언급된대로 MCM-22 씨앗층이 배치된 테플론 라이닝된 오토클레이브에 부었다. 오토클레이브를 175℃의 예열된 오븐에 넣고 1일, 3일 및 5일 동안 반응을 수행했다. 회수된 MCM-22 씨앗층을 탈이온수로 세척하고, 200mL/min의 기류하에서 0.5℃/min의 승온속도로 550℃에서 12시간 동안 추가로 하소하였다. 편의상 수득한 층은 MM_xd(비교예 9-11)으로 나타내고, 여기서 M 및 M은 각각 MCM-22 및 MFI 제올라이트를 나타내고 x는 수열합성 반응시간(각각 1일, 3일 또는 5일)을 나타낸다.In addition, to evaluate the structural compatibility of DDR/MWW for heteroepitaxial growth, the MCM-22 seed layer was exposed to secondary hydrothermal growth of MFI-based zeolite. The molar composition of the MFI zeolite synthesis sol is 40 SiO 2 (tetraethylorthosilicate, TEOS, Sigma-Aldrich):9 tetrapropyl ammonium hydroxide (1.0M in H 2 O, Sigma-Aldrich):9500 deionized water:160 ethanol am. The synthetic sol was poured into a Teflon lined autoclave in which the MCM-22 seed layer was placed as mentioned above. The autoclave was placed in a preheated oven at 175° C. and the reaction was performed for 1 day, 3 days and 5 days. The recovered MCM-22 seed layer was washed with deionized water, and further calcined at 550° C. for 12 hours at a temperature increase rate of 0.5° C./min under an airflow of 200 mL/min. For convenience, the obtained layer is denoted by MM_xd (Comparative Examples 9-11), where M and M denote MCM-22 and MFI zeolite, respectively, and x denotes a hydrothermal reaction time (1 day, 3 days or 5 days, respectively).

구분1Category 1 씨앗층 형성seed layer formation 2차 성장secondary growth 3차 성장tertiary growth 급속 열처리rapid heat treatment 비교예 1Comparative Example 1 Layer MLayer M OO XX XX XX 비교예 2Comparative Example 2 MD_1dMD_1d OO 1일(DDR)1 day (DDR) XX XX 비교예 3Comparative Example 3 MD_2dMD_2d OO 2일(DDR)2 days (DDR) XX XX 비교예 4Comparative Example 4 MD_3dMD_3d OO 3일(DDR)3 days (DDR) XX XX 비교예 5Comparative Example 5 MDZ_5dMDZ_5d OO 3일(DDR)3 days (DDR) 5일5 days XX 비교예 6Comparative Example 6 MDZ_10dMDZ_10d OO 3일(DDR)3 days (DDR) 10일10 days XX 비교예 7Comparative Example 7 MDZ_5d_CMDZ_5d_C OO 3일(DDR)3 days (DDR) 5일5 days 기본 하소basic calcination 비교예 8Comparative Example 8 MDZ_10d_CMDZ_10d_C OO 3일(DDR)3 days (DDR) 10일10 days 기본 하소basic calcination 비교예 9Comparative Example 9 MM_1dMM_1d OO 1일(MFI)1 day (MFI) XX XX 비교예 10Comparative Example 10 MM_2dMM_2d OO 2일(MFI)2 days (MFI) XX XX 비교예 11 Comparative Example 11 MM_3dMM_3d OO 3일(MFI)3 days (MFI) XX XX 실시예 1Example 1 MDZ_5d_RCMDZ_5d_RC OO 3일(DDR)3 days (DDR) 5일5 days OO 실시예 2Example 2 MDZ_10d_RCMDZ_10d_RC OO 3일(DDR)3 days (DDR) 10일10 days OO

[실험예][Experimental example]

분리막 특성Membrane Characteristics

도 4 의 (a)는 큰 ab-basal 평면을 가진 디스크형 MCM-22 입자가 초음파 처리 지원방법을 사용하여 다공성 지지체에 균일하게 증착되어 연속적이고 조밀한 씨앗층을 구성한 것을 보여준다. 특히 지지체의 표면과 평행한 ab 평면을 가진 MCM-22 입자의 수가 현저하게 증가하면 우선 평면 외부 방향(이 경우 c축은 멤브레인 표면에 수직인 방향으로 정렬)으로 합성됨을 시사하였다. 이 c-면외 방향(c-out of plane)은 도 4의 (f)의 해당 X선 회절법(XRD) 측정에 의해 확인되었다. 도 4의 (b)를 살펴보면, DDR 제올라이트의 합성을 허용하는 전구체와 함께 씨앗층의 후속 성장으로 인해 DDR의 입자가 약간 성장하였다. 이에 따라 MCM-22 입자의 둥근 형태는 육각형 모서리를 가진 날카로운 형태로 변했고, 이는 MWW형 제올라이트의 단위세포를 따라 이종 에피택시얼 성장(heteroepitaxial growth) 했음을 의미한다.Fig. 4(a) shows that disk-shaped MCM-22 particles with a large ab-basal plane were uniformly deposited on a porous support using the ultrasonic treatment support method to form a continuous and dense seed layer. In particular, when the number of MCM-22 particles with an ab plane parallel to the surface of the support increased significantly, it was suggested that they were first synthesized in an out-of-plane direction (in this case, the c-axis is aligned in a direction perpendicular to the membrane surface). This c-out of plane was confirmed by the corresponding X-ray diffraction (XRD) measurement of FIG. 4(f). Looking at (b) of Figure 4, the DDR particles slightly grew due to the subsequent growth of the seed layer together with the precursor allowing the synthesis of DDR zeolite. Accordingly, the round shape of the MCM-22 particles was changed to a sharp shape with hexagonal edges, which means that heteroepitaxial growth was performed along the unit cells of the MWW-type zeolite.

