KR20230027901A - A mixed matrix membrane for gas separation, a gas separation membrane comprising the same, and a method for manufacturing the mixed matrix membrane - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 기체 분리용 혼합 매질 분리막, 이를 포함하는 기체 분리막, 상기 혼합 매질 분리막의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a mixed medium separation membrane for gas separation, a gas separation membrane including the same, and a method for manufacturing the mixed medium separation membrane.
기체 분리막 중 특히 이산화탄소의 분리는 정부의 2050 탄소중립전략이 발표됨에 따라 연소 후 이산화탄소 가스의 분리에 대한 관심이 더욱 증대되고 있다. 이를 해결하기 위해서 공정 비용측면에서 유리하고 열역학적으로도 이산화탄소 분리에 상변화가 동반되지 않기 때문에 에너지 효율적인 기체 분리막을 활용하려는 연구가 진행되고 있다. 그러나 여전히 낮은 기체 분리막의 이산화탄소 투과도와 분리도는 여전히 그 큰 제약으로 남아있다.Among the gas separation membranes, especially for the separation of carbon dioxide, interest in the separation of carbon dioxide gas after combustion is increasing as the government's 2050 carbon neutral strategy is announced. In order to solve this problem, research is being conducted to utilize an energy-efficient gas separation membrane, which is advantageous in terms of process cost and does not accompany phase change in carbon dioxide separation thermodynamically. However, the still low carbon dioxide permeability and separation of gas separation membranes still remain a major limitation.
고분자 기반의 기체 분리막은 고분자의 자유 부피(free volume)를 통하여 기체가 투과하는 원리를 활용한다. 그러나 고분자만으로 이루어진 기체 분리막은 투과도의 한계를 가지고 있고, 얇은 막을 형성하기 어려운 물리적 성질을 가지고 있어 이를 동시에 만족할 수 있는 혼합 매질 분리막(mixed-matrix membrane, MMM)을 활용하는 기술이 요구된다. A polymer-based gas separation membrane utilizes the principle of gas permeation through a free volume of a polymer. However, gas separation membranes made of only polymers have limitations in permeability and have physical properties that make it difficult to form thin membranes. Therefore, a technology using a mixed-matrix membrane (MMM) that can simultaneously satisfy these requirements is required.
혼합 매질 분리막은 다공성 충전제를 고분자 매트릭스에 첨가하게 되면 이산화탄소가 투과할 수 있는 통로(pathway)가 더 넓어지게 되어 투과도가 급격하게 증가하게 된다. 그러나 일반적으로 그 계면에서 결함(defect)이 발생하여 분리도를 떨어뜨리는 원인이 되거나 막이 잘 형성되지 않는 근본적인 원인을 제공하는 문제가 있다. When a porous filler is added to the polymer matrix of the mixed medium separator, the passage through which carbon dioxide can permeate becomes wider, so that the permeability rapidly increases. However, in general, there is a problem in that a defect occurs at the interface, which causes a decrease in separation degree or provides a fundamental cause of poor film formation.
따라서 기존의 혼합 매질 분리막이 가진 계면 결함을 방지하고, 우수한 기체 투과도 및 선택도를 가지며 막 형성이 잘 이루어질 수 있는 새로운 분리막 소재에 대한 연구 개발이 필요하다. Therefore, it is necessary to research and develop a new separator material that can prevent interfacial defects of existing mixed media separators, have excellent gas permeability and selectivity, and can be well formed.
상기와 같은 문제 해결을 위하여, 본 발명은 비대칭성 구조의 선택층이 형성되어 기체 투과도 및 선택도가 현저하게 향상된 기체 분리용 혼합 매질 분리막을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.In order to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a mixed medium separation membrane for gas separation in which a selective layer having an asymmetric structure is formed to significantly improve gas permeability and selectivity.
또한 본 발명은 상기 혼합 매질 분리막을 포함하는 기체 분리막을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide a gas separation membrane including the mixed medium separation membrane.
또한 본 발명은 상기 기체 분리막을 포함하는 기체 분리 모듈을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a gas separation module including the gas separation membrane.
또한 본 발명은 상기 기체 분리막을 포함하는 기체 분리 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a gas separation device including the gas separation membrane.
또한 본 발명은 기체 분리용 혼합 매질 분리막의 제조방법을 제공하는 것으로 그 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a mixed medium separation membrane for gas separation.
본 발명은 다공성 고분자 지지체; 및 상기 다공성 고분자 지지체 상부의 일면 또는 양면에 형성된 선택층;을 포함하는 기체 분리용 혼합 매질 분리막으로서, 상기 선택층은 하기 화학식 1로 표시되는 폴리비닐이미다졸(PVI)-폴리옥시에틸렌메타크릴레이트(POEM) 공중합체를 포함하는 고분자 매트릭스 및 제1 금속-유기 골격체(metal-organic framework, MOF)를 포함하는 조밀층; 및 상기 조밀층의 상부에 위치하면서 제2 금속-유기 골격체로 이루어진 다공성층;을 포함하는 기체 분리용 혼합 매질 분리막을 제공한다.The present invention is a porous polymer scaffold; and a selective layer formed on one or both surfaces of the porous polymer support, wherein the selective layer is polyvinylimidazole (PVI)-polyoxyethylene methacryl represented by Formula 1 below. a dense layer comprising a polymer matrix comprising a POEM copolymer and a first metal-organic framework (MOF); and a porous layer made of a second metal-organic framework while positioned on top of the dense layer.
[화학식 1][Formula 1]
(상기 화학식 1에서, x 및 y는 각 반복단위의 반복수로서, x는 5 내지 50이고, y는 50 내지 120이며, x:y는 10:90 내지 40:60이고, n은 1 내지 30의 정수이다.)(In Formula 1, x and y are the repeating numbers of each repeating unit, where x is 5 to 50, y is 50 to 120, x: y is 10:90 to 40:60, and n is 1 to 30 is an integer of .)
또한 본 발명은 상기 혼합 매질 분리막을 포함하는 기체 분리막을 제공한다.In addition, the present invention provides a gas separation membrane including the mixed medium separation membrane.
또한 본 발명은 상기 기체 분리막을 포함하는 기체 분리 모듈을 제공한다.In addition, the present invention provides a gas separation module including the gas separation membrane.
또한 본 발명은 상기 기체 분리막을 포함하는 기체 분리 장치를 제공한다.In addition, the present invention provides a gas separation device including the gas separation membrane.
또한 본 발명은 폴리비닐이미다졸(PVI)에 폴리옥시에틸렌메타크릴레이트(POEM)를 개시제의 존재 하에 중합시켜 하기 화학식 1로 표시되는 폴리비닐이미다졸(PVI)-폴리옥시에틸렌메타크릴레이트(POEM) 공중합체를 제조하는 단계; 금속 전구체 및 유기 전구체를 혼합하여 금속 유기 골격체(metal-organic framework, MOF)를 제조하는 단계; 용매에 상기 폴리비닐이미다졸(PVI)-폴리옥시에틸렌메타크릴레이트(POEM) 공중합체 및 상기 금속 유기 골격체를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; 다공성 고분자 지지체 상부의 일면 또는 양면에 상기 혼합물을 코팅하여 선택층을 형성하는 단계; 및 상기 선택층이 형성된 다공성 고분자 지지체를 건조시켜 기체 분리용 혼합 매질 분리막을 제조하는 단계;를 포함하는 기체 분리용 혼합 매질 분리막의 제조방법을 제공한다. In addition, the present invention is polyvinylimidazole (PVI)-polyoxyethylene methacrylate represented by the following formula (1) by polymerizing polyoxyethylene methacrylate (POEM) with polyvinylimidazole (PVI) in the presence of an initiator. (POEM) preparing a copolymer; preparing a metal-organic framework (MOF) by mixing a metal precursor and an organic precursor; preparing a mixture by mixing the polyvinylimidazole (PVI)-polyoxyethylene methacrylate (POEM) copolymer and the metal organic framework in a solvent; forming a selective layer by coating the mixture on one or both surfaces of an upper portion of the porous polymer support; and drying the porous polymer support on which the selective layer is formed to prepare a mixed medium separation membrane for gas separation.
[화학식 1][Formula 1]
(상기 화학식 1에서, x 및 y는 각 반복단위의 반복수로서, x는 5 내지 50이고, y는 50 내지 120이며, x:y는 10:90 내지 40:60이고, n은 1 내지 30의 정수이다.)(In Formula 1, x and y are the repeating numbers of each repeating unit, where x is 5 to 50, y is 50 to 120, x: y is 10:90 to 40:60, and n is 1 to 30 is an integer of .)
본 발명에 따른 혼합 매질 분리막은 다공성 고분자 지지체의 표면 상에 선택층을 형성하되, 특정 폴리비닐이미다졸(PVI)-폴리옥시에틸렌메타크릴레이트(POEM) 공중합체 사용과 금속-유기 골격체의 과량 사용을 동시에 만족함으로써 선택층의 상단에는 이산화탄소가 매우 빠르게 투과할 수 있는 다공성층과 하단에는 이산화탄소의 선택도를 높일 수 있는 매우 얇은 조밀층으로 이루어진 초박형, 비대칭성 구조의 막을 형성할 수 있다.The mixed medium separator according to the present invention forms a selective layer on the surface of a porous polymer support, but uses a specific polyvinylimidazole (PVI)-polyoxyethylene methacrylate (POEM) copolymer and metal-organic framework. By satisfying the excessive use at the same time, it is possible to form an ultra-thin, asymmetrical structure membrane composed of a porous layer through which carbon dioxide can permeate very quickly at the top of the selective layer and a very thin dense layer at the bottom where carbon dioxide selectivity can be increased.
이러한 본 발명의 혼합 매질 분리막은 PVI-POEM 공중합체와 금속-유기 골격체 간의 우수한 상호작용에 의해 막의 결함이 발생하지 않으면서 매우 얇은 비대칭성 구조를 형성하여 기존 기체 분리막에 비하여 기체 투과도 및 선택도를 현저히 향상시킬 수 있다.The mixed medium separation membrane of the present invention has excellent gas permeability and selectivity compared to conventional gas separation membranes by forming a very thin asymmetric structure without causing membrane defects due to excellent interaction between the PVI-POEM copolymer and the metal-organic backbone. can be significantly improved.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 한정되지 않는다. 본 발명의 효과는 이하의 설명에서 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.The effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above. It should be understood that the effects of the present invention include all effects that can be inferred from the following description.
도 1은 본 발명의 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 4에서 합성된 PVI-POEM 공중합체의 합성 모식도(a), PVI-POEM 공중합체, ZIF-8 및 PZ-x 시리즈의 FT-IR 그래프(b) 및 PVI-POEM 공중합체와 PZ-x 시리즈의 DSC 그래프(c) 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 4에서 합성된 PVI-POEM 공중합체, ZIF-8 및 PZ-x 시리즈의 XRD 결과 그래프(a), TGA 결과 그래프(b) 및 XPS 분석 결과 그래프(c, d, e)이다.
도 3은 본 발명의 실시예 4 내지 6 및 비교예 5 내지 7에서 합성된 PZ-x-thin 시리즈(혼합 매질 분리막)에 대한 FE-SEM 단면 사진(a 내지 f)과 PZ-x-thin 혼합 매질 분리막의 제조 과정을 개략적으로 나타낸 모식도(g)이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 4에서 합성된 PZ-x 시리즈(혼합 매질 분리막)에 대한 FE-SEM 단면 사진(a 내지 f)이다. 상기 도 4에서 FE-SEM 단면 사진은 각각 (a) PZ-10, (b) PZ-20, (c) PZ-30, (d) PZ-40, (e) PZ-50, (f) PZ-60을 나타내었다.
도 5는 순수 PVI-POEM 고분자막(a), 본 발명의 비교예 1(b), 실시예 1(c) 및 실시예 2(d)에서 합성된 PZ-x 시리즈(혼합 매질 분리막)에 대한 AFM 결과 사진이다.
도 6은 본 발명의 순수 PVI-POEM 고분자 분리막과 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 4에서 합성된 PZ-x 시리즈(혼합 매질 분리막)에 대하여 (a) 투과도가 i) 높은, ii) 낮은 지지체를 사용한 CO2/CH4 분리 성능 그래프(PZ-x 시리즈), (b) 상기 순수 PVI-POEM-thin 고분자 분리막과 실시예 4 내지 6 및 비교예 6 내지 8에서 합성된 PZ-x-thin 시리즈의 CO2/CH4 분리 성능 그래프, (c) 상기 PZ-x-thin 시리즈의 CO2/N2 분리 성능 그래프, (d) 상기 실시예 5(PZ-50-thin)의 시간에 따른 안정성(stability) 측정 그래프를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 실시예 1 내지 3(d, c, b) 및 비교예 4(a)에서 합성된 PZ-x 시리즈(혼합 매질 분리막)를 이용한 기체 분리막에 대하여 ZIF-8과 PVI-POEM 비율에 따른 ZIF-8 표면에 고분자의 거리(distance) 비교 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예 1 내지 3 및 비교예 4에서 합성된 PZ-x 시리즈(혼합 매질 분리막)를 이용한 기체 분리막에 대하여 ZIF-8:PVI-POEM의 혼합비가 각각 (a) 80:20(비교예 4), (b) 60:40(실시예 3), (c) 50:50(실시예 2) 및 (d) 40:60(실시예 1)의 구성 비율에 따른 자유 부피(free volume)와 다공성도(porosity)를 계산한 결과이다.
