탄소막은 고분자막에 비해 높은 선택성과 투과성, 열적, 화학적 안정성을 가지고 있어 기체 분리, 특히 휘발성 유기화합물(VOCs)분리막으로 많은 관심을 받고 있다. 활성탄소중공사막은 기공 표면(pore wall)에 형성된 흡착성 미세기공에 의해 선택적으로 응축성 성분이 흡착, 확산되는 흡착-확산 기구에 의해 흡착성-비흡착성 물질이 분리된다. 본 연구에서는 다공성 알루미나중공사막 지지체에 phenolic resin (novolac type)을 코팅한 후 산화, 탄화 및 활성화 등의 열분해 과정을 통해 막 표면과 기공 표변에 흡착성 미세기공이 형성된 활성탄소중공사막을 제조하였다. 또한 열분해 조건에 따른 phenol/alumina 복합 활성탄소중공사막의 물리적 특성과 기체 투과특성에 대해 살펴보았다. 그 결과, 제조된 phenol/alumina 복합 활성탄소중공사막이 휘발성 유기물질의 대부분을 차지하고 있는 탄화수소를 선택적으로 분리 회수하는데 매우 효과적인 특성을 갖고 있음을 확인할 수 있었다. 따라서 본 연구에서 개발된 phenol/alumina 복합 활성탄소중공 사막은 VOCs의 분리, 농축에 매우 효과적으로 활용 가능할 것으로 기대된다.
탄소막은 고분자막에 비해 높은 선택성과 투과성, 열적, 화학적 안정성을 가지고 있어 기체 분리, 특히 휘발성 유기화합물(VOCs) 분리막으로 많은 관심을 받고 있다. 활성탄소중공사막은 기공 표면(pore wall)에 형성된 흡착성 미세기공에 의해 선택적으로 응축성 성분이 흡착, 확산되는 흡착-확산 기구에 의해 흡착성-비흡착성 물질이 분리된다. 본 연구에서는 다공성 알루미나 중공사막 지지체에 phenolic resin (novolac type)을 코팅한 후 산화, 탄화 및 활성화 등의 열분해 과정을 통해 막 표면과 기공 표변에 흡착성 미세기공이 형성된 활성탄소중공사막을 제조하였다. 또한 열분해 조건에 따른 phenol/alumina 복합 활성탄소중공사막의 물리적 특성과 기체 투과특성에 대해 살펴보았다. 그 결과, 제조된 phenol/alumina 복합 활성탄소중공사막이 휘발성 유기물질의 대부분을 차지하고 있는 탄화수소를 선택적으로 분리 회수하는데 매우 효과적인 특성을 갖고 있음을 확인할 수 있었다. 따라서 본 연구에서 개발된 phenol/alumina 복합 활성탄소중공 사막은 VOCs의 분리, 농축에 매우 효과적으로 활용 가능할 것으로 기대된다.
Carbon membrane materials have received considerable attention for the gas separation including hydrocarbon mixture of ingredients of the volatile organic compounds(VOCs) because they possess their higher selectivity, permeability, and thermal stability than the polymeric membranes. The use of activ...
Carbon membrane materials have received considerable attention for the gas separation including hydrocarbon mixture of ingredients of the volatile organic compounds(VOCs) because they possess their higher selectivity, permeability, and thermal stability than the polymeric membranes. The use of activated carbon membranes makes it possible to separate continuously the VOCs mixture by the selective adsorption-diffusion mechanism which the condensable components are preferentially adsorbed in to the micropores of the membrane. The activated carbon hollow fiber membranes with uniform adsorptive micropores on the wall of open pores and the surface of the membranes have been fabricated by the carbonization of a thin film of phenolic resin deposited on porous alumina hollow fiber membrane. Oxidation, carbonization, and activation processing variables were controlled under different conditions in order to improve the separation characteristics of the activated carbon membrane. Properties of activated carbon hollow fiber membranes and the characterization of a gas permeation by pyrolysis conditions were studied. As the result, the activated carbon hollow fiber membranes with good separation capabilities by the molecular size mechanism as well as selective adsorption on the pores surface followed by surface diffusion effective in the recovery hydrocarbons have been obtained. Therefore, these activated carbon membranes prepared in this study are shown as promising candidate membrane for separation of VOCs.