MWW 제올라이트 및 DDR 제올라이트는 결정 구조가 다르지만, MWW 제올라이트의 ab 평면에서 DDR 제올라이트의 이종 에피택시얼 성장은 겉보기에는 c축을 따라 형성된 것으로 보인다. 도 5를 살펴보면, MWW 및 DDR 계열 제올라이트 사이의 구조적 호환성은 c축을 따라 형성되었고, 이것으로 인해 이종 에피택시얼 성장이 이뤄진 것으로 보인다. 도 6을 살펴보면 그럴듯한 이종 에피택시얼 성장에도 불구하고 2차 성장의 정도가 뚜렷하지 않아 이종 에피택시얼 성장이 어려웠음을 알수 있고, 2차 성장 시간이 1일에서 3일로 증가함에 따라 날카로운 육각형 형태가 단조롭게 증가함을 확인하였다. 그러나 2차 성장시간이 증가한 MD_xd의 육각형 평면에서 수직으로 성장한 플레이트(plate)의 추가적인 성장으로 인해 2일 동안 수열합성한 MD_2d가 MD 층을 형성하기 위한 최적의 시간으로 선택되었다. 그 이유는 형성된 MD_1d와 MD_3d의 사이 중간이기 때문이다. 또한, 도 7을 살펴보면 MD_2d층에서 뚜렷한 형태학적 변화는 관찰되지 않았지만, 연장된 성장은 원하지 않는 새로운 결정의 성장을 초래했다. 이 새로운 결정은 DDR 계열 제올라이트와 경쟁적으로 성장하는 것으로 알려져 있어서 SGT 유형 제올라이트일 가능성이 높다.Although MWW zeolite and DDR zeolite have different crystal structures, the heteroepitaxial growth of DDR zeolite in the ab plane of MWW zeolite appears to be formed along the c-axis. Referring to FIG. 5 , the structural compatibility between MWW and DDR series zeolites was formed along the c-axis, which seems to have resulted in heterogeneous epitaxial growth. Looking at FIG. 6, it can be seen that the heterogeneous epitaxial growth was difficult because the degree of secondary growth was not clear despite the plausible heterogeneous epitaxial growth, and as the secondary growth time increased from 1 day to 3 days, a sharp hexagonal shape It was confirmed that monotonously increased. However, due to the additional growth of plates grown vertically on the hexagonal plane of MD_xd with increased secondary growth time, MD_2d hydrothermally synthesized for 2 days was selected as the optimal time to form the MD layer. The reason is that it is intermediate between the formed MD_1d and MD_3d. In addition, looking at FIG. 7 , no distinct morphological change was observed in the MD_2d layer, but the extended growth resulted in undesired growth of new crystals. These new crystals are known to grow competitively with DDR family zeolites, so they are likely SGT type zeolites.

도 8을 살펴보면, MD_2d층의 구조적 특성을 조사한 결과로, Le Bail 구조분석법은 MWW 및 DDR 계열 제올라이트의 조합을 기반으로 MD_2d층의 XRD 패턴을 맞추기 위해 사용되었다. 결과를 살펴보면, MD_2d 층이 주로 DDR 계열 제올라이트로 구성됨을 확인하였다. 그러나 Le Bail 구조분석법은 앞서 언급한 SGT 제올라이트 상에서 발생하는 추가 XRD 피크를 설명할 수 없었다. 또한, 초음파 처리를 통해 MD_2d 층에서 입자를 분리하여 투과전자 현미경(TEM)을 통해 분석한 결과 도 8의 (b)에서 나타낸 바와 같이 날카로운 모서리가 있는 입자가 명확하게 확인되었으며, 이는 디스크의 MCM-22 증착물로부터 성장했음을 확인하였다. 도 8의(c)는 도 8의 (b)에서 관찰된 날카로운 모서리 영역에서 고해상도 투과전자현미경(HR-TEM) 이미지이고, 데이터는 고속 푸리에변환(fast Fourier transformation, FFT)에 의해 수행되었고. 그 결과는 도 8의 (d)에 나타냈다. FFT 패턴과 함께 MWW 계열 제올라이트의 [001] 영역 축에서 발생하고, DDR 계열 제올라이트(흰색 화살표)에 속할 가능성이 있는 추가 패턴이 관찰됐다. 이것은 도 8의 (d)에 삽입된 이미지와 같이 MWW 및 DRR 제올라이트의 [001] 영역 축에 대한 시뮬레이션된 FFT 패턴에 의해 제공되었다.Referring to FIG. 8 , as a result of investigating the structural characteristics of the MD_2d layer, the Le Bail structural analysis method was used to match the XRD pattern of the MD_2d layer based on a combination of MWW and DDR series zeolites. Looking at the results, it was confirmed that the MD_2d layer was mainly composed of DDR series zeolite. However, Le Bail structural analysis could not account for the additional XRD peaks occurring on the aforementioned SGT zeolite. In addition, as a result of separating the particles from the MD_2d layer through ultrasonication and analyzing it through a transmission electron microscope (TEM), as shown in Fig. 8(b), particles with sharp edges were clearly identified, which was 22 It was confirmed that it grew from the deposit. Fig. 8(c) is a high-resolution transmission electron microscope (HR-TEM) image in the sharp edge region observed in Fig. 8(b), and the data was performed by fast Fourier transformation (FFT). The results are shown in Fig. 8(d). An additional pattern was observed, occurring in the [001] region axis of the MWW series zeolites along with the FFT pattern, likely belonging to the DDR series zeolites (white arrow). This was provided by simulated FFT patterns for the [001] domain axes of MWW and DRR zeolites, as in the image inserted in Fig. 8(d).

도 4의 (b) 및 도 6에서 디스크와 같은 MCM-22 증착물의 육각형 성장은 MD_2d층의 주사전자현미경(SEM) 이미지에서 추론할 수 있지만, 이에 상응하는 DDR 제올라이트 성장은 도 4의 (f)에 표시된 XRD 패턴에서 관찰되었으며, 도 8의 (d)의 투과전현미경(TEM) 분석은 또한 MD_2d층의 형성에 대한 이종 에피택시얼 성장(DDR/MWW)을 나타낸다. 도 4의 (c) 및 도 9의 (a-b)를 보면, ZSM-58 제올라이트(DDR 계열 제올라이트)의 합성을 허용하는 전구체를 사용한 MD_2d층의 후속 수열 성장은 분명히 MDZ_5d(Z는 3차 성장에 사용된 ZSM-58 제올라이트를 나타냄)에서 일부 상호성장된(intergrown) 층으로 이어졌으며, 도 4의 (d-e)와 도 9의 (c-d)를 보면 추가로 MDZ_10d에서 연속적인 분리막으로 이어졌다. 그러나 흰색 화살표로 표시된 것처럼 MDZ_5d에서 상호성장 되지 않은 부분을 쉽게 찾을 수 있다. 또한, ZSM-58 제올라이트의 비율은 도 4의 (f) 및 도 10에 나타난 바와 같이 XRD 피크 강도의 증가로 뒷받침되고 성장기간이 5일에서 10일로 증가함에 따라 증가했다.Although the hexagonal growth of the disk-like MCM-22 deposits in FIGS. 4(b) and 6 can be inferred from the scanning electron microscope (SEM) image of the MD_2d layer, the corresponding DDR zeolite growth is shown in FIG. 4(f) It was observed in the XRD pattern shown in Fig. 8(d), and the transmission electron microscope (TEM) analysis also shows the heterogeneous epitaxial growth (DDR/MWW) for the formation of the MD_2d layer. 4(c) and 9(ab), the subsequent hydrothermal growth of the MD_2d layer using a precursor that allows for the synthesis of ZSM-58 zeolite (DDR-based zeolite) clearly shows that MDZ_5d (Z is used for tertiary growth) (showing the ZSM-58 zeolite), which led to some intergrown layers, and further led to a continuous separator in MDZ_10d, as shown in FIGS. 4(de) and 9(cd). However, it is easy to find non-intergrowth parts in MDZ_5d as indicated by the white arrows. In addition, the proportion of ZSM-58 zeolite was supported by the increase of the XRD peak intensity as shown in Fig. 4(f) and Fig. 10 and increased as the growth period increased from 5 days to 10 days.