도 9는 본 발명의 실시예 1 내지 3 및 비교예 4에서 합성된 PZ-x 시리즈(혼합 매질 분리막)를 이용한 기체 분리막에 대하여 (a, b) CO2, (c, d) CH4, (e, f) N2와 PZ-x 시리즈 간의 에너지 프로파일 그래프와 (g) CO2/CH4 및 (h) CO2/N2의 상대적인 상호작용 에너지 플롯(interaction energy plot) 그래프를 나타낸 것이다.1 is a schematic diagram of the synthesis of PVI-POEM copolymers synthesized in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 4 of the present invention (a), FT-IR of PVI-POEM copolymers, ZIF-8 and PZ-x series Graph (b) and DSC graph (c) analysis results of the PVI-POEM copolymer and the PZ-x series are shown.
Figure 2 is a graph of XRD results (a), TGA result graph (b) and XPS of PVI-POEM copolymers, ZIF-8 and PZ-x series synthesized in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 4 of the present invention These are the analysis result graphs (c, d, e).
3 is FE-SEM cross-sectional photographs (a to f) of the PZ-x-thin series (mixed medium separator) synthesized in Examples 4 to 6 and Comparative Examples 5 to 7 of the present invention and PZ-x-thin mixture It is a schematic diagram (g) schematically showing the manufacturing process of the medium separation membrane.
4 is FE-SEM cross-sectional photographs (a to f) of the PZ-x series (mixed medium separator) synthesized in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 4 of the present invention. 4, FE-SEM cross-sectional images are (a) PZ-10, (b) PZ-20, (c) PZ-30, (d) PZ-40, (e) PZ-50, (f) PZ showed -60.
Figure 5 is a pure PVI-POEM polymer membrane (a), AFM for the PZ-x series (mixed media separator) synthesized in Comparative Example 1 (b), Example 1 (c) and Example 2 (d) of the present invention This is a picture of the result.
6 shows the pure PVI-POEM polymer separator of the present invention and the PZ-x series (mixed medium separator) synthesized in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 4 (a) having i) high permeability and ii) low permeability CO 2 /CH 4 separation performance graph using a support (PZ-x series), (b) the pure PVI-POEM-thin polymer membrane and the PZ-x-thin synthesized in Examples 4 to 6 and Comparative Examples 6 to 8 CO 2 /CH 4 separation performance graph of the series, (c) CO 2 /N 2 separation performance graph of the PZ-x-thin series, (d) stability over time of Example 5 (PZ-50-thin) above (stability) It shows the measurement graph.
7 shows ZIF-8 and PVI-POEM for gas separation membranes using the PZ-x series (mixed medium separation membrane) synthesized in Examples 1 to 3 (d, c, b) and Comparative Example 4 (a) of the present invention. This is a graph comparing the distance of the polymer to the ZIF-8 surface according to the ratio.
8 shows the gas separation membrane using the PZ-x series (mixed medium separation membrane) synthesized in Examples 1 to 3 and Comparative Example 4 of the present invention, with a mixing ratio of ZIF-8:PVI-POEM of (a) 80:20 (Comparative Example 4), (b) 60:40 (Example 3), (c) 50:50 (Example 2) and (d) 40:60 (Example 1) according to the free volume (free volume) It is the result of calculating volume) and porosity.
9 is a graph of (a, b) CO 2 , (c, d) CH 4 , ( e, f) energy profile graphs between N 2 and PZ-x series and (g) CO 2 /CH 4 and (h) CO 2 /N 2 relative interaction energy plots.
이하에서는 본 발명을 하나의 실시예로 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail as an embodiment.
본 발명은 기체 분리용 혼합 매질 분리막, 이를 포함하는 기체 분리막, 상기 혼합 매질 분리막의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a mixed medium separation membrane for gas separation, a gas separation membrane including the same, and a method for manufacturing the mixed medium separation membrane.
앞서 설명한 바와 같이, 기존의 혼합 매질 분리막은 고분자 매트릭스에 다공성 충전체를 혼합하여 기체 투과도를 증가시켰으나, 그 계면에서 결함이 발생하여 분리도를 떨어뜨리는 원인이 되거나 막이 제대로 형성되지 않는 문제가 있었다. As described above, the conventional mixed-medium separation membrane increases gas permeability by mixing a porous filler with a polymer matrix, but defects occur at the interface, which causes a decrease in separation degree or the membrane is not properly formed.
이에 본 발명에서는 다공성 고분자 지지체의 표면 상에 선택층을 형성하되, 특정 폴리비닐이미다졸(PVI)-폴리옥시에틸렌메타크릴레이트(POEM) 공중합체의 사용과 금속-유기 골격체의 과량 사용을 동시에 만족함으로써 선택층의 상단에는 이산화탄소가 매우 빠르게 투과할 수 있는 다공성층과 하단에는 이산화탄소의 선택도를 높일 수 있는 매우 얇은 조밀층으로 이루어진 비대칭성 구조의 막을 형성된 기체 분리용 혼합 매질 분리막을 제조할 수 있었다.Therefore, in the present invention, a selective layer is formed on the surface of the porous polymer support, but the use of a specific polyvinylimidazole (PVI)-polyoxyethylene methacrylate (POEM) copolymer and excessive use of a metal-organic framework are avoided. At the same time, it is possible to manufacture a mixed medium separation membrane for gas separation in which an asymmetric structure consisting of a porous layer through which carbon dioxide can permeate very quickly at the top of the selective layer and a very thin and dense layer at the bottom of the selective layer can increase the selectivity of carbon dioxide. could
이러한 본 발명의 혼합 매질 분리막은 PVI-POEM 공중합체와 금속-유기 골격체 간의 우수한 상호작용에 의해 막의 결함이 발생하지 않으면서 매우 얇은 비대칭성 구조를 형성하여 기존 기체 분리막에 비하여 기체 투과도 및 선택도를 현저히 향상시킬 수 있다. The mixed medium separation membrane of the present invention has excellent gas permeability and selectivity compared to conventional gas separation membranes by forming a very thin asymmetric structure without causing membrane defects due to excellent interaction between the PVI-POEM copolymer and the metal-organic backbone. can be significantly improved.
구체적으로 본 발명은 다공성 고분자 지지체; 및 상기 다공성 고분자 지지체 상부의 일면 또는 양면에 형성된 선택층;을 포함하는 기체 분리용 혼합 매질 분리막으로서, 상기 선택층은 하기 화학식 1로 표시되는 폴리비닐이미다졸(PVI)-폴리옥시에틸렌메타크릴레이트(POEM) 공중합체를 포함하는 고분자 매트릭스 및 제1 금속-유기 골격체(metal-organic framework, MOF)를 포함하는 조밀층; 및 상기 조밀층의 상부에 위치하면서 제2 금속-유기 골격체로 이루어진 다공성층;을 포함하는 기체 분리용 혼합 매질 분리막을 제공한다.Specifically, the present invention is a porous polymer support; and a selective layer formed on one or both surfaces of the porous polymer support, wherein the selective layer is polyvinylimidazole (PVI)-polyoxyethylene methacryl represented by Formula 1 below. a dense layer comprising a polymer matrix comprising a POEM copolymer and a first metal-organic framework (MOF); and a porous layer made of a second metal-organic framework while positioned on top of the dense layer.
[화학식 1][Formula 1]
(상기 화학식 1에서, x 및 y는 각 반복단위의 반복수로서, x는 5 내지 50이고, y는 50 내지 120이며, x:y는 10:90 내지 40:60이고, n은 1 내지 30의 정수이다. 바람직하게는 x 및 y는 각 반복단위의 반복수로서, x는 15 내지 40이고, y는 60 내지 90이며, x:y는 25:75 내지 35:65이고, n은 5 내지 12의 정수이다.)(In Formula 1, x and y are the repeating numbers of each repeating unit, where x is 5 to 50, y is 50 to 120, x: y is 10:90 to 40:60, and n is 1 to 30 Preferably, x and y are the repeating numbers of each repeating unit, where x is 15 to 40, y is 60 to 90, x:y is 25:75 to 35:65, and n is 5 to It is an integer of 12.)
상기 다공성 고분자 지지체는 폴리설폰, 폴리에스터설폰, 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리옥시메틸렌, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리아크릴로니트릴, 셀룰로스아세테이트, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리아미드이미드, 폴리에테르이미드, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐알코올 및 폴리아릴레이트로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 바람직하게는 폴리설폰, 폴리에스터설폰 및 폴리아크릴로니트릴로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있고, 가장 바람직하게는 폴리설폰일 수 있다. 상기 폴리설폰은 다른 다공성 고분자 지지체에 비해 가격이 저렴하면서도 높은 다공성도로 인해 기체 투과도가 매우 우수한 이점이 있다.The porous polymer support is polysulfone, polyestersulfone, polymethyl methacrylate, polyethylene, polypropylene, polyoxymethylene, polyether ether ketone, polyethylene terephthalate, polyacrylonitrile, cellulose acetate, polyamide, polyimide, It may be at least one selected from the group consisting of polyamideimide, polyetherimide, polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, and polyarylate. Preferably, it may be at least one selected from the group consisting of polysulfone, polyestersulfone, and polyacrylonitrile, and most preferably, it may be polysulfone. The polysulfone is inexpensive compared to other porous polymer scaffolds and has excellent gas permeability due to its high porosity.
상기 다공성 고분자 지지체는 기체 투과도가 5000 내지 500000 GPU인 것일 수 있다. The porous polymer support may have a gas permeability of 5000 to 500000 GPU.
상기 다공성 고분자 지지체는 표면이 폴리(1-트리메틸실릴-1-프로핀)으로 코팅된 표면 코팅층을 더 포함할 수 있다. 상기 표면 코팅층은 기체 투과도가 우수한 고분자를 상기 다공성 고분자 지지체의 표면 상에 코팅한 것으로 상기 선택층과의 계면 결함을 방지하고 상호작용을 증대시키기 위해 형성할 수 있다.The porous polymer support may further include a surface coating layer coated with poly(1-trimethylsilyl-1-propyne). The surface coating layer is formed by coating a polymer having excellent gas permeability on the surface of the porous polymer support, and may be formed to prevent interface defects and increase interaction with the selective layer.
상기 폴리비닐이미다졸(PVI)-폴리옥시에틸렌메타크릴레이트(POEM) 공중합체는 물과 에탄올에 대한 용해도가 매우 높은 고분자이며, 이산화탄소와 상호작용이 매우 우수한 폴리에틸렌글리콜기와 이미다졸링기를 동시에 가지고 있어 금속-유기 골격체와 혼합 시 화학적 유사성이 높아 분산성 및 계면 접촉 능력이 우수하며, 고무 같은 물성으로 인해 계면 결함이 거의 없는 무결함의 매우 얇고 조밀한 고분자 매트릭스 막을 형성할 수 있다.The polyvinylimidazole (PVI)-polyoxyethylene methacrylate (POEM) copolymer is a polymer with very high solubility in water and ethanol, and has a polyethylene glycol group and an imidazoling group that have a very good interaction with carbon dioxide. When mixed with a metal-organic framework, it has excellent dispersibility and interfacial contact ability due to its high chemical similarity, and it is possible to form a defect-free, very thin and dense polymer matrix film with almost no interfacial defects due to its rubber-like properties.
일반적으로 기존 분리막은 30 중량% 이상의 금속 유기 골격체를 혼합하는 경우 막이 잘 형성되지 않을 수 있으나, 본 발명에서는 고분자 매트릭스와 금속 유기 골격체 간의 상호작용이 매우 우수한 소재를 선택적으로 사용하고, 과량의 금속 유기 골격체를 혼합함으로써 결함이 없는 비대칭 구조의 막을 형성하여 기체 분리성능을 향상시킬 수 있다. 이러한 상기 제1 및 제2 금속 유기 골격체는 선택층 100 중량%에 대하여 35 내지 65 중량%, 바람직하게는 40 내지 60 중량%, 더욱 바람직하게는 40 내지 50 중량%, 가장 바람직하게는 50 중량%를 포함할 수 있다.In general, conventional separators may not form well when 30% by weight or more of metal organic framework is mixed, but in the present invention, a material having a very good interaction between the polymer matrix and the metal organic framework is selectively used, Gas separation performance can be improved by forming a film having an asymmetric structure without defects by mixing the metal organic framework. The first and second metal organic frameworks are present in an amount of 35 to 65% by weight, preferably 40 to 60% by weight, more preferably 40 to 50% by weight, and most preferably 50% by weight, based on 100% by weight of the selective layer. % may be included.
이때, 상기 제1 및 제2 금속 유기 골격체의 함량이 35 중량% 미만이면 상기 선택층이 조밀층과 다공성층으로 이루어진 비대칭성 구조를 형성하지 못하여 향상된 기체 분리성능을 기대할 수 없다. 반대로 65 중량% 초과이면 상기 선택층이 과도한 비대칭성 구조를 형성하여 기체 투과도는 우수하나 상대적으로 기체 선택도가 현저하게 저하될 수 있다. In this case, when the content of the first and second metal organic frameworks is less than 35% by weight, the selective layer does not form an asymmetric structure composed of a dense layer and a porous layer, and thus improved gas separation performance cannot be expected. Conversely, if the content exceeds 65% by weight, the selective layer may form an excessively asymmetrical structure, resulting in excellent gas permeability but relatively low gas selectivity.