Carbon membrane materials have received considerable attention for the gas separation including hydrocarbon mixture of ingredients of the volatile organic compounds(VOCs) because they possess their higher selectivity, permeability, and thermal stability than the polymeric membranes. The use of activated carbon membranes makes it possible to separate continuously the VOCs mixture by the selective adsorption-diffusion mechanism which the condensable components are preferentially adsorbed in to the micropores of the membrane. The activated carbon hollow fiber membranes with uniform adsorptive micropores on the wall of open pores and the surface of the membranes have been fabricated by the carbonization of a thin film of phenolic resin deposited on porous alumina hollow fiber membrane. Oxidation, carbonization, and activation processing variables were controlled under different conditions in order to improve the separation characteristics of the activated carbon membrane. Properties of activated carbon hollow fiber membranes and the characterization of a gas permeation by pyrolysis conditions were studied. As the result, the activated carbon hollow fiber membranes with good separation capabilities by the molecular size mechanism as well as selective adsorption on the pores surface followed by surface diffusion effective in the recovery hydrocarbons have been obtained. Therefore, these activated carbon membranes prepared in this study are shown as promising candidate membrane for separation of VOCs.
12시간 동안 교반하였다. 그 다음, 용액을 플라스틱 용기에 넣어 볼밀(ball mill)을 이용하여 24~48시간 동안 분쇄과정을 거친 후 다시 플라스크에 넣어 80℃ 에서 12시간 동안 교반하면서 일정량의 바인더 소재로 사용한 PSf을 첨가하여 방사용액을 제조하였다. Fig.
DS6200, Column, Porapak Q), 그리고 진공펌프를 이용하여 기체투과도 및 조성의 변화를 측정하였다. 그 밖에 지지체로 사용한 알루미나 중공사막의 경우 bubble flow meter (Agilent Technologies, USA)를 이용하여 압력 변화에 따른 기체의 투과특성 변화를 알아보았다.
사용한 기체는 Nz와 CA, C3H», C面0 단일기체 및 C2H6/N2, CMvN, C4Hio/N2 각각 5/95 wt%의 혼합기체를 사용하였다. 기체투과 실험은 Fig. 3에서 보는 바와 같이 모듈의 기체 공급부(feed side)로 압력조절기(pressure regulator) 와 유량조절기(mass flow controller, MFC)를 이용하여 일정 압력으로 일정 유량의 기체를 주입하였다. 또한 본 기체투과장치는 교차흐름(cross-flow)방식으로 혼합기체의 경우 모듈의 배출부(retentate side)에서 유량 조절기(mass flow controller, MFC)를 이용하여 배출 기체의 흐름량을 조절하였으며, 투과부(permeate side) 는유량흐름기(mass flow meter, MFM)와 기체크로마토그래피 (GC, Donam Instruments Inc.
다양한 조성의 알루미나 전구체를 사용하여 건/습식방사를 통한 상전이 공정에 의해 중공사막을 제조한 다음 소결온도를 1, 350℃와 1, 400℃로 변화시키면서 최종적으로 활성탄소중공사막 지지체용 알루미나 중공사막을 제조하였다. Fig.
3에서 보는 바와 같이 모듈의 기체 공급부(feed side)로 압력조절기(pressure regulator) 와 유량조절기(mass flow controller, MFC)를 이용하여 일정 압력으로 일정 유량의 기체를 주입하였다. 또한 본 기체투과장치는 교차흐름(cross-flow)방식으로 혼합기체의 경우 모듈의 배출부(retentate side)에서 유량 조절기(mass flow controller, MFC)를 이용하여 배출 기체의 흐름량을 조절하였으며, 투과부(permeate side) 는유량흐름기(mass flow meter, MFM)와 기체크로마토그래피 (GC, Donam Instruments Inc. DS6200, Column, Porapak Q), 그리고 진공펌프를 이용하여 기체투과도 및 조성의 변화를 측정하였다. 그 밖에 지지체로 사용한 알루미나 중공사막의 경우 bubble flow meter (Agilent Technologies, USA)를 이용하여 압력 변화에 따른 기체의 투과특성 변화를 알아보았다.