도 9 및 도 10을 살펴보면, 고속 열처리 과정(RTP) 거친 분리막(MDZ_10d_RC)의 입자와 결정상의 형태는 천천히 하소된 비교예(MDZ_10d_C)의 형태와 구별할 수 없었다. 흥미롭게도 MDZ_10D의 (003) 평면에 해당하는 XRD 피크의 강도가 크게 증가하여 일부 c-면외 방향이 형성되었음을 나타냈다. 도 4의 (f) 및 도 7은 이 c-면외 방향이 이미 MD층에 존재했고, MCM-22 씨앗층(layer_M)에서 2차 성장 시간이 증가함에 따라 양이 꾸준히 증가했음을 분명히 보여준다. 도 5를 살펴보면 이러한 c-면외 방향은 MCM-22 씨앗층을 구성하는 디스크 모양의 MCM-22 입자와 날카로운 모서리가 있는 육각형 판으로의 성장에서 발생할 것으로 예상할 수 있다.9 and 10 , the particles and crystalline phases of the high-speed thermal treatment process (RTP) rough separation membrane (MDZ_10d_RC) were indistinguishable from those of the comparative example (MDZ_10d_C), which was slowly calcined. Interestingly, the intensity of the XRD peak corresponding to the (003) plane of MDZ_10D was greatly increased, indicating that some c-out-of-plane orientation was formed. 4(f) and 7 clearly show that this c-out-of-plane direction was already present in the MD layer, and the amount steadily increased with increasing secondary growth time in the MCM-22 seed layer (layer_M). Referring to FIG. 5, it can be expected that this c-out-of-plane direction occurs from the disk-shaped MCM-22 particles constituting the MCM-22 seed layer and growth into hexagonal plates with sharp edges.

도 10은 MD_2d 층의 5일에서 10일까지의 추가 수열 성장은 MD_2d에서 c-면외 방향을 유지하면서 c-면외 방향의 성장을 선호했다. 이 방향성 성장은 ZSM-58 제올라이트의 합성을 허용하는 전구체의 존재하에서 육각판으로부터 에피택시얼 성장을 나타낸다. 특히 MDZ_10d에 대한 결정학적 선호방향(crystallographic preferred orientation, CPO) 지수는 7.6±3.9로 높은 것으로 추정되므로 면외 방향에서 c축의 뚜렷한 정렬을 보여준다.Figure 10 shows that the further hydrothermal growth from days 5 to 10 of the MD_2d layer favored the growth in the c-out-of-plane direction while maintaining the c-out-of-plane direction in MD_2d. This directional growth represents epitaxial growth from hexagonal plates in the presence of precursors that allow the synthesis of ZSM-58 zeolite. In particular, the crystallographic preferred orientation (CPO) index for MDZ_10d is estimated to be as high as 7.6±3.9, indicating a clear alignment of the c-axis in the out-of-plane direction.

이종 에피택시얼 성장을 확인하기 위해 실리카라이트-1(silicalite-1, 즉 실리카로만 구성된 MFI 유형 제올라이트)를 유도하는 합성 전구체를 사용하여 MCM-22 씨앗층에 2차 성장을 수행했다. MFI 제올라이트는 테트라 프로필 암모늄(TPA) 양이온이 있을 때 쉽게 형성되는 것으로 알려져 있지만, 도 11을 보면 생성된 층은 연속적이지 않아 증착된 MCM-22 입자 사이의 틈을 막는데 어려움이 있음을 알 수 있다. 이를 통해 이종 에피택시얼 성장 기반 분리막을 형성하기 위해서는 두 가지 유형의 제올라이트 간에 구조적 유사성 또는 호환성이 필요함을 알 수 있다. 도 5를 보면 DDR 계열 제올라이트의 육각링 구조(6-MR)는 MDZ_10d의 이종 분리막에서 c-축에 수직인 평면에 위치함을 나타낸다. 따라서 우선적으로 c-면외 지향 이종 분리막(즉 MDZ_10d)은 면외 방향으로 상당한 수의 6-MR 기공 구멍을 가졌다. 이에 상기 분리막은 CO2에서 H2를 분리하기 위해 6-MR 구멍의 분자체 능력을 평가하는데 사용할 수 있는 좋은 플랫폼이다.To confirm the heterogeneous epitaxial growth, secondary growth was performed on the MCM-22 seed layer using a synthetic precursor that induces silicalite-1 (i.e., an MFI-type zeolite composed only of silica). Although it is known that MFI zeolite is easily formed in the presence of tetrapropyl ammonium (TPA) cations, it can be seen from Fig. 11 that the resulting layer is not continuous, making it difficult to close the gaps between the deposited MCM-22 particles. . Through this, it can be seen that structural similarity or compatibility between the two types of zeolites is required to form a heterogeneous epitaxial growth-based separator. Referring to FIG. 5, the hexagonal ring structure (6-MR) of the DDR series zeolite is located in a plane perpendicular to the c-axis in the heterogeneous separator of MDZ_10d. Therefore, preferentially, the c-out-of-plane oriented heterogeneous membrane (ie, MDZ_10d) had a significant number of 6-MR pore pores in the out-of-plane direction. In the separation membrane is a good platform for use in assessing the ability of the molecular sieve-6 MR hole to separate the H 2 from the CO 2.