상기 제1 및 제2 금속 유기 골격체는 다공성의 균일한 기공 구조를 가지는 것으로 바람직하게는 Zn 기반 제올라이트 이미다졸 골격체(zeolitic imidazole framework, ZIF)일 수 있다. 상기 Zn 기반 제올라이트 이미다졸 골격체의 구체적인 예로는 ZIF-7, ZIF-8, ZIF-22, ZIF-90, ZIF-8-90 및 ZIF-7-8로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있고, 바람직하게는 ZIF-8일 수 있다. 상기 Zn 기반 제올라이트 이미다졸 골격체는 물과 에탄올에 대한 용매 분산성이 우수하며, 상기 PVI-POEM 공중합체와의 상호작용이 매우 우수하여, 기체 분리막으로의 적용 가능한 이점이 있다.The first and second metal organic frameworks have a porous and uniform pore structure, and may preferably be Zn-based zeolitic imidazole frameworks (ZIF). Specific examples of the Zn-based zeolite imidazole framework may be one or more selected from the group consisting of ZIF-7, ZIF-8, ZIF-22, ZIF-90, ZIF-8-90 and ZIF-7-8, Preferably it may be ZIF-8. The Zn-based zeolite imidazole framework has excellent solvent dispersibility in water and ethanol and excellent interaction with the PVI-POEM copolymer, so it can be applied to gas separation membranes.
상기 Zn 기반 제올라이트 이미다졸 골격체의 아연(Zn) 함유량은 상기 선택층에 포함된 총 원자수를 기준으로 4 내지 10 원자%, 바람직하게는 5 내지 8 원자%, 가장 바람직하게는 5.7 내지 6.4 원자%를 포함할 수 있다. 이때, 상기 아연 함유량이 4 원자% 미만이면 혼합 매질 분리막의 기계적 강도 및 내구성이 저하되어 막이 쉽게 찢어질 수 있고, 반대로 10 원자% 초과이면 기체가 투과할 수 있는 채널이 줄어들어 기체 분리성능이 저하될 수 있다.The zinc (Zn) content of the Zn-based zeolite imidazole framework is 4 to 10 atomic %, preferably 5 to 8 atomic %, and most preferably 5.7 to 6.4 atomic % based on the total number of atoms included in the selective layer. % may be included. At this time, if the zinc content is less than 4 atomic %, the mechanical strength and durability of the mixed medium separation membrane may be lowered and the membrane may be easily torn. can
상기 선택층은 두께가 0.01 내지 1 ㎛, 바람직하게는 0.05 내지 0.5 ㎛인 조밀층과 두께가 0.1 내지 5 ㎛, 바람직하게는 0.2 내지 2 ㎛인 다공성층으로 이루어진 비대칭성 구조를 가질 수 있다. 상기 조밀층은 이산화탄소와 친화적인 특성을 가진 상기 PVI-POEM 공중합체를 포함하는 고분자 매트릭스 및 제1 금속-유기 골격체를 포함하고 있어 이산화탄소 선택도를 향상시킬 수 있다. 상기 다공성층은 상기 조밀층의 상부에 위치하면서 제2 금속-유기 골격체로 이루어져 있어 모든 기체가 매우 빠르게 투과할 수 있는 통로 역할을 할 수 있으며, 이로 인해 기존의 다른 기체 분리막에 비해 매우 높은 기체 투과도를 가질 수 있다. The selective layer may have an asymmetric structure composed of a dense layer having a thickness of 0.01 to 1 μm, preferably 0.05 to 0.5 μm, and a porous layer having a thickness of 0.1 to 5 μm, preferably 0.2 to 2 μm. The dense layer includes a polymer matrix including the PVI-POEM copolymer having carbon dioxide-friendly properties and a first metal-organic framework, so that carbon dioxide selectivity can be improved. The porous layer is located on top of the dense layer and is composed of a second metal-organic skeleton, so it can serve as a passage through which all gases can pass very quickly, and thus have a very high gas permeability compared to other existing gas separation membranes. can have
일반적인 기체 분리막의 경우 수마이크로미터 정도의 두꺼운 층으로 구성되는데 두께가 두꺼울수록 기체 투과도가 떨어지기 때문에 막 자체의 기체 투과성능을 증가시키는 것이 중요하다. 이에 따라 상기 선택층으로 특정 폴리비닐이미다졸(PVI)-폴리옥시에틸렌메타크릴레이트(POEM) 공중합체를 사용하지 않거나 금속-유기 골격체를 과량 혼합하지 않을 경우 비대칭성 구조를 갖는 조밀층 및 다공성층을 포함한 선택층을 형성할 수 없으며, 기체 선택도는 기존 기체 분리막과 동등 수준을 유지할 수 있으나 기체 투과도가 저조하여 전체적인 기체 분리성능이 저하될 수 있다. In the case of a general gas separation membrane, it is composed of a thick layer of several micrometers, and since the gas permeability decreases as the thickness increases, it is important to increase the gas permeability of the membrane itself. Accordingly, when a specific polyvinylimidazole (PVI)-polyoxyethylene methacrylate (POEM) copolymer is not used as the selective layer or an excessive amount of metal-organic framework is not mixed, a dense layer having an asymmetric structure and A selective layer including a porous layer cannot be formed, and gas selectivity can be maintained at the same level as conventional gas separation membranes, but overall gas separation performance can be deteriorated due to low gas permeability.
상기 선택층은 AFM 분석 결과 표면 거칠기 계수(roughness factor, Rq)가 70 내지 85 nm, 바람직하게는 75.7 내지 79.1 nm이고, 다공성도(porosity)가 54 내지 71%일 수 있다. As a result of AFM analysis, the selective layer may have a surface roughness factor (Rq) of 70 to 85 nm, preferably 75.7 to 79.1 nm, and a porosity of 54 to 71%.
상기 기체는 이산화탄소, 질소 및 메탄 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.The gas may be at least one selected from carbon dioxide, nitrogen and methane.
상기한 바와 같이, 본 발명의 기체 분리용 혼합 매질 분리막은 특정 폴리비닐이미다졸(PVI)-폴리옥시에틸렌메타크릴레이트(POEM) 공중합체의 사용과 금속-유기 골격체의 과량 사용을 동시에 만족함으로써 다공성 고분자 지지체 상에 이산화탄소를 효과적으로 분리해낼 수 있는 조밀층과 이산화탄소 투과성이 매우 우수한 다공성층이 비대칭성 구조로 이루어진 선택층을 형성시켜 막 자체의 기체 투과도 및 선택도를 현저하게 향상시킬 수 있다.As described above, the mixed medium separation membrane for gas separation of the present invention simultaneously satisfies the use of a specific polyvinylimidazole (PVI)-polyoxyethylene methacrylate (POEM) copolymer and the excessive use of a metal-organic framework. By doing so, a selective layer composed of an asymmetric structure of a dense layer capable of effectively separating carbon dioxide and a porous layer having excellent carbon dioxide permeability is formed on the porous polymer support, thereby significantly improving gas permeability and selectivity of the membrane itself.
한편, 본 발명은 상기 혼합 매질 분리막을 포함하는 기체 분리막을 제공한다.Meanwhile, the present invention provides a gas separation membrane including the mixed medium separation membrane.
상기 기체 분리막은 이산화탄소(CO2) 투과도가 2058 GPU 이상이고, 이산화탄소/질소(CO2/N2) 선택도가 22.1 이상이고, 이산화탄소/메탄(CO2/CH4) 선택도가 9.7 이상일 수 있다. The gas separation membrane may have a carbon dioxide (CO 2 ) permeability of 2058 GPU or more, a carbon dioxide/nitrogen (CO 2 /N 2 ) selectivity of 22.1 or more, and a carbon dioxide/methane (CO 2 /CH 4 ) selectivity of 9.7 or more. .
또한, 본 발명은 상기 기체 분리막을 포함하는 기체 분리 모듈을 제공한다.In addition, the present invention provides a gas separation module including the gas separation membrane.
또한, 본 발명은 상기 기체 분리막을 포함하는 기체 분리 장치를 제공한다.In addition, the present invention provides a gas separation device including the gas separation membrane.
또한, 본 발명은 폴리비닐이미다졸(PVI)에 폴리옥시에틸렌메타크릴레이트(POEM)를 개시제의 존재 하에 중합시켜 하기 화학식 1로 표시되는 폴리비닐이미다졸(PVI)-폴리옥시에틸렌메타크릴레이트(POEM) 공중합체를 제조하는 단계; 금속 전구체 및 유기 전구체를 혼합하여 금속 유기 골격체(metal-organic framework, MOF)를 제조하는 단계; 용매에 상기 폴리비닐이미다졸(PVI)-폴리옥시에틸렌메타크릴레이트(POEM) 공중합체 및 상기 금속 유기 골격체를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; 다공성 고분자 지지체 상부의 일면 또는 양면에 상기 혼합물을 코팅하여 선택층을 형성하는 단계; 및 상기 선택층이 형성된 다공성 고분자 지지체를 건조시켜 기체 분리용 혼합 매질 분리막을 제조하는 단계;를 포함하는 기체 분리용 혼합 매질 분리막의 제조방법을 제공한다. In addition, the present invention is polyvinylimidazole (PVI)-polyoxyethylene methacrylate represented by the following formula (1) by polymerizing polyoxyethylene methacrylate (POEM) with polyvinylimidazole (PVI) in the presence of an initiator. Preparing a POEM copolymer; preparing a metal-organic framework (MOF) by mixing a metal precursor and an organic precursor; preparing a mixture by mixing the polyvinylimidazole (PVI)-polyoxyethylene methacrylate (POEM) copolymer and the metal organic framework in a solvent; forming a selective layer by coating the mixture on one or both surfaces of an upper portion of the porous polymer support; and drying the porous polymer support on which the selective layer is formed to prepare a mixed medium separation membrane for gas separation.
[화학식 1][Formula 1]
(상기 화학식 1에서, x 및 y는 각 반복단위의 반복수로서, x는 5 내지 50이고, y는 50 내지 120이며, x:y는 10:90 내지 40:60이고, n은 1 내지 30의 정수이다. 바람직하게는 x 및 y는 각 반복단위의 반복수로서, x는 15 내지 40이고, y는 60 내지 90이며, x:y는 25:75 내지 35:65이고, n은 5 내지 12의 정수이다.)(In Formula 1, x and y are the repeating numbers of each repeating unit, where x is 5 to 50, y is 50 to 120, x: y is 10:90 to 40:60, and n is 1 to 30 Preferably, x and y are the repeating numbers of each repeating unit, where x is 15 to 40, y is 60 to 90, x:y is 25:75 to 35:65, and n is 5 to It is an integer of 12.)
상기 공중합체를 제조하는 단계는 상기 폴리비닐이미다졸(PVI) 및 폴리옥시에틸렌메타크릴레이트(POEM)를 10:90 내지 40:60 중량비, 바람직하게는 25:75 내지35:65 중량비, 가장 바람직하게는 30:70 중량비로 혼합할 수 있다.In preparing the copolymer, the polyvinylimidazole (PVI) and polyoxyethylene methacrylate (POEM) are mixed in a weight ratio of 10:90 to 40:60, preferably in a weight ratio of 25:75 to 35:65, the most Preferably, they may be mixed in a weight ratio of 30:70.
상기 개시제는 상기 폴리비닐이미다졸(PVI) 및 폴리옥시에틸렌메타크릴레이트(POEM)의 혼합용액 100 중량부에 대하여 0.01 내지 1 중량부, 바람직하게는 0.05 내지 0.5 중량부, 가장 바람직하게는 0.2 중량부를 혼합할 수 있다. 이때, 상기 개시제의 함량이 0.01 중량부 미만이면 라디칼 중합이 제대로 일어나지 않을 수 있고, 반대로 1 중량부 초과이면 과도한 라디칼 중합에 의해 기체 분리성능 및 기계적 물성이 저하될 수 있다.The initiator is present in an amount of 0.01 to 1 part by weight, preferably 0.05 to 0.5 part by weight, most preferably 0.2 part by weight, based on 100 parts by weight of the mixed solution of polyvinylimidazole (PVI) and polyoxyethylene methacrylate (POEM). Parts by weight can be mixed. At this time, if the content of the initiator is less than 0.01 parts by weight, radical polymerization may not occur properly, and conversely, if it exceeds 1 part by weight, gas separation performance and mechanical properties may be deteriorated due to excessive radical polymerization.
상기 개시제는 아조비소부티로니트릴(azobisisobutyronitrile, AIBN), 암모늄 퍼설페이트(ammonium persulfate) 및 하이드로퍼옥사이드(hydroperoxide)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있고, 바람직하게는 아조비소부티로니트릴을 사용할 수 있다. The initiator may be at least one selected from the group consisting of azobisisobutyronitrile (AIBN), ammonium persulfate, and hydroperoxide, preferably azobisisobutyronitrile. there is.