2 pm, 10 pm) 및 방사용액에서의 알루미나 함량 (50%, 70%) 등에 따라 중공사막의 구조를 지상 구조(finger- tepe)와 스펀지 구조(sponge-type)로 형성됨을 알 수 있었다. 또한 소결온도(1, 350℃, 1, 400℃)를 변화시키며 형성된 기공의 크기 및 형태를 살펴보았다. 이와 같은 방법으로 제조된 알루미나중공사막의 기공 크기를 알아보기 위해 질소(N2), 에탄(C2H6), 프로판(C3H8), 부탄 (C4H10)의 단일 기체에 대해 공급압력 변화에 따른 기체 투과도를 살펴본 결과 Knudsen diffusion과 viscous flow 의 복합 투과 메카니즘에 의해 기체가 투과됨을 알 수 있었다.
제조하였다. 먼저, 다공성 지지체인 binder polymer 로 폴리설폰을 이용하여 알루미나 중공사막을 제조하였다. 그 결과 전구체로 사용한 알루미나의 입자크기 (0.
다음과 같은 소결과정을 거쳐 지지체용 알루미나 중공사막을 제조하였다. 먼저, 알루미나/폴리설폰 중공사막을 20 cm 길이로 절단한 다음 내경 1.5 cm의 상용화된 알루미나관(애자관)에 한 가닥씩 넣어 Fig. 2에 나타낸 회전식 튜브형태 fimace를 이용하여 공기 분위기하에서 250℃로 2시간 동안 처리하여 직선의 중공사막 (straight hollow Uber)을 제조하였으며, 이때 fijmace의회전속도는 3 rpm을 유지하였다. 이렇게 제조된 직선의 알루미나/폴리설폰 중공사막을 firoace를 이용하여 각각 1, 350℃및 l, 400℃로 소결과정을 거쳐 최종적으로 지지체용 알루미나 중공사막을 제조하였다.
본 연구에서 사용한 중공사막 제조 장치는 방사용액, 내부응고제 탱크 및 이송용 기어펌프 방사노즐(spinneret), 침전조, 응고조 그리고 권취조 등으로 구성되어 있으며, 중공사막 제조공정을 살펴보면, 먼저 기어펌프를 사용하여 방사용액과 내부 응고제를 일정한 유속으로 튜브인 올리피스(tube-in orifice) 형태의 방사노즐(spinneret) 로 이송시켰다. 이때 방사노즐이나 방사용액 및 내부응고제의 온도는 상온을 유지하도록 하였으며, 또한 방사 용액 및 내부 응고제 유속, 방사 높이 및 권취속도등의 중공사막 제막 요소들을 고려하여 제막하였다.
본 연구에서는 알루미나 중공사 지지체 위에 페놀수지를 코팅한 다음 다양한 열분해 및 활성화 조건을 통해 페놀수지/알루미나 복합 활성탄소중공사막을 제조하였다. 제조된 활성탄소중공사막은 N2와 C2H6, C3H8, C4H1o 단일기체 및 C2WN2, C3H8/N2, C4HWN2 각각 5/95 wt%의 혼합기체를 이용하여 분리투과 특성을 알아보았다.
알루미나 중공사 지지체를 제조하기 위하여 플라스크에 용매로 DMAc, 1, 4-dioxane과 계면활성제로 BYK-109, BYK-190을 각각 일정 조성으로 넣은 다음 알루미나 (AI2O3, 2 gm, 10 um)를 소량씩 일정량 첨가한 후 상온에서 12시간 동안 교반하였다. 그 다음, 용액을 플라스틱 용기에 넣어 볼밀(ball mill)을 이용하여 24~48시간 동안 분쇄과정을 거친 후 다시 플라스크에 넣어 80℃ 에서 12시간 동안 교반하면서 일정량의 바인더 소재로 사용한 PSf을 첨가하여 방사용액을 제조하였다.