기체분리막의 분리 성능Separation performance of gas separation membrane

도 4의 (c) 및 도 9의 (a-b)에 나타낸 주사전자현미경(SEM)을 통해 관찰된 불연속성에서 예상한 바와 같이 도 12를 보면 MDZ_5d_C 및 MDZ_5d_RC 둘다 분자체 능력을 나타내지 않았다. 비록 고속 열처리 과정(RTP)가 도움이 되었지만 분리성능의 약간의 증가를 달성한 MDZ_5d의 상호성장 정도는 분자체 능력을 확보하기에 충분하지 않았다. 도 13의 (a1-c1)은 기존에 하소되었던 MDZ_10d_C가 세 쌍의 가스(H2/CO2, CO2/N2, CO2/CH4) 모두에 대해 열악한 분리성능을 보였으며 이는 뚜렷한 결함이 존재한다는 것을 나타낸다. 도 9의 (d)에서 주사전자현미경(SEM) 분해능에서 명백한 막 연속성에도 불구하고, MDZ_10d_C는 매우 열악한 투과선택 능력을 보였고, 이는 합성된 필름 또는 층의 하소 방법의 중요성을 나타낸다. 대조적으로 고속 열처리 과정(RTP)을 거친 분리막(즉, MDZ_10d_RC)는 특히 세 가지 경우 모두에서 CO2에 대해 상당히 개선된 투과 선택성을 나타내어 RTP가 결함 정도 감소에 기여했음을 나타냈다. 또한, MDZ_10d_RC의 6-MR 기공 구멍이 H2 투과에 크게 기여할 것으로 예상됨에도 불구하고, 이에 상응하는 H2/CO2 분리계수(SF)는 30℃에서 약 0.37(1 미만)이고, 125℃에서 약 0.97이었다. 또한, 최대 H2/CO2 SF는 200℃에서 여전히 약 1.7로 매우 낮았다. 이는 6-MR 기공 구경(최대 크기 0.28nm)이 최대 H2/CO2- 분리에 적합하지 않았음을 의미한다. MDZ_10d_RC의 구조적 특성은 동종 DDR 분리막의 구조적 특성과 유사하기 때문에 MDZ_10d_RC의 H2/CO2, CO2/N2, CO2/CH4 분리성능은 DDR 분리막의 성능과 비슷했으나, MDZ_10d_RC 전반에 걸쳐 훨씬 낮은 CO2 투과율을 나타냈다. 보다 나은 비교를 위해 도 13의 중간열 및 우측열을 살펴보면 MDZ_10d_RC 및 동종의 DDR 분리막의 H2/CO2, CO2/N2, CO2/CH4 분리성능을 함께 표시했다. 분명히 MDZ_10d_RC의 CO2 투과율은 막 표면에 수직인 방향인 8-MR 채널이 더 많은 동종 DDR 분리막과 비교할 때 비슷한 수준으로 감소했다. 따라서 DDR 제올라이트의 6-MR 기공 구멍은 H2/CO2 분리에 적합하지 않다고 추론할 수 있지만, 다른 유형의 제올라이트(sodalite 아님)의 6-MR 기공을 이용하여 H2/CO2 분리에 대한 분자 필터링 능력을 확인해봐야 된다. 특히 혹독한 조건(고압 및 고온)에서 H2/CO2 분리는 물-가스 전환 분리막 반응기를 실현하는데 중요하므로 분리막 반응기 구성에서 벽 역할을 할 수 있는 제올라이트 막을 통한 실험이 필수적이다. 위 분리 능력결과는 8-MR 또는 10-MR을 갖는 제올라이트를 후처리 기반 기공 크기 감소를 통해 우수한 H2/CO2 분리성능을 달성하는 게 타당하다는 것을 보여준다고 볼 수 있다. 실제 문헌에서도 기공크기가 줄어든 MFI 제올라이트 분리막이 분리막 반응기에 사용되었으며 분리막 반응기를 통해 높은 H2/CO2 분리 계수로 인해 현저한 H2 회수 및 CO2 전환을 얻을 수 있었다. 또한, 도 14의 a1-a2를 보면 2성분 혼합물 공급물에 수증기를 첨가하면 DDR 제올라이트의 수분 흡착 정도가 뚜렷한 온도인 100℃ 미만의 온도에서 H2와 CO2의 투과도가 감소했다. 대조적으로 H2 및 CO2의 투과율은 100℃ 이상의 온도에서 수증기의 존재로 인해 변하지 않았다. 흥미롭게도, 투과율 감소 정도는 H2 및 CO2 모두 200℃까지 비슷했다. 따라서 도 14의 a2의 습식 조건에서 해당 H2/CO2 분리계수는 도 14의 a1의 건식 조건에서의 H2/CO2 분리계수와 비슷했다. 또한 도 14의 b1-b2를 보면 공급물의 수증기는 특히 100℃ 미만에서 CO2 투과율을 감소시키면서 CO2/N2 분리계수(SF)를 증가시켰다. 대조적으로 도 14의 c1-c2를 보면 감소된 투과율은 CO2/CH4 분리에서 CH4 보다 CO2에 대해 더 높았으며 이에 따라 해당 CO2/CH4 분리계수(SF)를 습한 조건에서 약 50℃까지 감소시켰다. 특히 수증기에 의해 유도된 CO2/N2 및 CO2/CH4 분리 경향은 보고된 균일한 DDR 분리막의 경향과 매우 유사했다. 주요 차이점은 앞서 언급한 MDZ_10d_RC에서 CO2 투과율이 낮아졌다는 것이고, 이는 명확하게 c-면외 방향성을 지닌 DDR 제올라이트의 상당 부분에서 발생한다. 도 15를 참조하면 습식 조건에서 더 높은 CO2/N2 분리계수(SF)는 MDZ_10d_RC(도 4의 (e) 삽임 이미지를 참조)에서 규산질 DDR 제올라이트의 소수성 때문일 수 있다. 대조적으로 MDZ_10d_C의 접촉각 측정에서는 물방울이 빠르게 사라져 MDZ_10d_C에 많은 결함이 있을 확인했다.As expected from the discontinuity observed through scanning electron microscopy (SEM) shown in FIGS. 4(c) and 9(ab), looking at FIG. 12, neither MDZ_5d_C nor MDZ_5d_RC exhibited molecular sieve capability. Although the high-speed annealing process (RTP) helped, the degree of intergrowth of MDZ_5d, which achieved a slight increase in the separation performance, was not sufficient to secure the molecular sieve capability. 13 (a1-c1) shows that the previously calcined MDZ_10d_C showed poor separation performance for all three pairs of gases (H 2 /CO 2 , CO 2 /N 2 , CO 2 /CH 4 ), which is a distinct defect. indicates that it exists. Despite the apparent film continuity in scanning electron microscopy (SEM) resolution in Fig. 9(d), MDZ_10d_C showed very poor permeation selection ability, indicating the importance of the method of calcination of the synthesized film or layer. In contrast, the membrane subjected to high-speed annealing process (RTP) (ie, MDZ_10d_RC) showed significantly improved permeation selectivity for CO 2 especially in all three cases, indicating that RTP contributed to the reduction of the degree of defects. In addition, although the 6-MR pore pores of MDZ_10d_RC are expected to contribute significantly to H 2 permeation, the corresponding H 2 /CO 2 separation coefficient (SF) is about 0.37 (less than 1) at 30°C, and at 125°C. It was about 0.97. Also, the maximum H 2 /CO 2 SF was still very low at about 1.7 at 200°C. This means that the 6-MR pore aperture (maximum size 0.28 nm) was not suitable for maximal H 2 /CO 2 - separation. Because the structural properties of MDZ_10d_RC are similar to those of the homogeneous DDR separator, the H 2 /CO 2 , CO 2 /N 2 , CO 2 /CH 4 separation performance of MDZ_10d_RC was similar to that of the DDR separator, but much better throughout MDZ_10d_RC. It showed low CO 2 permeability. For better comparison, looking at the middle and right columns of FIG. 13 , H 2 /CO 2 , CO 2 /N 2 , CO 2 /CH 4 separation performance of MDZ_10d_RC and the same kind of DDR separator is displayed together. Obviously, the CO 2 transmittance of MDZ_10d_RC was reduced to a similar level when compared to the homogeneous DDR separator with more 8-MR channels in the direction perpendicular to the membrane surface. Thus 6-MR pore holes of the DDR zeolite is H 2 / CO andago 2 not suitable for the separation can be inferred, but the molecules of the H 2 / CO 2 separation using a 6-MR pores of different types of zeolite (no sodalite) You need to check your filtering capabilities. In particular, H 2 /CO 2 separation under harsh conditions (high pressure and high temperature) is important for realizing a water-gas conversion membrane reactor, so it is essential to experiment with a zeolite membrane that can serve as a wall in the membrane reactor configuration. The above separation capability results can be seen to show that it is reasonable to achieve excellent H 2 /CO 2 separation performance through post-treatment-based pore size reduction of zeolite having 8-MR or 10-MR. In actual literature, an MFI zeolite membrane with reduced pore size was used in the membrane reactor, and significant H 2 recovery and CO 2 conversion were obtained due to the high H 2 /CO 2 separation coefficient through the membrane reactor. In addition, referring to a1-a2 of FIG. 14 , when water vapor was added to the feed of the two-component mixture, the permeability of H 2 and CO 2 was reduced at a temperature below 100° C., which is a temperature at which the degree of water adsorption of DDR zeolite is evident. In contrast, the permeability of H 2 and CO 2 did not change due to the presence of water vapor at temperatures above 100° C. Interestingly, the degree of transmittance reduction was similar up to 200° C. for both H 2 and CO 2 . Therefore, the corresponding H 2 /CO 2 separation coefficient in the wet condition of a2 of FIG. 14 was similar to the H 2 /CO 2 separation coefficient under the dry condition of a1 of FIG. 14 . In addition, reducing the CO 2 permeability from less than b1-b2 When the water vapor feed is in particular 100 ℃ of 14 increased the CO 2 / N 2 separation factor (SF). In contrast to FIG. C1-c2 to look at a reduced transmittance of 14 CO 2 / CH was 4 release was higher for CO 2 than CH 4 in the equivalent CO 2 / CH 4 separation factor (SF) to about 50 in a wet condition in accordance with decreased to °C. In particular, the water vapor-induced CO 2 /N 2 and CO 2 /CH 4 separation trends were very similar to those of the reported homogeneous DDR membranes. The main difference is that the CO 2 transmittance is lowered in the aforementioned MDZ_10d_RC, which occurs in a significant proportion of DDR zeolites with clearly c-out-of-plane orientation. Referring to FIG. 15 , the higher CO 2 /N 2 separation factor (SF) in wet conditions may be due to the hydrophobicity of the siliceous DDR zeolite in MDZ_10d_RC (see the inset image of FIG. 4 (e)). In contrast, in the measurement of the contact angle of MDZ_10d_C, the water droplets disappeared quickly, confirming that MDZ_10d_C had many defects.