상기 금속 유기 골격체를 제조하는 단계에서 상기 금속 전구체는 아연, 티타늄, 철, 지르코늄, 구리, 알루미늄, 크롬, 갈륨, 마그네슘 및 망간으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있고, 바람직하게는 아연, 철, 구리, 마그네슘 및 망간으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있고, 더욱 바람직하게는 아연, 철 및 구리로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있고, 가장 바람직하게는 아연일 수 있다.In the step of preparing the metal organic framework, the metal precursor may be at least one selected from the group consisting of zinc, titanium, iron, zirconium, copper, aluminum, chromium, gallium, magnesium and manganese, preferably zinc and iron. , It may be at least one selected from the group consisting of copper, magnesium and manganese, more preferably at least one selected from the group consisting of zinc, iron and copper, and most preferably zinc.
상기 아연 전구체의 구체적인 예로는 Zn(NO3)2 6H2O, Zn(NO3)39H2O, ZnCl2, ZnSO4, Zn(OH)2 및 Zn(CH3CO2)2로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것일 수 있다. 바람직하게는 Zn(NO3)2 6H2O, Zn(NO3)39H2O 또는 이들의 혼합물일 수 있고, 가장 바람직하게는 Zn(NO3)2 6H2O일 수 있다.Specific examples of the zinc precursor include the group consisting of Zn(NO 3 ) 2 6H 2 O, Zn(NO 3 ) 3 9H 2 O, ZnCl 2 , ZnSO 4 , Zn(OH) 2 and Zn(CH 3 CO 2 ) 2 It may be one or more selected from. Preferably, it may be Zn(NO 3 ) 2 6H 2 O, Zn(NO 3 ) 3 9H 2 O, or a mixture thereof, and most preferably Zn(NO 3 ) 2 6H 2 O.
상기 유기 전구체는 2-메틸이미다졸(2-methylimidazole), 이미다졸(imidazole), 1-에틸이미다졸(1-ethylimidazole), 2-니트로이미다졸(2-nitroimidazole), 4-메틸-5-이미다졸카르복시알데히드(4-methyl-5-imidazolecarboxaldehyde), 5-니트로-1H-벤즈이미다졸(5-nitro-1H-benzimidazole), 4-포밀이미다졸(4-formylimidazole), 푸린(purin), (1H-이미다졸-2-일)메탄올((1H-imidazol-2-yl)methanol) 및 5-클로로벤즈이미다졸(5-chlorobenzimidazole)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 바람직하게는 2-메틸이미다졸, 이미다졸 및 1-에틸이미다졸로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있고, 가장 바람직하게는 2-메틸이미다졸일 수 있다. The organic precursor is 2-methylimidazole, imidazole, 1-ethylimidazole, 2-nitroimidazole, 4-methyl-5 -Imidazole carboxaldehyde (4-methyl-5-imidazolecarboxaldehyde), 5-nitro-1H-benzimidazole, 4-formylimidazole, purin , (1H-imidazol-2-yl)methanol ((1H-imidazol-2-yl)methanol) and 5-chlorobenzimidazole (5-chlorobenzimidazole) may be at least one selected from the group consisting of. Preferably, it may be at least one selected from the group consisting of 2-methylimidazole, imidazole, and 1-ethylimidazole, and most preferably 2-methylimidazole.
상기 금속 유기 골격체는 상기 혼합물 100 중량%에 대하여 35 내지 65 중량%, 바람직하게는 40 내지 60 중량%, 더욱 바람직하게는 40 내지 50 중량%, 가장 바람직하게는 50 중량%를 혼합할 수 있다.The metal organic framework may be mixed in an amount of 35 to 65% by weight, preferably 40 to 60% by weight, more preferably 40 to 50% by weight, and most preferably 50% by weight, based on 100% by weight of the mixture. .
상기 용매는 물, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 이소프로판올, 테트라하이드로퓨란, 에틸아세테이트, 클로로포름, 디메틸설폭사이드, 디메틸포름아미드 및 N-메틸-2-피롤리돈으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 바람직하게는 에탄올 및 물이 7:3 중량비로 혼합된 혼합 용매일 수 있다.The solvent may be at least one selected from the group consisting of water, methanol, ethanol, propanol, butanol, isopropanol, tetrahydrofuran, ethyl acetate, chloroform, dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, and N-methyl-2-pyrrolidone. there is. Preferably, it may be a mixed solvent in which ethanol and water are mixed in a weight ratio of 7:3.
상기 선택층을 형성하는 단계 전에, 상기 다공성 고분자 지지체의 표면에 폴리(1-트리메틸실릴-1-프로핀)을 이용하여 표면 코팅층을 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.Before forming the selective layer, forming a surface coating layer using poly(1-trimethylsilyl-1-propyne) on the surface of the porous polymer support may be further included.
상기 선택층을 형성하는 단계는 상기 다공성 고분자 지지체의 표면 상에 상기 혼합물을 바 코팅(bar coating)법에 의해 코팅할 수 있다. In the forming of the selective layer, the mixture may be coated on the surface of the porous polymer support by a bar coating method.
상기 선택층을 형성하는 단계에서 선택층의 코팅량은 2 내지 10 중량%, 바람직하게는 2.2 내지 7 중량%, 더욱 바람직하게는 2.5 내지 5 중량%, 가장 바람직하게는 2.7 내지 3 중량%일 수 있다. 이때, 상기 선택층의 코팅량이 2 중량% 미만이면 선택층의 두께가 지나치게 얇아져 기체 투과도 및 선택도가 저하될 수 있고, 반대로 10 중량% 초과이면 기체 투과도는 우수하나, 기체 선택도가 상대적으로 급격하게 저하될 수 있다.In the step of forming the optional layer, the coating amount of the optional layer may be 2 to 10% by weight, preferably 2.2 to 7% by weight, more preferably 2.5 to 5% by weight, and most preferably 2.7 to 3% by weight. there is. At this time, if the coating amount of the selective layer is less than 2% by weight, the thickness of the selective layer may be too thin and the gas permeability and selectivity may be lowered. can be significantly lowered.
상기 선택층을 형성하는 단계에서 선택층은 두께가 0.01 내지 1 ㎛, 바람직하게는 0.05 내지 0.5 ㎛인 조밀층과 두께가 0.1 내지 5 ㎛, 바람직하게는 0.2 내지 2 ㎛인 다공성층으로 이루어진 비대칭성 구조를 형성할 수 있다.In the step of forming the selection layer, the selection layer is composed of a dense layer having a thickness of 0.01 to 1 μm, preferably 0.05 to 0.5 μm, and a porous layer having a thickness of 0.1 to 5 μm, preferably 0.2 to 2 μm. structure can be formed.
상기 조밀층은 상기 폴리비닐이미다졸(PVI)-폴리옥시에틸렌메타크릴레이트(POEM) 공중합체를 포함하는 고분자 매트릭스 및 제1 금속-유기 골격체(metal-organic framework, MOF)를 포함하고, 상기 다공성층은 상기 조밀층의 상부에 위치하면서 제2 금속-유기 골격체로 이루어질 수 있다.The dense layer includes a polymer matrix including the polyvinylimidazole (PVI)-polyoxyethylene methacrylate (POEM) copolymer and a first metal-organic framework (MOF), The porous layer may be formed of a second metal-organic framework while being positioned on top of the dense layer.
상기 기체 분리용 혼합 매질 분리막을 제조하는 단계에서 건조는 20 내지 30 ℃의 온도에서 4 내지 8 시간, 바람직하게는 23 내지 27 ℃의 온도에서 5 내지 7 시간 동안 수행할 수 있다. 이때, 상기 건조 온도 및 시간 조건을 모두 만족하지 않는 경우 다공성 고분자 지지체 상에 고르고 균일한 얇은 두께의 선택층이 제대로 형성되지 않을 수 있다.In the step of preparing the mixed medium separation membrane for gas separation, drying may be performed at a temperature of 20 to 30 °C for 4 to 8 hours, preferably at a temperature of 23 to 27 °C for 5 to 7 hours. At this time, if both the drying temperature and time conditions are not satisfied, an even and uniform thin selective layer may not be properly formed on the porous polymer support.
특히, 하기 실시예 또는 비교예 등에는 명시적으로 기재하지는 않았지만, 본 발명에 따른 기체 분리용 혼합 매질 분리막의 제조방법에 있어서, 하기 13 조건들을 달리하여 제조된 혼합 매질 분리막을 기체 분리막에 적용하여 통상의 방법에 의해 막의 기계적 강성, 내구성, 후술하는 실험예 5와 동일한 조건에서 600 시간 동안 이산화탄소 투과도 및 선택도를 장시간 측정하는 추가 실험을 실시하였다.In particular, although not explicitly described in the following Examples or Comparative Examples, in the method for manufacturing a mixed medium separation membrane for gas separation according to the present invention, the mixed medium separation membrane prepared by varying the following 13 conditions is applied to the gas separation membrane An additional experiment was conducted to measure the carbon dioxide permeability and selectivity for 600 hours under the same conditions as in Experimental Example 5 to be described later, mechanical stiffness and durability of the membrane, by a conventional method.
그 결과, 본 발명의 혼합 매질 분리막은 과량의 금속-유기 골격체를 함유함으로 인해 막의 기계적 강성 및 내구성이 현저하게 우수함을 확인하였으며, 600 시간의 장시간 동안 이산화탄소 투과도 및 선택도가 높은 수준으로 유지되는 것을 확인하였다. As a result, it was confirmed that the mixed medium separation membrane of the present invention has remarkably excellent mechanical stiffness and durability due to containing an excessive amount of the metal-organic framework, and the carbon dioxide permeability and selectivity are maintained at high levels for a long time of 600 hours. confirmed that
① 상기 다공성 고분자 지지체는 폴리설폰이고, ② 상기 선택층을 형성하는 단계 전에, 상기 다공성 고분자 지지체의 표면에 폴리(1-트리메틸실릴-1-프로핀)을 이용하여 표면 코팅층을 형성하는 단계;를 더 포함하고, ③ 상기 공중합체를 제조하는 단계는 상기 폴리비닐이미다졸(PVI) 및 폴리옥시에틸렌메타크릴레이트(POEM)를 25:75 내지 35:65 중량비로 혼합하고, ④ 상기 개시제는 아조비소부티로니트릴(azobisisobutyronitrile, AIBN)이고, ⑤ 상기 화학식 1에서 x 및 y는 각 반복단위의 반복수로서, x는 15 내지 40이고, y는 60 내지 90이며, x:y는 25:75 내지 35:65이고, n은 5 내지 12의 정수이고, ⑥ 상기 금속 유기 골격체는 상기 혼합물 100 중량%에 대하여 40 내지 50 중량%를 포함하고, ⑦ 상기 금속 유기 골격체는 ZIF-8이고, ⑧ 상기 ZIF-8의 아연(Zn) 함유량은 상기 선택층에 포함된 총 원자수를 기준으로 5.7 내지 6.4 원자%를 포함하고, ⑨ 상기 용매는 에탄올 및 물의 혼합 용매이고, ⑩ 상기 선택층의 코팅량은 2.7 내지 3 중량%이고, ⑪ 상기 선택층은 두께가 0.05 내지 0.5 ㎛인 조밀층과 두께가 0.2 내지 2 ㎛인 다공성층으로 이루어진 비대칭성 구조를 가지는 것이고, ⑫ 상기 선택층은 AFM 분석 결과 표면 거칠기 계수(roughness factor, Rq)가 75.7 내지 79.1 nm이고, 다공성도(porosity)가 54 내지 71%이고, ⑬ 상기 기체 분리용 혼합 매질 분리막을 제조하는 단계에서 건조는 23 내지 27 ℃의 온도에서 5 내지 7 시간 동안 수행할 수 있다.① the porous polymer support is polysulfone, ② before forming the selective layer, forming a surface coating layer on the surface of the porous polymer support using poly(1-trimethylsilyl-1-propyne); Further comprising, ③ preparing the copolymer is mixing the polyvinylimidazole (PVI) and polyoxyethylene methacrylate (POEM) in a weight ratio of 25:75 to 35:65, ④ the initiator is azo arsenic butyronitrile (azobisisobutyronitrile, AIBN), and (5) in Formula 1, x and y are the repeating numbers of each repeating unit, x is 15 to 40, y is 60 to 90, and x:y is 25:75 to 35:65, n is an integer from 5 to 12, ⑥ the metal organic framework contains 40 to 50% by weight with respect to 100% by weight of the mixture, ⑦ the metal organic framework is ZIF-8, ⑧ The zinc (Zn) content of the ZIF-8 includes 5.7 to 6.4 atomic % based on the total number of atoms included in the optional layer, ⑨ the solvent is a mixed solvent of ethanol and water, ⑩ the coating amount of the optional layer is 2.7 to 3% by weight, ⑪ the selective layer has an asymmetric structure consisting of a dense layer having a thickness of 0.05 to 0.5 μm and a porous layer having a thickness of 0.2 to 2 μm, and ⑫ the selective layer has a surface as a result of AFM analysis The roughness factor (Rq) is 75.7 to 79.1 nm, the porosity is 54 to 71%, and ⑬ in the step of preparing the mixed medium separation membrane for gas separation, drying is performed at a temperature of 23 to 27 ° C. to 7 hours.
다만, 상기 13 가지 조건 중 어느 하나라도 충족되지 않는 경우에는 막의 기계적 강성 및 내구성이 상대적으로 저조하였으며, 이산화탄소 선택도는 대체로 우수하였으나, 이산화탄소 투과도가 현저하게 저하되었고, 300 시간 이후에는 이산화탄소 선택도 및 투과도가 급격하게 떨어지는 것을 확인하였다.However, when any one of the 13 conditions was not satisfied, the mechanical strength and durability of the membrane were relatively low, and the carbon dioxide selectivity was generally excellent, but the carbon dioxide permeability was significantly reduced. After 300 hours, the carbon dioxide selectivity and It was confirmed that the permeability dropped rapidly.