위와 같이 제조된 복합 활성탄소중공사막의 기체투과 특성을 알아보기 위하여 Fig. 3과 같은 진공을 이용한 기체투과장치를 제작하여 사용하였다. 사용한 기체는 Nz와 CA, C3H», C面0 단일기체 및 C2H6/N2, CMvN, C4Hio/N2 각각 5/95 wt%의 혼합기체를 사용하였다.
이송시켰다. 이때 방사노즐이나 방사용액 및 내부응고제의 온도는 상온을 유지하도록 하였으며, 또한 방사 용액 및 내부 응고제 유속, 방사 높이 및 권취속도등의 중공사막 제막 요소들을 고려하여 제막하였다. 내부 응고제는 초순수를 사용하였으며 침전조액과 응고조액은 수돗물을 단순 필터과정을 통해 사용하였다.
각각 수행하였다. 이때 코팅용액은 phenolic resin/NMP = 30/70, 40/60, 50/50 (wt%/wt%)의 비율로, 먼저 용매인 N3P를 플라스크에 일정량을 넣은 다음 80℃에서 천천히 교반하면서 미리 dry oveti에서 충분히 건조된 페놀수지를 소량씩 첨가하는 방법으로 제조하였다. 이렇게 제조된 페놀수지 코팅용액은 상온에서 일정 시간 동안 방치하여 용액 내에 있는 기포를 제거한 다음 지지체인 알루미나 중공사막을 코팅용액에 침지 시키는 방법으로 코팅하였다.
흡착을 위한 미세기공을 형성시키기 위해 실시한 활성화 공정은 이산화탄소 분위기에서 800~930℃로 활성화시켰으며, 이때 반응시간은 90 min 범위에서 실시하였다. 이러한 산화, 탄화와 활성화조건을 변화시켜 페놀수지/알루미나 복합 활성탄소중공사막을 제조하였다.
이렇게 제조된 알루미나/폴리설폰 중공사막을 이용하여 다음과 같은 소결과정을 거쳐 지지체용 알루미나 중공사막을 제조하였다. 먼저, 알루미나/폴리설폰 중공사막을 20 cm 길이로 절단한 다음 내경 1.
2에 나타낸 회전식 튜브형태 fimace를 이용하여 공기 분위기하에서 250℃로 2시간 동안 처리하여 직선의 중공사막 (straight hollow Uber)을 제조하였으며, 이때 fijmace의회전속도는 3 rpm을 유지하였다. 이렇게 제조된 직선의 알루미나/폴리설폰 중공사막을 firoace를 이용하여 각각 1, 350℃및 l, 400℃로 소결과정을 거쳐 최종적으로 지지체용 알루미나 중공사막을 제조하였다.
이와 함께 알루미나 중공사막 지지체 위에 Phenol (phenol/NMP = 50/50 wM%)을 얇게 코팅한 후 건조 (25℃, 3일), 산화(150℃) 및 탄화(750℃), 그리고 활성화 공정을 통해 페놀/알루미나 복합 활성탄소 중공사막을 제조하였다. 이렇게 제조된 페놀/알루미나 복합 활성탄소 중공사막의 질소(N, , 에탄(C2H6), 프로판(C3HQ, 부탄(C4Hn))의 단일 기체 및 질소(95%)-탄화수소(5%) 혼합 기체에 대한 투과거동을 살펴보았다. 그 결과 탄화수소의 탄소수가 증가함에 따라 분리효율이 우수하다는 것을 알 수 있었다.
이때 코팅용액은 phenolic resin/NMP = 30/70, 40/60, 50/50 (wt%/wt%)의 비율로, 먼저 용매인 N3P를 플라스크에 일정량을 넣은 다음 80℃에서 천천히 교반하면서 미리 dry oveti에서 충분히 건조된 페놀수지를 소량씩 첨가하는 방법으로 제조하였다. 이렇게 제조된 페놀수지 코팅용액은 상온에서 일정 시간 동안 방치하여 용액 내에 있는 기포를 제거한 다음 지지체인 알루미나 중공사막을 코팅용액에 침지 시키는 방법으로 코팅하였다. 페놀수지 용액으로 코팅된 알루미나 중공사막은 상온에서 약 2일 동안 건조한 다음 다시 60℃ dry oven에서 24시간 동안 건조시켰다.