도 16은 MDZ_10d_C와 MDZ_10d_RC의 형광 공초점 광학 현미경(Fluorescence confocal optical microscopy; FCOM) 이미지이고, 각각 도 13을 보면 각각 CO2 투과 선택성은 MDZ_10d_C은 낮고 MDZ_10d_RC은 좋은 것을 알 수 있다. 이에 따라, 상응하는 결함 정도는 MDZ_10d_C은 높고 MDZ_10d_RC은 낮은 것으로 볼 수 있다. 실제 측정되는 투과율에 대한 결함, 특히 균열의 기여는 결함의 크기(폭)와 수(밀도)의 결합된 함수이므로 이러한 요소를 함꼐 고려하여 최종 겉보기 성능을 이해해야 한다. 또한, 다양한 기간 동안 분리막을 염색하면 결함 구조에 대한 추가 정보를 제공한다. MDZ_10d_C의 결함(주로 균열)은 염색 시간이 증가함에 따라 염료 분자에 의해 점점 더 점진적으로 침투했다. 특히, 제올라이트 막과 다공성 지지체 사이의 계면에 도달하는 일부 균열은 12시간 염료 접촉 후에만 시각화 되었다(도 16의 a2에서 노란색 화살표로 표시). 반대로 도 16의 c2-d2를 보면 도 16의 c2에서 노란색 점선으로 표시된 것처럼 MDZ_10d_RC에는 밀도가 높거나 균열 수가 많았지만 계면으로 완전히 전파되지 않았다. 도 16의 a3-b3를 보면 MDZ_10d_C(24 시간)의 장기간 염색을 통해 경계면까지 전파되는 더 많은 균열을 시각화 하였다. 대조적으로 12시간 염색 후에 검출된 MDZ_10d_RC의 균열 수와 동일하게 유지되었지만 더 많은 염료 분자가 계면에 더 가까운 영역에 접근할 수 있지만 분리막 중간부분까지만 존재하였다(도 16의 c3에서 노란색 점선으로 표시). 마지막으로 60시간 염색 후 계면으로 전파된 MDZ_10d_C의 추가 균열이 관찰되었으며, MDZ_10d_RC에 존재하는 더 많은 수 또는 밀도의 균열이 염료 분자에 의해 완전히 접근되었다.16 is a fluorescence confocal optical microscopy (FCOM) image of MDZ_10d_C and MDZ_10d_RC. Referring to FIG. 13, respectively, it can be seen that MDZ_10d_C is low and MDZ_10d_RC is good in CO 2 transmission selectivity. Accordingly, it can be seen that the corresponding defect degree is high in MDZ_10d_C and low in MDZ_10d_RC. The contribution of defects, particularly cracks, to the actual measured transmittance is a combined function of the size (width) and number (density) of the defects, so these factors must be considered together to understand the final apparent performance. In addition, staining the separator for various periods of time provides additional information about the defect structure. Defects (mainly cracks) in MDZ_10d_C were more and more progressively penetrated by dye molecules with increasing staining time. In particular, some cracks reaching the interface between the zeolite membrane and the porous support were only visualized after 12 h of dye contact (indicated by yellow arrows in Fig. 16 a2). Conversely, looking at c2-d2 of FIG. 16 , as indicated by a yellow dotted line in c2 of FIG. 16 , MDZ_10d_RC had a high density or a large number of cracks, but did not completely propagate to the interface. Referring to a3-b3 of FIG. 16, more cracks propagating to the interface were visualized through long-term staining of MDZ_10d_C (24 h). In contrast, the number of cracks in MDZ_10d_RC detected after 12 h staining remained the same, but more dye molecules could access the region closer to the interface, but only existed in the middle of the separator (indicated by the yellow dotted line in Fig. 16 c3). Finally, additional cracks in MDZ_10d_C propagated to the interface were observed after 60 h of staining, and the higher number or density of cracks present in MDZ_10d_RC were completely approached by dye molecules.