이하 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 구체적으로 설명하겠는 바, 본 발명이 다음 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on examples, but the present invention is not limited by the following examples.
실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 4Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 4
(1) PVI-POEM 공중합체의 제조(1) Preparation of PVI-POEM copolymer
[반응식 1][Scheme 1]
(상기 반응식 1에서 x는 30이고, y는 70이다.)(In Scheme 1 above, x is 30 and y is 70.)
3 g의 VI(1-vinylimidazole)와 7 g의 POEM(poly(oxyethylene methacrylate))을 35 mL의 에탄올에 혼합하여 혼합용액을 제조하였다. 또한 0.02 g의 AIBN 개시제를 2 mL의 DMF에 따로 녹였다. 그 다음 상기 혼합용액 100 중량부에 상기 AIBN 개시제 용액 0.2 중량부를 혼합하여 반응물을 제조한 후 질소 기체로 1 시간 동안 퍼징(purging)하였다. 이때, 상기 퍼징은 플라스크 내부 기체를 질소로 채우는 과정을 의미한다. 그 다음 상기 반응물을 70 ℃에서 24 시간 동안 중합하였다. 그 다음 중합 반응이 완료된 반응물을 과량(> 300 mL)의 n-헥산(n-hexane)에 침전시켜 세척한 후 50 ℃의 진공 오븐에 넣고 24 시간 동안 건조시켜 PVI-POEM 공중합체를 제조하였다.A mixed solution was prepared by mixing 3 g of VI (1-vinylimidazole) and 7 g of POEM (poly (oxyethylene methacrylate)) in 35 mL of ethanol. In addition, 0.02 g of AIBN initiator was separately dissolved in 2 mL of DMF. Then, a reactant was prepared by mixing 0.2 parts by weight of the AIBN initiator solution with 100 parts by weight of the mixed solution, and then purged with nitrogen gas for 1 hour. At this time, the purging means a process of filling the gas inside the flask with nitrogen. The reactants were then polymerized at 70 °C for 24 hours. Then, the reaction product after polymerization was precipitated in an excess (> 300 mL) of n-hexane, washed, put in a vacuum oven at 50 ° C., and dried for 24 hours to prepare a PVI-POEM copolymer.
(2) ZIF-8의 제조(2) Preparation of ZIF-8
Zn(NO3)2·6H2O 2.9 g을 100 mL의 메탄올에 녹여 아연 전구체 용액을 준비하였고, 2-메틸이미다졸(2-methylimidazole, 2MIm) 6.9 g을 100 mL의 메탄올에 녹여 2-메틸이미다졸 수용액을 준비하였다. 그 다음 상기 아연 전구체 용액 및 2-메틸이미다졸 수용액을 상온에서 3 시간 동안 자기 교반(magnetic stirring)한 후 9000 rpm에서 20 분 동안 원심 분리하여 침전된 반응물을 수득하였다. 상기 반응물은 50 ℃에서 진공 조건 하에 24 시간 동안 건조시켰다. 이어서 잔여 용매를 건조시키기 위해 180 ℃에서 진공 조건 하에 24 시간 동안 활성화(activation)시켜 ZIF-8을 수득하였다.A zinc precursor solution was prepared by dissolving 2.9 g of Zn(NO 3 ) 2 6H 2 O in 100 mL of methanol, and 6.9 g of 2-methylimidazole (2MIm) was dissolved in 100 mL of methanol to obtain 2- An aqueous solution of methylimidazole was prepared. Then, the zinc precursor solution and the 2-methylimidazole aqueous solution were subjected to magnetic stirring at room temperature for 3 hours, and then centrifuged at 9000 rpm for 20 minutes to obtain a precipitated reactant. The reactants were dried for 24 hours under vacuum conditions at 50 °C. Subsequently, ZIF-8 was obtained by activation (activation) for 24 hours under vacuum conditions at 180 ° C. to dry the residual solvent.
(3) PVI-POEM/ZIF-8 혼합 매질 분리막(MMMs)의 제조(3) Preparation of PVI-POEM/ZIF-8 Mixed Media Membrane (MMMs)
혼합용매(에탄올/물= 7:3 중량비)에 상기 PVI-POEM 공중합체와 ZIF-8을 하기 표 1의 혼합 비율로 투입하고, 1 시간 동안 혼합하여 질량비 기준 5 중량%의 혼합물을 제조하였다. 폴리설폰(Polysulfone, PSf) 지지체의 표면에 1.5 중량%의 PTMSP를 사이클로헥산(cyclohexane)에 녹인 용액을 코팅하여 거터층(gutter layer)을 형성하였다. 그 다음 상기 폴리설폰 지지체 표면의 거터층 상에 상기 혼합물 5 중량%를 바-코팅(bar-coating) 기법으로 코팅한 후 25 ℃의 진공 오븐에서 6 시간 동안 건조시켜 조밀층 및 다공성층의 비대칭 구조로 이루어진 선택층이 형성된 PVI-POEM/ZIF-8 혼합 매질 분리막을 제조하였다. 이때, 형성된 선택층의 두께는 0.25 ㎛였으며, 상기 조밀층은 두께가 0.05 ㎛이며 PVI-POEM 공중합체 및 ZIF-8를 포함하며, 상기 다공성층은 두께가 0.2 ㎛이며, ZIF-8로 이루어졌다. 상기 PVI-POEM/ZIF-8 혼합 매질 분리막은 하기 표 1과 같이 PZ-x 시리즈(여기서, x는 ZIF-8의 로딩량(loading amount)임)로 각각 명명하였다. The PVI-POEM copolymer and ZIF-8 were added to the mixed solvent (ethanol/water = 7:3 weight ratio) at the mixing ratio shown in Table 1 below, and mixed for 1 hour to prepare a mixture of 5% by weight based on mass ratio. A solution in which 1.5% by weight of PTMSP was dissolved in cyclohexane was coated on the surface of a polysulfone (PSf) support to form a gutter layer. Then, 5% by weight of the mixture was coated on the gutter layer on the surface of the polysulfone support by a bar-coating technique, and then dried in a vacuum oven at 25 ° C. for 6 hours to form an asymmetric structure of a dense layer and a porous layer. A PVI-POEM/ZIF-8 mixed media separator having a selective layer of was prepared. At this time, the thickness of the formed selective layer was 0.25 μm, the dense layer had a thickness of 0.05 μm and included PVI-POEM copolymer and ZIF-8, and the porous layer had a thickness of 0.2 μm and was made of ZIF-8 . The PVI-POEM/ZIF-8 mixed media separators were named as PZ-x series (where x is the loading amount of ZIF-8) as shown in Table 1 below.
실시예 4 내지 6 및 비교예 5 내지 8Examples 4 to 6 and Comparative Examples 5 to 8
상기 실시예 1의 폴리설폰 지지체 표면의 거터층 상에 혼합물 2.7 중량%를 바 코팅한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 PZ-x-thin 시리즈를 제조하였다. 이때, 각각의 PZ-x-thin 시리즈의 선택층 두께는 0.25 ㎛였으며, 상기 조밀층은 두께가 0.05 ㎛이고, 다공성층은 두께가 0.2 ㎛로 더 얇은 막을 형성하였다. 상기 PZ-x-thin 시리즈는 PZ-10-thin(비교예 5), PZ-20-thin(비교예 6), PZ-30-thin(비교예 7), PZ-40-thin(실시예 4), PZ-50-thin(실시예 5), PZ-60-thin(실시예 6), PZ-70-thin(비교예 8)로 명명하였다.A PZ-x-thin series was prepared in the same manner as in Example 1, except that 2.7% by weight of the mixture was bar-coated on the gutter layer of the surface of the polysulfone support of Example 1. At this time, the thickness of the selective layer of each PZ-x-thin series was 0.25 μm, the dense layer had a thickness of 0.05 μm, and the porous layer had a thickness of 0.2 μm, forming thinner films. The PZ-x-thin series is PZ-10-thin (Comparative Example 5), PZ-20-thin (Comparative Example 6), PZ-30-thin (Comparative Example 7), PZ-40-thin (Example 4 ), PZ-50-thin (Example 5), PZ-60-thin (Example 6), and PZ-70-thin (Comparative Example 8).
실험예 1: FT-IR 및 DSC 분석Experimental Example 1: FT-IR and DSC analysis
상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 4에서 합성된 PVI-POEM 공중합체, ZIF-8 및 PZ-x 시리즈(혼합 매질 분리막)에 대하여 FT-IR 분석 및 시차주사열량분석법(Differential Scanning Calorimetry, DSC)을 이용하여 각 결과물의 구조와 유리전이온도를 분석하였다. 그 결과는 도 1에 나타내었다. FT-IR analysis and differential scanning calorimetry (Differential Scanning Calorimetry, DSC) was used to analyze the structure and glass transition temperature of each product. The results are shown in Figure 1.
도 1은 상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 4에서 합성된 PVI-POEM 공중합체의 합성 모식도(a), PVI-POEM 공중합체, ZIF-8 및 PZ-x 시리즈의 FT-IR 그래프(b) 및 PVI-POEM 공중합체와 PZ-x 시리즈의 DSC 그래프(c) 분석 결과를 나타낸 것이다.1 is a schematic diagram of the synthesis of PVI-POEM copolymers synthesized in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 4 (a), FT-IR graphs of PVI-POEM copolymers, ZIF-8 and PZ-x series ( b) and DSC graph (c) analysis results of the PVI-POEM copolymer and the PZ-x series.
상기 도 1의 (a)를 참조하면, PEG 그룹이 있는 POEM과 이미다졸링(imidazole ring)이 있는 VI를 자유 라디칼 중합법으로 합성하여 PVI-POEM 공중합체를 합성하는 과정을 보여준다. Referring to (a) of FIG. 1, a process of synthesizing a PVI-POEM copolymer by synthesizing POEM with a PEG group and VI with an imidazole ring by free radical polymerization is shown.
상기 도 1의 (b)를 참조하면, 상기 PVI-POEM 공중합체는 PEG의 C-O와 이미다졸(imidazole)의 C-N을 동시에 포함하고 있는 것을 확인할 수 있었다. 한편, 상기 PZ-x 시리즈의 경우 특이하게도 ZIF-8이 첨가됨에 따라 ZIF-8의 2-메틸이미다졸링(2-methylimidazole ring)에는 없는 PVI에만 존재하는 이미다졸링(imidazole ring)의 C-N 밴드 세기(band intensity)가 상대적으로 증가하는 경향을 보이는데 이는 상기 PVI-POEM 공중합체와 금속-유기 골격체 사이에 상호작용(interaction)이 매우우수함을 의미한다. 또한 상기 ZIF-8에서만 볼 수 있는 밴드들이 점차적으로 ZIF-8의 함량에 따라 증가하는 것을 확인할 수 있었다.Referring to (b) of FIG. 1, it was confirmed that the PVI-POEM copolymer simultaneously contained C-O of PEG and C-N of imidazole. On the other hand, in the case of the PZ-x series, uniquely, as ZIF-8 is added, the C-N band of the imidazole ring present only in PVI, which is not present in the 2-methylimidazole ring of ZIF-8 The band intensity tended to increase relatively, which means that the interaction between the PVI-POEM copolymer and the metal-organic framework was very good. In addition, it was confirmed that the bands visible only in the ZIF-8 gradually increased according to the content of ZIF-8.
또한 상기 도 1의 (c)를 참조하면, 일반적인 혼합 매질 분리막(MMM)과는 다르게 ZIF-8의 첨가량이 적을수록 유리전이온도(glass transition temperature, Tg)가 점점 감소하는데, 이는 PVI-POEM 공중합체 자체가 완전 고체상태가 아닌 젤 상태이고, 자체 상호작용이 좋기 때문임을 알 수 있었다. 또한 오히려 자유부피(free volume)가 늘어나서 투과도가 더 증가할 수 있음을 짐작할 수 있었다.In addition, referring to (c) of FIG. 1, unlike the general mixed media separator (MMM), the glass transition temperature (Tg) gradually decreases as the amount of ZIF-8 added decreases, which is It was found that the coalescence itself was in a gel state rather than a complete solid state, and the self-interaction was good. In addition, it was conjectured that the permeability could be further increased by increasing the free volume.
실험예 2: XRD, TGA 및 XPS 분석Experimental Example 2: XRD, TGA and XPS analysis
상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 4에서 합성된 PVI-POEM 공중합체, ZIF-8 및 PZ-x 시리즈(혼합 매질 분리막)에 대하여 XRD, TGA 및 XPS 분석을 이용하여 각 결과물의 구성을 분석하였다. 그 결과는 도 2 및 표 2에 나타내었다. For the PVI-POEM copolymers, ZIF-8 and PZ-x series (mixed medium separators) synthesized in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 4, the composition of each result was analyzed using XRD, TGA and XPS analysis. analyzed. The results are shown in Figure 2 and Table 2.