즉, 제조된 알루미나 중공사막이 지지체용으로 적합한 미세 기공으로 형성되어 있음을 알 수 있었다. 이와 함께 알루미나 중공사막 지지체 위에 Phenol (phenol/NMP = 50/50 wM%)을 얇게 코팅한 후 건조 (25℃, 3일), 산화(150℃) 및 탄화(750℃), 그리고 활성화 공정을 통해 페놀/알루미나 복합 활성탄소 중공사막을 제조하였다. 이렇게 제조된 페놀/알루미나 복합 활성탄소 중공사막의 질소(N, , 에탄(C2H6), 프로판(C3HQ, 부탄(C4Hn))의 단일 기체 및 질소(95%)-탄화수소(5%) 혼합 기체에 대한 투과거동을 살펴보았다.
제조된 활성탄소중공사막은 N2와 C2H6, C3H8, C4H1o 단일기체 및 C2WN2, C3H8/N2, C4HWN2 각각 5/95 wt%의 혼합기체를 이용하여 분리투과 특성을 알아보았다.
페놀수지/알루미나 복합 활성탄소중공사막을 제조하기 위해 위와 같은 방법으로 제조된 지지체용 알루미나 중공사막 위에 페놀수지를 얇게 코팅한 후 건조과정을 거친 다음, fornace를 이용하여 산화, 탄화, 활성화 공정을 각각 수행하였다. 이때 코팅용액은 phenolic resin/NMP = 30/70, 40/60, 50/50 (wt%/wt%)의 비율로, 먼저 용매인 N3P를 플라스크에 일정량을 넣은 다음 80℃에서 천천히 교반하면서 미리 dry oveti에서 충분히 건조된 페놀수지를 소량씩 첨가하는 방법으로 제조하였다.
대상 데이터
본 연구에서 제조된 알루미나 중공사막의 경우 제조조건 범위 하에서 기계적 강도는 거의 동일한 것으로 나타났으나 미세 기공 구조 등을 고려하여 알루미나 입자크기가 0.2 pm, 함량 50%, 및 소결온도 1, 400℃의조건에서 제조한 알루미나 중공사막이 활성탄소 중공사막의 지지체로 사용하였다. 알루미나 중공사막의 pore size는 약 0.
본 연구에서는 페놀/알루미나 복합 활성탄소 중공사막을 제조하였다. 먼저, 다공성 지지체인 binder polymer 로 폴리설폰을 이용하여 알루미나 중공사막을 제조하였다.
3과 같은 진공을 이용한 기체투과장치를 제작하여 사용하였다. 사용한 기체는 Nz와 CA, C3H», C面0 단일기체 및 C2H6/N2, CMvN, C4Hio/N2 각각 5/95 wt%의 혼합기체를 사용하였다. 기체투과 실험은 Fig.
사용하였다. 중공사 지지체 소재로는 aluminum oxide (AI2O3, 2 gm, 6 |im, Aldrich)와 binder 고분자로 폴리 설폰(polysulfbne, PS£ Aldrich), 계면활성제로 BYK-109, BYK-190을 사용하였으며, 용매로는 dimethylacetamide (DMAc)와 1, 4-dioxane (Junsei)을 사용하였다. 또한 중공사 지지체는 건습식 방사법으로 제조하였으며, 이때 내, 외부 응고제로는 각각 순수를 사용하였다.
중공사 지지체 소재로는 aluminum oxide (AI2O3, 2 gm, 6 |im, Aldrich)와 binder 고분자로 폴리 설폰(polysulfbne, PS£ Aldrich), 계면활성제로 BYK-109, BYK-190을 사용하였으며, 용매로는 dimethylacetamide (DMAc)와 1, 4-dioxane (Junsei)을 사용하였다. 또한 중공사 지지체는 건습식 방사법으로 제조하였으며, 이때 내, 외부 응고제로는 각각 순수를 사용하였다.