도 17 및 도 18을 살펴보면 시간을 달리한 염색 공정을 통해 MDZ_10d_C에 존재하는 균열의 수와 크기가 MDZ_10d_RC에 존재하는 균열의 수와 크기 보다 각각 적고 큰 것을 확인하였다. 형광 공초점 광학 현미경 이미지의 이미지 처리과정은 결함 수에 대한 추가 확인을 제공했다. 표 2를 보면 픽셀 기반 영역 비율(fraction)은 MDZ_10d_C의 경우 0.020, MDZ_10d_RC의 경우 0.035를 나타냈다. 상기 이미지 처리과정이 완료된 후, 도 19에 나타낸 바와 같이 균열 특징이 잘 재구성되었다. 균열 밀도의 차이에도 불구하고, 분리막의 두께에 따른 균열의 비틀림은 표 2에 나타낸 바와 같이 MDZ_10d_C 및 MDZ_10d_RC 모두 약 1.6이었으며, 이는 분리막을 투과하는 분자가 비슷하게 약간 기울어진 경로를 따라야 한다는 걸 의미한다. 도 20을 살펴보면 MDZ_10d_C의 균열특성은 동종 DDR 분리막의 균열 특성과 비슷했지만 MDZ_10d_RC은 균열 수가 더 많았다. 동종 DDR 분리막이 높은 CO2 투과 선택성을 보여주었다는 점을 고려할 때 MDZ_10d_C의 균열 크기는 분자체 능력을 확보하기에는 분명히 너무 컸다. 현재 급속 열처리 과정(RTP)은 다결정 제올라이트 분리막에서 입자를 응축하여 결함 크기를 효과적으로 줄인다고 알려져 있으나, 도 16은 기존의 느린 하소 전에 급속 열처리 과정(RTP)을 수행했을 때 더 많은 수의 작은 균열을 생성하면서 구조유도제(SDA) 제거시 생성되는 응력(stress)을 줄일 수 있다는 것을 보여준다. 요약하면, 결함 수가 더 많았지만 MDZ_10d_C보다 더 나은 분리 성능을 보인 MDZ_10d_RC는 결함의 크기를 줄이는 것이 좋은 분리 성능을 확보하기 위해 더 중요한 요소인 것을 알 수 있다.Referring to FIGS. 17 and 18 , it was confirmed that the number and size of cracks present in MDZ_10d_C were smaller and larger than the number and size of cracks present in MDZ_10d_RC through the dyeing process at different times. Image processing of fluorescence confocal optical microscopy images provided further confirmation of the number of defects. Referring to Table 2, the pixel-based area fraction was 0.020 for MDZ_10d_C and 0.035 for MDZ_10d_RC. After the image processing was completed, the crack characteristics were well reconstructed as shown in FIG. 19 . Despite the difference in crack density, the torsion of cracks according to the thickness of the separator was about 1.6 for both MDZ_10d_C and MDZ_10d_RC, as shown in Table 2, which means that molecules penetrating the separator should follow a similarly slightly inclined path. Referring to FIG. 20 , the cracking characteristics of MDZ_10d_C were similar to those of the same type of DDR separator, but the number of cracks in MDZ_10d_RC was higher. Considering that the homogeneous DDR separator showed high CO 2 permeation selectivity, the crack size of MDZ_10d_C was clearly too large to obtain molecular sieve capability. Currently, the rapid annealing process (RTP) is known to effectively reduce the defect size by condensing particles in the polycrystalline zeolite separator, but FIG. 16 shows a larger number of small cracks when the rapid annealing process (RTP) is performed before the conventional slow calcination It shows that it is possible to reduce the stress generated during the removal of the structural directing agent (SDA). In summary, MDZ_10d_RC, which had a higher number of defects but showed better isolation performance than MDZ_10d_C, shows that reducing the size of defects is a more important factor to ensure good isolation performance.

Membrane sampleMembrane sample Tortuosity in the z-direction;
along the membrane thickness
Tortuosity in the z-direction;
along the membrane thickness
Defect area fractionDefect area fraction
MDZ_10d_CMDZ_10d_C 1.571.57 0.0200.020 MDZ_10d_RCMDZ_10d_RC 1.591.59 0.0350.035

Claims (17)