도 2는 상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 4에서 합성된 PVI-POEM 공중합체, ZIF-8 및 PZ-x 시리즈의 XRD 결과 그래프(a), TGA 결과 그래프(b) 및 XPS 분석 결과 그래프(c, d, e)이다.Figure 2 is a graph of XRD results (a), a graph of TGA results (b) and XPS analysis results of the PVI-POEM copolymers, ZIF-8 and PZ-x series synthesized in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 4 These are the graphs (c, d, e).
상기 도 2의 (a) 및 (b)를 참조하면, 상기 ZIF-8의 첨가량이 증가할수록 ZIF-8의 결정성(crystallinity)이 높으며, 800 ℃ 이후의 잔여량이 남아있음을 각각 확인할 수 있었다. 이를 통해 상기 ZIF-8은 결정성이 매우 높고 고온에서 탄화되고 남은 탄소들에 의해 다공성의 기공 구조를 나타냄을 알 수 있었다.Referring to (a) and (b) of FIG. 2, it was confirmed that the crystallinity of ZIF-8 increased as the addition amount of ZIF-8 increased, and the residual amount remained after 800 ° C. Through this, it was found that the ZIF-8 had a very high crystallinity and exhibited a porous pore structure due to remaining carbons after being carbonized at a high temperature.
또한 상기 도 2의 (c, d, e)를 참조하면, 상기 PVI-POEM 공중합체는 공중합체 자체가 가지고 있는 C-C와 C-N, C=N 결합을 모두 확인할 수 있었고, PZ-x 시리즈에서는 피크 세기(peak intensity)가 상대적으로 낮아지는 것을 확인하였다. 특히, O 1s 영역(region)에서 상기 ZIF-8의 첨가량이 증가됨에 따라 C-O의 바인딩 에너지(binding energy)가 크게 변화한 것을 확인하였다. 이는 상기 ZIF-8에 의해 C-O의 세기가 변화하는, 즉 상호작용(interaction)이 존재하는 것임을 알 수 있었다. 이러한 XPS 결과 그래프로부터 도출된 원소별 원자비는 하기 표 2에 나타내었다.In addition, referring to (c, d, e) of FIG. 2, the PVI-POEM copolymer was able to confirm all of the C-C, C-N, and C=N bonds of the copolymer itself, and in the PZ-x series, the peak intensity (peak intensity) was confirmed to be relatively low. In particular, it was confirmed that the binding energy of C-O significantly changed as the addition amount of ZIF-8 increased in the O 1s region. It was found that the intensity of C-O is changed by the ZIF-8, that is, an interaction exists. The atomic ratio of each element derived from the XPS result graph is shown in Table 2 below.
상기 표 2를 살펴보면, 상기 ZIF-8의 첨가량이 증가할수록 Zn의 양이 점점 비례하여 증가하는 것을 확인할 수 있었다. Referring to Table 2, it was confirmed that the amount of Zn gradually increased proportionally as the addition amount of ZIF-8 increased.
실험예 3-1: FE-SEM 분석Experimental Example 3-1: FE-SEM analysis
상기 실시예 4 내지 6 및 비교예 5 내지 7에서 합성된 PZ-x-thin 시리즈(혼합 매질 분리막)에 대하여 단면 구조를 확인하기 위해 FE-SEM 분석을 실시하였다. 그 결과는 도 3에 나타내었다. FE-SEM analysis was performed to confirm the cross-sectional structure of the PZ-x-thin series (mixed medium separator) synthesized in Examples 4 to 6 and Comparative Examples 5 to 7. The results are shown in Figure 3.
도 3은 상기 실시예 4 내지 6 및 비교예 5 내지 7에서 합성된 PZ-x-thin 시리즈(혼합 매질 분리막)에 대한 FE-SEM 단면 사진(a 내지 f)과 PZ-x-thin 혼합 매질 분리막의 제조 과정을 개략적으로 나타낸 모식도(g)이다. 상기 도 3에서 FE-SEM 단면 사진은 각각 (a) PZ-10-thin(비교예 5), (b) PZ-20-thin(비교예 6), (c) PZ-30-thin(비교예 7), (d) PZ-40-thin(실시예 4), (e) PZ-50-thin(실시예 5), (f) PZ-60-thin(실시예 6)을 나타내었다.3 is FE-SEM cross-section photographs (a to f) of the PZ-x-thin series (mixed medium separator) synthesized in Examples 4 to 6 and Comparative Examples 5 to 7 and PZ-x-thin mixed medium separators. It is a schematic diagram (g) schematically showing the manufacturing process of. In FIG. 3, FE-SEM cross-sectional images are (a) PZ-10-thin (Comparative Example 5), (b) PZ-20-thin (Comparative Example 6), and (c) PZ-30-thin (Comparative Example), respectively. 7), (d) PZ-40-thin (Example 4), (e) PZ-50-thin (Example 5), and (f) PZ-60-thin (Example 6).
상기 도 3의 (a) 내지 (f)를 살펴보면, 상기 PZ-x-thin 시리즈는 선택층을 형성한 후 전체 두께 약 500 nm 이하의 매우 얇은 혼합 매질 분리막을 제조할 수 있음을 확인하였다. 또한 상기 선택층은 폴리설폰 지지체에 스며들지 않고 막을 성공적으로 형성할 수 있음을 알 수 있었다.Looking at (a) to (f) of FIG. 3, it was confirmed that the PZ-x-thin series can manufacture a very thin mixed medium separator having a total thickness of about 500 nm or less after forming a selective layer. In addition, it was found that the selective layer could successfully form a film without permeating into the polysulfone support.
또한 상기 도 3의 (g)를 살펴보면, 상기 ZIF-8의 로딩량이 30 중량% 이하로 낮은 경우 일반적인 혼합 매질 분리막 구조를 나타내며 비교적 얇은 두께의 분리막이 형성되는 것을 보여주고 있다. 반면에 상기 ZIF-8의 로딩량이 30 중량% 초과로 높은 경우 다공성 고분자 지지체 상에 매우 얇은 두께의 조밀층과 그 위에 상대적으로 두꺼운 두께의 다공성층이 비대칭성 구조로 형성된 선택층을 보여준다. 이러한 선택층의 비대칭성 구조는 다공성층의 기공을 통해 모든 기체가 매우 빠르게 투과할 수 있고, 조밀층을 통과하면서 이산화탄소만을 선택적으로 분리할 수 있음을 알 수 있었다.In addition, (g) of FIG. 3 shows that when the loading amount of ZIF-8 is as low as 30% by weight or less, a typical mixed medium separator structure is formed and a relatively thin separator film is formed. On the other hand, when the loading amount of the ZIF-8 is higher than 30% by weight, a very thin dense layer on a porous polymer support and a relatively thick porous layer thereon show an asymmetric selective layer. It was found that the asymmetric structure of the selective layer allows all gases to permeate very quickly through the pores of the porous layer, and only carbon dioxide can be selectively separated while passing through the dense layer.
실험예 3-2: FE-SEM 분석Experimental Example 3-2: FE-SEM analysis
상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 4에서 합성된 PZ-x 시리즈(혼합 매질 분리막)에 대하여 단면 구조를 확인하기 위해 FE-SEM 분석을 실시하였다. 그 결과는 도 4에 나타내었다. FE-SEM analysis was performed to confirm the cross-sectional structure of the PZ-x series (mixed medium separator) synthesized in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 4. The results are shown in FIG. 4 .
도 4는 상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 4에서 합성된 PZ-x 시리즈(혼합 매질 분리막)에 대한 FE-SEM 단면 사진(a 내지 f)이다. 상기 도 4에서 FE-SEM 단면 사진은 각각 (a) PZ-10, (b) PZ-20, (c) PZ-30, (d) PZ-40, (e) PZ-50, (f) PZ-60을 나타내었다. 4 is FE-SEM cross-sectional photographs (a to f) of the PZ-x series (mixed medium separator) synthesized in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 4. 4, FE-SEM cross-sectional images are (a) PZ-10, (b) PZ-20, (c) PZ-30, (d) PZ-40, (e) PZ-50, (f) PZ showed -60.
상기 도 4를 참조하면, 상기 PZ-x 시리즈는 상기 도 3의 PZ-x-thin 시리즈와 비교하여 좀 더 두꺼운 선택층이 형성되었으며, 분명한 비대칭적인(asymmetric) 구조를 나타냄을 확인할 수 있었다. 상기 PZ-x-thin 시리즈와 마찬가지로 선택층의 상단은 다공성층으로 이루어져 있어 기체가 매우 빠르게 투과할 수 있는 구조를 형성하고, 하단은 매우 얇은 조밀층을 형성함을 확인하였다. 이를 통해 기체가 빠르게 투과할 수 있음과 동시에 매우 얇은 막에서만 분리가 일어나 높은 투과도와 상당한 선택도를 달성할 수 있음을 알 수 있었다.Referring to FIG. 4, it was confirmed that the PZ-x series had a thicker selection layer compared to the PZ-x-thin series of FIG. 3 and exhibited a clear asymmetric structure. As in the PZ-x-thin series, it was confirmed that the top of the selective layer was composed of a porous layer, forming a structure through which gas could pass very quickly, and a very thin dense layer was formed at the bottom. Through this, it was found that gas can permeate quickly and at the same time, separation occurs only in a very thin membrane to achieve high permeability and considerable selectivity.
실험예 4: AFM 분석Experimental Example 4: AFM analysis
상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에서 합성된 PZ-x 시리즈(혼합 매질 분리막)와 순수 PVI-POEM 고분자막에 대하여 단면 구조를 확인하기 위해 AFM 분석을 실시하였다. 그 결과는 도 5에 나타내었다. AFM analysis was performed to confirm the cross-sectional structure of the PZ-x series (mixed medium separator) and the pure PVI-POEM polymer membrane synthesized in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1. The results are shown in FIG. 5 .
도 5는 순수 PVI-POEM 고분자막(a), 비교예 1(b), 실시예 1(c) 및 실시예 2(d)에서 합성된 PZ-x 시리즈(혼합 매질 분리막)에 대한 AFM 결과 사진이다. 상기 도 5의 (a)를 참조하면, 상기 PVI-POEM 고분자 분리막의 경우 표면이 매끈하여 거칠기 계수(roughness factor, Rq)가 매우 낮게 측정되었다. 반면에 상기 비교예 1(PZ-10)의 경우 Rq가 매우 많이 증가하였고, 비대칭성을 갖는 상기 실시예 1(PZ-40) 및 실시예 2(PZ-50)은 상기 비교예 1(PZ-10) 보다는 덜 울퉁불퉁하지만 다공성의 표면 때문에 여전히 높은 Rq 값이 측정되었다. 이는 혼합 매질 분리막이 잘 형성되었음을 의미하는 구조적인 특징이었다.5 is a photograph of the AFM results for the PZ-x series (mixed media separator) synthesized in pure PVI-POEM polymer membrane (a), Comparative Example 1 (b), Example 1 (c) and Example 2 (d) . Referring to (a) of FIG. 5, in the case of the PVI-POEM polymer separator, the surface was smooth and the roughness factor (Rq) was measured to be very low. On the other hand, in the case of Comparative Example 1 (PZ-10), Rq increased very much, and in Example 1 (PZ-40) and Example 2 (PZ-50) having asymmetry, 10), but still high Rq values were measured because of the porous surface. This was a structural feature indicating that the mixed medium separator was well formed.
실험예 5: 기체 분리막의 기체 투과도 및 선택도 분석Experimental Example 5: Gas Permeability and Selectivity Analysis of Gas Separation Membrane
상기 실시예 1 내지 6 및 비교예 1 내지 7에서 합성된 PZ-x 시리즈, PZ-x-thin 시리즈(혼합 매질 분리막)와 순수 PVI-POEM 고분자막을 기체 분리막으로 적용하여 기체투과 장치 및 flow meter를 이용하여 기체 투과도 및 선택도의 분리성능을 확인하였다. 추가로 폴리설폰 지지체에 대해 투과도가 11300 GPU로 높은 지지체와 투과도가 6200 GPU로 낮은 지지체를 사용하여 기체 투과 성능을 분석하였다. 그 결과는 도 6 및 표 3에 나타내었다. The PZ-x series, PZ-x-thin series (mixed medium separation membrane) and the pure PVI-POEM polymer membrane synthesized in Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 7 were applied as gas separation membranes to produce gas permeation devices and flow meters. Separation performance of gas permeability and selectivity was confirmed by using. In addition, gas permeation performance was analyzed using a support having a high permeability of 11300 GPU and a support having a low permeability of 6200 GPU for the polysulfone support. The results are shown in Figure 6 and Table 3.
도 6은 상기 순수 PVI-POEM 고분자 분리막과 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 4에서 합성된 PZ-x 시리즈(혼합 매질 분리막)에 대하여 (a) 투과도가 i) 높은, ii) 낮은 지지체를 사용한 CO2/CH4 분리 성능 그래프(PZ-x 시리즈), (b) 상기 순수 PVI-POEM-thin 고분자 분리막과 실시예 4 내지 6 및 비교예 6 내지 8에서 합성된 PZ-x-thin 시리즈의 CO2/CH4 분리 성능 그래프, (c) 상기 PZ-x-thin 시리즈의 CO2/N2 분리 성능 그래프, (d) 상기 실시예 5(PZ-50-thin)의 시간에 따른 안정성(stability) 측정 그래프를 나타낸 것이다.FIG. 6 shows support materials having (a) high permeability and ii) low permeability for the pure PVI-POEM polymer separator and the PZ-x series (mixed medium separator) synthesized in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 4 CO 2 /CH 4 separation performance graph (PZ-x series), (b) of the pure PVI-POEM-thin polymer membrane and the PZ-x-thin series synthesized in Examples 4 to 6 and Comparative Examples 6 to 8 CO 2 /CH 4 separation performance graph, (c) CO 2 /N 2 separation performance graph of the PZ-x-thin series, (d) stability over time of Example 5 (PZ-50-thin) ) shows the measurement graph.
상기 도 6의 (a)를 참조하면, 상기 폴리설폰 지지체의 투과도에 따라 실제 PZ-x 분리막의 성능에 어느 정도 영향을 끼치는지 분석해본 결과 실제로 지지체의 투과도가 높을수록 전체 막의 투과도도 높아진다는 것을 확인하였다. 일반적으로 지지체의 투과도는 실제 분리막과 연관이 많지 않다는 결과가 많은데, 상기 결과에서는 극도로 얇은 분리막을 제조함으로 인해 막의 투과도가 향상된 것임을 알 수 있었다.Referring to FIG. 6 (a), as a result of analyzing how much the permeability of the polysulfone support affects the performance of the actual PZ-x separation membrane, the higher the permeability of the support, the higher the permeability of the entire membrane. Confirmed. In general, there are many results in which the permeability of the support is not related to the actual separation membrane. From the above results, it can be seen that the permeability of the membrane is improved by manufacturing an extremely thin separation membrane.
또한 상기 도 6의 (b) 및 (c)를 참조하면, 더 높은 투과도를 달성하기 위해 제조한 상기 PZ-x-thin 시리즈의 경우 CO2/N2 투과도와 CO2/CH4 투과도가 모두 연소 후 표적(post-combustion target)을 훨씬 뛰어넘는 높은 투과도를 달성하였다.In addition, referring to (b) and (c) of FIG. 6, in the case of the PZ-x-thin series prepared to achieve higher permeability, both the CO 2 /N 2 permeability and the CO 2 /CH 4 permeability are burned. A high transmittance far exceeding that of the post-combustion target was achieved.
하기 표 3은 상기 PZ-x 시리즈 및 PZ-x-thin 시리즈와 기존의 다른 기체 분리막에 대하여 추가로 기체 분리성능을 평가한 결과를 나타낸 것이다.Table 3 below shows the results of evaluating the gas separation performance of the PZ-x series and the PZ-x-thin series and other conventional gas separation membranes.
상기 표 3의 결과에 의하면, 상기 실시예 1 내지 6의 경우 상기 비교예 1 내지 8과 비교하여 이산화탄소, 질소 및 메탄에 대하여 기체 투과도가 현저하게 향상되었을 뿐만 아니라 이들 기체 중 이산화탄소에 대한 선택도가 우수한 수치를 보임을 확인하였다. 특히 상기 실시예 4 내지 6의 경우 초박막형과 비대칭성 구조로 이루어져 가장 우수한 기체 투과도 및 선택도 성능을 나타냄을 확인하였다. According to the results of Table 3, in the case of Examples 1 to 6, compared to Comparative Examples 1 to 8, not only the gas permeability to carbon dioxide, nitrogen and methane was significantly improved, but also the selectivity for carbon dioxide among these gases It was confirmed that it showed excellent figures. In particular, in the case of Examples 4 to 6, it was confirmed that the ultra-thin film type and the asymmetric structure exhibited the best gas permeability and selectivity performance.
반면에 상기 비교예 1 내지 8의 경우 이산화탄소 투과도는 대체적으로 높은 수치를 보였으나, ZIF-8의 함량이 적어 선택층이 비대칭성 구조의 막이 형성되지 않아 기체 투과도가 매우 저조한 것을 확인하였다. 또한 기존의 기체 분리막의 경우 이산화탄소 선택도는 가장 우수한 수치들을 보였으나, 상대적으로 기체 투과도가 현저하게 낮은 수치를 보였다.On the other hand, in the case of Comparative Examples 1 to 8, the carbon dioxide permeability was generally high, but the content of ZIF-8 was low, so it was confirmed that the selective layer did not form an asymmetric membrane, so the gas permeability was very low. In addition, in the case of the conventional gas separation membrane, the carbon dioxide selectivity showed the best values, but the gas permeability showed a remarkably low value.
실험예 6: 기체 분리막의 기체 투과도 및 선택도 분석Experimental Example 6: Gas Permeability and Selectivity Analysis of Gas Separation Membrane
상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 4에서 합성된 PZ-x 시리즈(혼합 매질 분리막)를 이용한 기체 분리막에 대하여 결함 없이 높은 선택도를 달성할 수 있는 이유를 확인하기 위해 분자 역학(molecular dynamics) 시뮬레이션 분석을 실시하였다. 그 결과는 도 7 내지 9에 나타내었다. Molecular dynamics simulation to confirm why high selectivity can be achieved without defects for the gas separation membrane using the PZ-x series (mixed media membrane) synthesized in Examples 1 to 3 and Comparative Example 4 analysis was performed. The results are shown in Figures 7 to 9.
도 7은 상기 실시예 1 내지 3(d, c, b) 및 비교예 4(a)에서 합성된 PZ-x 시리즈(혼합 매질 분리막)를 이용한 기체 분리막에 대하여 ZIF-8과 PVI-POEM 비율에 따른 ZIF-8 표면에 고분자의 거리(distance) 비교 그래프이다. 상기 도 7을 참조하면, 상기 PVI-POEM 공중합체의 함량이 줄어듬에 따라 ZIF-8 표면에서 고분자 사슬 사이의 거리가 줄어들면서 결함(defect)이 사라지는 결과를 확인하였다. 여기서, 상기 그래프의 y축은 ZIF-8의 표면에서 고분자 사이의 거리를 의미하였다.7 shows the ratio of ZIF-8 and PVI-POEM for gas separation membranes using the PZ-x series (mixed medium membrane) synthesized in Examples 1 to 3 (d, c, b) and Comparative Example 4 (a). This is a graph comparing the distance of the polymer to the ZIF-8 surface according to Referring to FIG. 7, it was confirmed that as the content of the PVI-POEM copolymer decreased, the distance between polymer chains on the surface of ZIF-8 decreased and defects disappeared. Here, the y-axis of the graph means the distance between the polymers on the surface of ZIF-8.
도 8은 상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 4에서 합성된 PZ-x 시리즈(혼합 매질 분리막)를 이용한 기체 분리막에 대하여 ZIF-8:PVI-POEM의 혼합비가 각각 (a) 80:20(비교예 4), (b) 60:40(실시예 3), (c) 50:50(실시예 2) 및 (d) 40:60(실시예 1)의 구성 비율에 따른 자유 부피(free volume)와 다공성도(porosity)를 계산한 결과이다. 상기 도 8을 참조하면, 다공성도를 계산한 결과 상기 ZIF-8의 함량에 따라 다공성도(porosity)가 오히려 감소하는 것을 확인하였는데, 이는 PVI-POEM 공중합체와 ZIF-8 사이의 결함이 사라져 그 요인이 다공성도 감소로 이어진 것임을 알 수 있었다. 8 shows a gas separation membrane using the PZ-x series (mixed medium separation membrane) synthesized in Examples 1 to 3 and Comparative Example 4 at a mixing ratio of ZIF-8:PVI-POEM of (a) 80:20 (comparison) Example 4), (b) 60:40 (Example 3), (c) 50:50 (Example 2) and (d) 40:60 (Example 1) free volume according to the composition ratio is the result of calculating the porosity. Referring to FIG. 8, as a result of calculating the porosity, it was confirmed that the porosity rather decreased according to the content of the ZIF-8, which is due to the disappearance of defects between the PVI-POEM copolymer and ZIF-8. It was found that the factor led to the decrease in porosity.
도 9는 상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 4에서 합성된 PZ-x 시리즈(혼합 매질 분리막)를 이용한 기체 분리막에 대하여 (a, b) CO2, (c, d) CH4, (e, f) N2와 PZ-x 시리즈 간의 에너지 프로파일 그래프와 (g) CO2/CH4 및 (h) CO2/N2의 상대적인 상호작용 에너지 플롯(interaction energy plot) 그래프를 나타낸 것이다.9 shows (a, b) CO 2 , (c, d) CH 4 , (e, f) An energy profile graph between N 2 and PZ-x series and (g) CO 2 /CH 4 and (h) CO 2 /N 2 relative interaction energy plot graphs are shown.
상기 도 9를 참조하면, CO2, CH4 및 N2의 상대적인 상호작용 에너지를 계산한 결과 상기 실시예 2(ZIF-8:PVI-POEM= 50:50) 및 실시예 3(ZIF-8:PVI-POEM =60:40)에서 매우 높은 이산화탄소 상호작용을 나타냄을 확인하였고, 이를 통해 높은 기체 투과도 및 선택도를 보여주는 것을 알 수 있었다.Referring to FIG. 9, as a result of calculating the relative interaction energies of CO 2 , CH 4 and N 2 , Example 2 (ZIF-8:PVI-POEM= 50:50) and Example 3 (ZIF-8: PVI-POEM = 60:40) was confirmed to exhibit a very high carbon dioxide interaction, and through this, it was found to show high gas permeability and selectivity.
이상과 같이, 본 발명의 실시예 1 내지 6에서 제조된 혼합 매질 분리막은 PVI-POEM 공중합체와 ZIF-8 간의 계면 상호작용이 매우 우수하여 결함이 없는 선택층을 형성할 수 있으며, 비대칭성 구조로 인해 이산화탄소가 매우 빠르게 투과하여 상당히 높은 이산화탄소 선택도 및 투과도를 유지할 수 있음을 확인하였다. 즉, 비대칭적인 구조 때문에 CO2 투과도(permeance)가 비약적으로 상승하여 CO2 연소 타겟 영역(combustion target area)(> 2000 GPU, 20 CO2/N2 selectivity)을 훌쩍 뛰어넘는 매우 높은 성능을 달성하였다. 특히 상기 실시예 5(PZ-50-thin)의 경우 CO2 투과도가 4474 GPU였고, CO2/N2 선택도가 32.0 였으며, CO2/CH4 선택도가 12.4를 달성함으로써 가장 우수한 기체 투과도 및 선택도를 나타내었다. As described above, the mixed medium separator prepared in Examples 1 to 6 of the present invention has very excellent interfacial interaction between the PVI-POEM copolymer and ZIF-8, so that a selective layer without defects can be formed, and the asymmetric structure Due to this, it was confirmed that carbon dioxide permeated very quickly and significantly high carbon dioxide selectivity and permeability could be maintained. That is, because of the asymmetric structure, CO 2 permeance dramatically increased, achieving very high performance far exceeding the CO 2 combustion target area (> 2000 GPU, 20 CO 2 /N 2 selectivity). . In particular, in the case of Example 5 (PZ-50-thin), the CO 2 permeability was 4474 GPU, the CO 2 /N 2 selectivity was 32.0, and the CO 2 /CH 4 selectivity was 12.4, thereby achieving the best gas permeability and Selectivity was shown.
Claims (24)
상기 선택층은 하기 화학식 1로 표시되는 폴리비닐이미다졸(PVI)-폴리옥시에틸렌메타크릴레이트(POEM) 공중합체를 포함하는 고분자 매트릭스 및 제1 금속-유기 골격체(metal-organic framework, MOF)를 포함하는 조밀층; 및
상기 조밀층의 상부에 위치하면서 제2 금속-유기 골격체로 이루어진 다공성층;을 포함하는 기체 분리용 혼합 매질 분리막.
[화학식 1]
(상기 화학식 1에서,
x 및 y는 각 반복단위의 반복수로서, x는 5 내지 50이고, y는 50 내지 120이며, x:y는 10:90 내지 40:60이고,
n은 1 내지 30의 정수이다.)
porous polymer support; and a selective layer formed on one or both surfaces of the porous polymer support. A mixed medium separation membrane for gas separation comprising:
The optional layer is a polymer matrix including a polyvinylimidazole (PVI)-polyoxyethylene methacrylate (POEM) copolymer represented by Formula 1 below and a first metal-organic framework (MOF). ) Dense layer comprising; and
A mixed medium separation membrane for gas separation comprising: a porous layer made of a second metal-organic framework and positioned on top of the dense layer.
[Formula 1]
(In Formula 1 above,
x and y are the repeating numbers of each repeating unit, x is 5 to 50, y is 50 to 120, x:y is 10:90 to 40:60,
n is an integer from 1 to 30.)
상기 다공성 고분자 지지체는 폴리설폰, 폴리에스터설폰, 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리옥시메틸렌, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리아크릴로니트릴, 셀룰로스아세테이트, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리아미드이미드, 폴리에테르이미드, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐알코올 및 폴리아릴레이트로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것인 기체 분리용 혼합 매질 분리막.
According to claim 1,
The porous polymer support is polysulfone, polyestersulfone, polymethyl methacrylate, polyethylene, polypropylene, polyoxymethylene, polyether ether ketone, polyethylene terephthalate, polyacrylonitrile, cellulose acetate, polyamide, polyimide, A mixed medium separation membrane for gas separation, which is at least one selected from the group consisting of polyamideimide, polyetherimide, polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, and polyarylate.
상기 다공성 고분자 지지체는 표면이 폴리(1-트리메틸실릴-1-프로핀)으로 코팅된 표면 코팅층을 더 포함하는 것인 기체 분리용 혼합 매질 분리막.