하나 이상의 MWW 계열 제올라이트와 하나 이상의 DDR 계열 제올라이트를 포함하고,
상기 MWW 계열 제올라이트와 상기 DDR 계열 제올라이트는 서로 교대로 구비되되, 상기 MWW 계열 제올라이트와 상기 DDR 계열 제올라이트 중 적어도 어느 하나 이상은 에피택시얼 성장(epitaxial growth)되는 것을 포함하는 MWW/DDR 계열 기체분리막.
at least one MWW series zeolite and at least one DDR series zeolite;
The MWW-based zeolite and the DDR-based zeolite are alternately provided with each other, and at least one of the MWW-based zeolite and the DDR-based zeolite is epitaxially grown.
제1항에 있어서,
상기 MWW 계열 제올라이트 및 DDR 계열 제올라이트는 독립적으로 층(layer)을 형성하되, 교대로 반복적으로 구비되는 기체분리막.
According to claim 1,
The MWW-based zeolite and the DDR-based zeolite independently form a layer, but alternately and repeatedly provided with a gas separation membrane.
제1항에 있어서,
상기 MWW 계열 제올라이트는 Si:Al의 몰비 기준값이 100:0~10인 기체분리막.
According to claim 1,
The MWW series zeolite is a gas separation membrane having a Si:Al molar ratio of 100:0 to 10.
제1항에 있어서,
상기 DDR 계열 제올라이트는 Si:Al의 몰비 기준값이 100:0~10인 기체분리막.
According to claim 1,
The DDR series zeolite is a gas separation membrane having a Si:Al molar ratio of 100:0 to 10.
제1항에 있어서,
상기 MWW 계열 제올라이트 상에 DDR 계열 제올라이트가 제1 조건으로 수열합성법으로 에피택시얼 성장되어 구비되거나,
상기 DDR 계열 제올라이트 상에 MWW 계열 제올라이트가 제2 조건으로 수열합성법으로 에피택시얼 성장되어 구비된 것인 기체분리막.
According to claim 1,
DDR-based zeolite is epitaxially grown by hydrothermal synthesis under the first condition on the MWW-based zeolite, or
A gas separation membrane provided by epitaxially growing MWW-based zeolite on the DDR-based zeolite by hydrothermal synthesis under the second condition.
제5항에 있어서,
상기 MWW 계열 제올라이트 상에 DDR 계열 제올라이트가 제1 방향으로 구비되는 경우, 상기 MWW 계열 제올라이트는 복수개의 MWW 계열 제올라이트 입자의 집단으로 이루어지되, 상기 MWW 계열 제올라이트 입자는 상기 MWW 계열 방향으로 나란한 평균 길이가 10nm 내지 1㎛이고,
상기 DDR 계열 제올라이트 상에 MWW 계열 제올라이트가 제1 방향으로 구비되는 경우, 상기 DDR 계열 제올라이트는 복수개의 DDR 계열 제올라이트 입자의 집단으로 이루어지되, 상기 DDR 계열 제올라이트 입자는 상기 제1 방향으로 나란한 평균 길이가 0.1㎛ 내지 10㎛인 것을 포함하는 기체분리막.
6. The method of claim 5,
When the DDR series zeolite is provided on the MWW series zeolite in the first direction, the MWW series zeolite consists of a group of a plurality of MWW series zeolite particles, and the MWW series zeolite particles have an average length parallel to the MWW series direction. 10 nm to 1 μm,
When the MWW series zeolite is provided on the DDR series zeolite in the first direction, the DDR series zeolite is composed of a plurality of DDR series zeolite particles, and the DDR series zeolite particles have an average length side by side in the first direction Gas separation membrane comprising a 0.1㎛ to 10㎛.
제6항에 있어서,
상기 제1 조건 및 제2 조건은 독립적으로 100℃ 내지 200℃의 온도로 0.5일 내지 15일 동안 수열합성 하는 것을 포함하는 기체분리막.
7. The method of claim 6,
The first and second conditions are independently hydrothermal synthesis at a temperature of 100°C to 200°C for 0.5 to 15 days.
제1항에 있어서,
상기 기체분리막은 기체 혼합물로부터 이산화탄소 기체(CO2)을 분리하는 것인 기체분리막.
According to claim 1,
The gas separation membrane is a gas separation membrane that separates carbon dioxide gas (CO 2 ) from the gas mixture.
제1 구조유도제 및 제1 원료를 포함하는 제1 제올라이트 전구체 용액을 이용하여 수열합성법으로 제조한 복수개의 제1 제올라이트 입자를 지지체 상에 구비시켜 제1 제올라이트를 형성하는 제1 제올라이트 형성단계; 및
제2 구조유도제 및 제2 원료를 포함하는 제2 제올라이트 전구체 용액을 이용하여 수열합성법으로 상기 제1 제올라이트 상에 제2 제올라이트를 성장시키는 제2 제올라이트 형성단계;를 포함하고,
상기 제1 또는 제2 원료는 각각 Si 및 Al 중 적어도 어느 하나 이상을 포함하고,
상기 제1 제올라이트는 상기 지지체 상에 복수개의 입자의 형태로 구비되고, 상기 제2 제올라이트는 상기 제1 제올라이트 상에서 에피택시얼 성장(epitaxial growth)되는 것을 포함하는 체분리막의 제조방법.
A first zeolite forming step of forming a first zeolite by providing a plurality of first zeolite particles prepared by a hydrothermal synthesis method on a support using a first zeolite precursor solution including a first structure directing agent and a first raw material; and
A second zeolite forming step of growing a second zeolite on the first zeolite by hydrothermal synthesis using a second zeolite precursor solution containing a second structure directing agent and a second raw material;
The first or second raw material includes at least any one or more of Si and Al, respectively,
wherein the first zeolite is provided in the form of a plurality of particles on the support, and the second zeolite is epitaxially grown on the first zeolite.
제9항에 있어서,
상기 제1 제올라이트는 입자의 평균 길이가 10nm 내지 1μm이고,
상기 제1 제올라이트 전구체 용액의 몰 농도의 비율은 Si:Al:구조유도제:용매=100:0~10:10~500:500~20000이고,
상기 제2 제올라이트 전구체 용액의 몰 농도의 비율은 Si:Al:구조유도제:용매=100:0~10:1~200:500~20000인 기체분리막의 제조방법.
10. The method of claim 9,
The first zeolite has an average length of particles of 10 nm to 1 μm,
The ratio of the molar concentration of the first zeolite precursor solution is Si: Al: structure directing agent: solvent = 100: 0 ~ 10: 10 ~ 500: 500 ~ 20000,
The ratio of the molar concentration of the second zeolite precursor solution is Si: Al: structure directing agent: solvent = 100: 0 ~ 10:1 ~ 200: 500 ~ 20000 method of manufacturing a gas separation membrane.
제9항에 있어서,
상기 제1 제올라이트는 입자의 평균 길이가 0.1㎛ 내지 10㎛이고,
상기 제1 제올라이트 전구체 용액의 몰 농도의 비율은 Si:Al:구조유도제:용매=100:0~10:1~200:500~20000이고,