According to claim 1,
The porous polymer support further comprises a surface coating layer coated with poly (1-trimethylsilyl-1-propyne) on the surface of the mixed medium separation membrane for gas separation.
상기 화학식 1에서 x 및 y는 각 반복단위의 반복수로서, x는 15 내지 40이고, y는 60 내지 90이며, x:y는 25:75 내지 35:65이고, n은 5 내지 12의 정수인 것인 기체 분리용 혼합 매질 분리막.
According to claim 1,
In Formula 1, x and y are the repeating numbers of each repeating unit, x is 15 to 40, y is 60 to 90, x: y is 25:75 to 35:65, and n is an integer of 5 to 12 A mixed medium separation membrane for gas separation.
상기 제1 및 제2 금속 유기 골격체는 선택층 100 중량%에 대하여 35 내지 65 중량%를 포함하는 것인 기체 분리용 혼합 매질 분리막.
According to claim 1,
The mixed medium separation membrane for gas separation, wherein the first and second metal organic frameworks contain 35 to 65% by weight based on 100% by weight of the selective layer.
상기 제1 및 제2 금속 유기 골격체는 Zn 기반 제올라이트 이미다졸 골격체(zeolitic imidazole framework, ZIF)인 것인 기체 분리용 혼합 매질 분리막.
According to claim 1,
Wherein the first and second metal-organic frameworks are Zn-based zeolitic imidazole frameworks (ZIF), a mixed medium separation membrane for gas separation.
상기 Zn 기반 제올라이트 이미다졸 골격체는 ZIF-7, ZIF-8, ZIF-22, ZIF-90, ZIF-8-90 및 ZIF-7-8로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것인 기체 분리용 혼합 매질 분리막.
According to claim 6,
The Zn-based zeolite imidazole skeleton is at least one selected from the group consisting of ZIF-7, ZIF-8, ZIF-22, ZIF-90, ZIF-8-90 and ZIF-7-8. medium separator.
상기 Zn 기반 제올라이트 이미다졸 골격체의 아연(Zn) 함유량은 상기 선택층에 포함된 총 원자수를 기준으로 4 내지 10 원자%를 포함하는 것인 기체 분리용 혼합 매질 분리막.
According to claim 6,
The mixed medium separation membrane for gas separation, wherein the zinc (Zn) content of the Zn-based zeolite imidazole framework comprises 4 to 10 atomic% based on the total number of atoms included in the selective layer.
상기 선택층은 두께가 0.01 내지 1 ㎛인 조밀층과 두께가 0.1 내지 5 ㎛인 다공성층으로 이루어진 비대칭성 구조를 가지는 것인 기체 분리용 혼합 매질 분리막.
According to claim 1,
The mixed medium separation membrane for gas separation, wherein the selective layer has an asymmetric structure composed of a dense layer having a thickness of 0.01 to 1 μm and a porous layer having a thickness of 0.1 to 5 μm.
상기 선택층은 AFM 분석 결과 표면 거칠기 계수(roughness factor, Rq)가 70 내지 85 nm이고, 다공성도(porosity)가 54 내지 71%인 것인 기체 분리용 혼합 매질 분리막.
According to claim 1,
The selective layer has a surface roughness factor (Rq) of 70 to 85 nm and a porosity of 54 to 71% as a result of AFM analysis.
상기 기체는 이산화탄소, 질소 및 메탄 중에서 선택된 1종 이상인 것인 기체 분리용 혼합 매질 분리막.
According to claim 1,
The mixed medium separation membrane for gas separation, wherein the gas is at least one selected from carbon dioxide, nitrogen, and methane.
A gas separation membrane comprising the mixed medium separation membrane according to any one of claims 1 to 11.
상기 기체 분리막은 이산화탄소(CO2) 투과도가 2058 GPU 이상이고, 이산화탄소/질소(CO2/N2) 선택도가 22.1 이상이고, 이산화탄소/메탄(CO2/CH4) 선택도가 9.7 이상인 것인 기체 분리막.
According to claim 12,
The gas separation membrane has a carbon dioxide (CO 2 ) permeability of 2058 GPU or more, a carbon dioxide / nitrogen (CO 2 / N 2 ) selectivity of 22.1 or more, and a carbon dioxide / methane (CO 2 / CH 4 ) selectivity of 9.7 or more. gas separation membrane.
A gas separation module comprising the gas separation membrane of claim 12.
A gas separation device comprising the gas separation membrane of claim 12.
금속 전구체 및 유기 전구체를 혼합하여 금속 유기 골격체(metal-organic framework, MOF)를 제조하는 단계;
용매에 상기 폴리비닐이미다졸(PVI)-폴리옥시에틸렌메타크릴레이트(POEM) 공중합체 및 상기 금속 유기 골격체를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계;
다공성 고분자 지지체 상부의 일면 또는 양면에 상기 혼합물을 코팅하여 선택층을 형성하는 단계; 및
상기 선택층이 형성된 다공성 고분자 지지체를 건조시켜 기체 분리용 혼합 매질 분리막을 제조하는 단계;
를 포함하는 기체 분리용 혼합 매질 분리막의 제조방법.
[화학식 1]
(상기 화학식 1에서,
x 및 y는 각 반복단위의 반복수로서, x는 5 내지 50이고, y는 50 내지 120이며, x:y는 10:90 내지 40:60이고,
n은 1 내지 30의 정수이다.)
Polyvinylimidazole (PVI)-polyoxyethylene methacrylate (POEM) represented by Formula 1 is obtained by polymerizing polyoxyethylene methacrylate (POEM) with polyvinylimidazole (PVI) in the presence of an initiator. Preparing a coalescence;
preparing a metal-organic framework (MOF) by mixing a metal precursor and an organic precursor;
preparing a mixture by mixing the polyvinylimidazole (PVI)-polyoxyethylene methacrylate (POEM) copolymer and the metal organic framework in a solvent;
forming a selective layer by coating the mixture on one or both surfaces of an upper portion of the porous polymer support; and
drying the porous polymer support on which the selective layer is formed to prepare a mixed medium separation membrane for gas separation;
Method for producing a mixed medium separation membrane for gas separation comprising a.
[Formula 1]
(In Formula 1 above,
x and y are the repeating numbers of each repeating unit, x is 5 to 50, y is 50 to 120, x:y is 10:90 to 40:60,
n is an integer from 1 to 30.)
상기 금속 유기 골격체는 상기 혼합물 100 중량%에 대하여 35 내지 65 중량%를 혼합하는 것인 기체 분리용 혼합 매질 분리막의 제조방법.
According to claim 16,
The method of manufacturing a mixed medium separation membrane for gas separation, wherein the metal organic framework is mixed in an amount of 35 to 65% by weight based on 100% by weight of the mixture.
상기 용매는 물, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 이소프로판올, 테트라하이드로퓨란, 에틸아세테이트, 클로로포름, 디메틸설폭사이드, 디메틸포름아미드 및 N-메틸-2-피롤리돈으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것인 기체 분리용 혼합 매질 분리막의 제조방법.
According to claim 16,
The solvent is at least one selected from the group consisting of water, methanol, ethanol, propanol, butanol, isopropanol, tetrahydrofuran, ethyl acetate, chloroform, dimethyl sulfoxide, dimethylformamide and N-methyl-2-pyrrolidone Method for manufacturing a mixed medium separation membrane for phosphorus gas separation.
상기 선택층을 형성하는 단계 전에, 상기 다공성 고분자 지지체의 표면에 폴리(1-트리메틸실릴-1-프로핀)을 이용하여 표면 코팅층을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것인 기체 분리용 혼합 매질 분리막의 제조방법.
According to claim 16,
Before forming the selective layer, forming a surface coating layer on the surface of the porous polymer support by using poly(1-trimethylsilyl-1-propyne); a mixed medium separation membrane for gas separation that further comprises Manufacturing method of.
상기 선택층을 형성하는 단계에서 선택층의 코팅량은 2 내지 10 중량%인 것인 기체 분리용 혼합 매질 분리막의 제조방법.
According to claim 16,
In the step of forming the optional layer, the coating amount of the optional layer is 2 to 10% by weight.
상기 선택층을 형성하는 단계에서 선택층은 두께가 0.01 내지 1 ㎛인 조밀층과 두께가 0.1 내지 5 ㎛인 다공성층으로 이루어진 비대칭성 구조를 형성하는 것인 기체 분리용 혼합 매질 분리막의 제조방법.
According to claim 16,
In the step of forming the selective layer, the selective layer forms an asymmetric structure composed of a dense layer having a thickness of 0.01 to 1 μm and a porous layer having a thickness of 0.1 to 5 μm.
상기 조밀층은 상기 폴리비닐이미다졸(PVI)-폴리옥시에틸렌메타크릴레이트(POEM) 공중합체를 포함하는 고분자 매트릭스 및 제1 금속-유기 골격체(metal-organic framework, MOF)를 포함하고,
상기 다공성층은 상기 조밀층의 상부에 위치하면서 제2 금속-유기 골격체로 이루어진 것인 기체 분리용 혼합 매질 분리막의 제조방법.
According to claim 21,
The dense layer includes a polymer matrix including the polyvinylimidazole (PVI)-polyoxyethylene methacrylate (POEM) copolymer and a first metal-organic framework (MOF),
The method of manufacturing a mixed medium separation membrane for gas separation, wherein the porous layer is positioned on top of the dense layer and is made of a second metal-organic framework.
상기 기체 분리용 혼합 매질 분리막을 제조하는 단계에서 건조는 20 내지 30 ℃의 온도에서 4 내지 8 시간 동안 수행하는 것인 기체 분리용 혼합 매질 분리막의 제조방법.
According to claim 16,
In the step of preparing the mixed medium separation membrane for gas separation, drying is performed at a temperature of 20 to 30 ° C. for 4 to 8 hours.
상기 다공성 고분자 지지체는 폴리설폰이고,
상기 선택층을 형성하는 단계 전에, 상기 다공성 고분자 지지체의 표면에 폴리(1-트리메틸실릴-1-프로핀)을 이용하여 표면 코팅층을 형성하는 단계;를 더 포함하고,
상기 공중합체를 제조하는 단계는 상기 폴리비닐이미다졸(PVI) 및 폴리옥시에틸렌메타크릴레이트(POEM)를 25:75 내지 35:65 중량비로 혼합하고,
상기 개시제는 아조비소부티로니트릴(azobisisobutyronitrile, AIBN)이고,
상기 화학식 1에서 x 및 y는 각 반복단위의 반복수로서, x는 15 내지 40이고, y는 60 내지 90이며, x:y는 25:75 내지 35:65이고, n은 5 내지 12의 정수이고,
상기 금속 유기 골격체는 상기 혼합물 100 중량%에 대하여 40 내지 50 중량%를 포함하고,
상기 금속 유기 골격체는 ZIF-8이고,
상기 ZIF-8의 아연(Zn) 함유량은 상기 선택층에 포함된 총 원자수를 기준으로 5.7 내지 6.4 원자%를 포함하고,
상기 용매는 에탄올 및 물의 혼합 용매이고,
상기 선택층의 코팅량은 2.7 내지 3 중량%이고,
상기 선택층은 두께가 0.05 내지 0.5 ㎛인 조밀층과 두께가 0.2 내지 2 ㎛인 다공성층으로 이루어진 비대칭성 구조를 가지는 것이고,
상기 선택층은 AFM 분석 결과 표면 거칠기 계수(roughness factor, Rq)가 75.7 내지 79.1 nm이고, 다공성도(porosity)가 54 내지 71%이고,
상기 기체 분리용 혼합 매질 분리막을 제조하는 단계에서 건조는 23 내지 27 ℃의 온도에서 5 내지 7 시간 동안 수행하는 것인 기체 분리용 혼합 매질 분리막의 제조방법. According to claim 16,
The porous polymer support is polysulfone,
Forming a surface coating layer using poly(1-trimethylsilyl-1-propyne) on the surface of the porous polymer support before the step of forming the selective layer; further comprising,
In preparing the copolymer, the polyvinylimidazole (PVI) and polyoxyethylene methacrylate (POEM) are mixed in a weight ratio of 25:75 to 35:65,
The initiator is azobisisobutyronitrile (AIBN),
In Formula 1, x and y are the repeating numbers of each repeating unit, x is 15 to 40, y is 60 to 90, x: y is 25:75 to 35:65, and n is an integer of 5 to 12 ego,
The metal organic framework comprises 40 to 50% by weight based on 100% by weight of the mixture,
The metal organic framework is ZIF-8,
The zinc (Zn) content of the ZIF-8 includes 5.7 to 6.4 atomic% based on the total number of atoms included in the selective layer,
The solvent is a mixed solvent of ethanol and water,
The coating amount of the optional layer is 2.7 to 3% by weight,
The selective layer has an asymmetric structure composed of a dense layer having a thickness of 0.05 to 0.5 μm and a porous layer having a thickness of 0.2 to 2 μm,
The selective layer has a surface roughness factor (Rq) of 75.7 to 79.1 nm and a porosity of 54 to 71% as a result of AFM analysis,
In the step of preparing the mixed medium separation membrane for gas separation, drying is performed at a temperature of 23 to 27 ° C. for 5 to 7 hours.
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C.S. Lee et al., Separation and Purification Technology, 242, 2020, 116780 * |
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