상기 제2 제올라이트 전구체 용액의 몰 농도의 비율은 Si:Al:구조유도제:용매=100:0~10:10~500:500~20000인 기체분리막의 제조방법.
10. The method of claim 9,
The first zeolite has an average length of particles of 0.1 μm to 10 μm,
The ratio of the molar concentration of the first zeolite precursor solution is Si: Al: structure directing agent: solvent = 100: 0 ~ 10:1 ~ 200: 500 ~ 20000,
The ratio of the molar concentration of the second zeolite precursor solution is Si: Al: structure directing agent: solvent = 100: 0 ~ 10: 10 ~ 500: 500 ~ 20000 method of manufacturing a gas separation membrane.
제9항 있어서,
상기 제1 및 제2 구조유도제는 독립적으로 헥사메틸렌이민(Hexamethyleneimine, HMI), 피페리딘(Piperidine), 아다맨틸아민(1-adamantylamine), 에틸렌디아민(ethylenediamine), 메틸트로피늄염, 1-TMAdaOH (N,N,N-trimethyl-1-adamantylammonium hydroxide), TMAdaBr (N,N,N-trimethyl-1-adamantylammonium bromide), TMAdaF (N,N,N-trimethyl-1-adamantylammonium fluoride), TMAdaCl (N,N,N-trimethyl-1-adamantylammonium chloride), TMAdaI(N,N,N-trimethyl-1-adamantylammonium iodide), TEAOH (tetraethylammonium hydroxide), TEABr (tetraethylammonium bromide), TEAF (tetraethylammonium fluoride), TEACl (tetraethylammonium chloride), TEAI(tetraethylammonium iodide), 디프로필아민(dipropylamine) 및 사이클로헥실아민(cyclohexylamine) 중 어느 하나 이상을 포함하는 기체분리막의 제조방법.
10. The method of claim 9,
The first and second structure-directing agents are independently hexamethyleneimine (Hexamethyleneimine, HMI), piperidine (Piperidine), adamantylamine (1-adamantylamine), ethylenediamine (ethylenediamine), methyltropinium salt, 1-TMAdaOH ( N,N,N-trimethyl-1-adamantylammonium hydroxide), TMAdaBr (N,N,N-trimethyl-1-adamantylammonium bromide), TMAdaF (N,N,N-trimethyl-1-adamantylammonium fluoride), TMAdaCl (N, N,N-trimethyl-1-adamantylammonium chloride), TMAdaI (N,N,N-trimethyl-1-adamantylammonium iodide), TEAOH (tetraethylammonium hydroxide), TEABr (tetraethylammonium bromide), TEAF (tetraethylammonium fluoride), TEACl (tetraethylammonium chloride) ), TEAI (tetraethylammonium iodide), dipropylamine (dipropylamine), and cyclohexylamine (cyclohexylamine) manufacturing method of a gas separation membrane comprising any one or more.
제9항에 있어서,
상기 지지체는 α-알루미나, γ-알루미나, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리설폰, 폴리이미드, 실리카, 글래스, 멀라이트(mullite), 지르코니아(zirconia), 티타니아(titania), 이트리아(yttria), 세리아(ceria), 바나디아(vanadia), 실리콘, 스테인레스 스틸, 카본, 칼슘 산화물 및 인 산화물 중 어느 하나 이상을 포함하는 기체분리막의 제조방법.
10. The method of claim 9,
The support is α-alumina, γ-alumina, polypropylene, polyethylene, polytetrafluoroethylene, polysulfone, polyimide, silica, glass, mullite, zirconia, titania, yttria (yttria), ceria (ceria), vanadia (vanadia), silicon, stainless steel, carbon, a method of manufacturing a gas separation membrane comprising any one or more of calcium oxide and phosphorus oxide.
제9항에 있어서,
상기 제1 제올라이트 형성단계 및 상기 제2 제올라이트 형성단계 사이에는,
상기 제1 제올라이트 형성단계의 복수개의 제1 제올라이트 입자의 적어도 일부를 덮는 버퍼부를 형성시키는 버퍼부 형성단계를 더 포함하고,
상기 버퍼부 형성단계는 아다맨틸아민: 에틸레디아민: 흄드실리카(fumed silica):용매가 1~20:100~200:100:1000~20000의 몰 농도로 혼합된 버퍼부 전구체 용액을 이용하여 수열합성법으로 상기 제1 제올라이트 상에 버퍼부를 구비시키는 것인 기체분리막의 제조방법.
10. The method of claim 9,
Between the first zeolite forming step and the second zeolite forming step,
Further comprising a buffer portion forming step of forming a buffer portion covering at least a portion of the plurality of first zeolite particles in the first zeolite forming step,
The buffer part forming step is performed using a buffer part precursor solution in which adamantylamine: ethyl rediamine: fumed silica: solvent is mixed at a molar concentration of 1-20:100-200:100:1000-20000. A method for producing a gas separation membrane by providing a buffer portion on the first zeolite by hydrothermal synthesis.
제14항에 있어서,
상기 버퍼부 형성단계에서,
상기 제1 및 제2 제올라이트는 서로 상이한 종류의 제올라이트로 이루어지되, 상기 버퍼부 전구체 용액에 의하여 형성된 제올라이트 구조는 상기 제2 제올라이트 구조와 동일하게 형성되는 기체분리막의 제조방법.
15. The method of claim 14,
In the buffer unit forming step,
The first and second zeolites are made of different types of zeolite, and the zeolite structure formed by the buffer part precursor solution is the same as the second zeolite structure.
제9항에 있어서,
상기 제1 제올라이트 형성단계 및 제2 제올라이트 형성단계는 독립적으로 수열합성 후에 12~40시간동안 0.2~0.5℃/min의 상승속도로 450~550℃의 온도에서 가열하여 하소하는 단계를 더 포함하는 기체분리막의 제조방법.
10. The method of claim 9,
The first zeolite forming step and the second zeolite forming step are independently heated and calcined at a temperature of 450 to 550° C. at a rising rate of 0.2 to 0.5° C./min for 12 to 40 hours after hydrothermal synthesis. Gas A method for manufacturing a separation membrane.
제9항에 있어서,
상기 제2 제올라이트 형성단계 이후에 700~1200℃의 온도에서 10초~5분 동안 급속 열처리하는 단계를 더 포함하는 기체분리막의 제조방법.
10. The method of claim 9,
The method of manufacturing a gas separation membrane further comprising the step of rapid heat treatment for 10 seconds to 5 minutes at a temperature of 700 ~ 1200 ℃ after the second zeolite forming step.
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