성능/효과
6에는 위의 조건 하에서 제조된 알루미나 중공사막의 단일 기체투과도를 나타내었다. 결과에서 보는 바와 같이 압력의 변화에 따라 기체들의 투과도는 거의 변화가 없었으며, 또한 각 기체의 투과도는 에탄(C2H6)> 프로판(C3H«) > 질소(N2) > 부탄 (C4H10)의 순으로 나타났다. 이는 분리막 기공의 크기에기인된 결과로서 본 연구의 지지체로 사용된 알루미나 중공사막의 경우 기공의 구조가 비대칭으로 표면에는 미세 기공이 주로 분포되어 있고 그 하부 쪽에는 보다 큰 기공이 존재하는 것으로 보인다.
9에는 질소(95%)-탄화수소(5%) 혼합기체에 대한 총 투과도(total penneance) 를 나타내었다. 그 결과 모든 혼합기체에서 단일 기체의 투과 결과와 같이 투과 압력이 증가함에 따라 총 투과도는 감소하는 현상을 보였다. 또한 단일 기체의 투과도에 비해 IO? gpu 정도로 낮은 투과 특성을 보였으며, 이러한 결과는 혼합기체에서 탄화수소의 부분압 (partial pressure)이 단일 기체에 비해 감소했기 때문이다.
6 cmHg)로 변화시키면서 기체투과거동을 살펴보았다. 그 결과 압력이 증가함에 따라 기체투과 도는 감소하였으며, 이러한 결과는 기체의 공급 압력이 증가함에 따라 분리막 기공 벽에 형성된 흡착 미세공 (adsorption site)에 흡착되는 기체의 양이 변하기 때문에 나타나는 현상으로 보인다. 이와 관련하여 Koresh와 Soflbr[10]는 다음과 같이 투과도(?)는 분리막 내부의 흡착농도(c)와 관계된다고 보고하였다.
먼저, 다공성 지지체인 binder polymer 로 폴리설폰을 이용하여 알루미나 중공사막을 제조하였다. 그 결과 전구체로 사용한 알루미나의 입자크기 (0.2 pm, 10 pm) 및 방사용액에서의 알루미나 함량 (50%, 70%) 등에 따라 중공사막의 구조를 지상 구조(finger- tepe)와 스펀지 구조(sponge-type)로 형성됨을 알 수 있었다. 또한 소결온도(1, 350℃, 1, 400℃)를 변화시키며 형성된 기공의 크기 및 형태를 살펴보았다.
10와 11에는 각 혼합기체에 대한 개별 투과도(individual permeance)를 나타내었다. 그 결과 총투과도(total permeance)와는 달리 탄화수소의 개별 투과도(individual permeance)의 경우 프로판 > 부탄 > 에탄 순으로 관찰되었으며 특히 흥미로운 결과는 질소 개별 투과도(individual permeance)의 경우로 에탄>프로판>부탄 순으로 나타났다. 이러한 결과는 탄화수소의 분자 크기 및 흡착특성에 기인한 현상으로 보인다.
이렇게 제조된 페놀/알루미나 복합 활성탄소 중공사막의 질소(N, , 에탄(C2H6), 프로판(C3HQ, 부탄(C4Hn))의 단일 기체 및 질소(95%)-탄화수소(5%) 혼합 기체에 대한 투과거동을 살펴보았다. 그 결과 탄화수소의 탄소수가 증가함에 따라 분리효율이 우수하다는 것을 알 수 있었다. 이러한 현상은 흡착 및 표면 흐름(surface flow)에 의한 투과거동으로 흡착-선택성 활성 탄소 막에서 볼 수 있는 전형적인 투과 메카니즘이라 할 수 있다.
이러한 현상은 흡착 및 표면 흐름(surface flow)에 의한 투과거동으로 흡착-선택성 활성 탄소 막에서 볼 수 있는 전형적인 투과 메카니즘이라 할 수 있다. 따라서 본 연구를 통해 제조된 페놀/알루미나 복합 활성탄소중공사막은 휘발성 유기물질 (VOCs)의 대부분을 차지하고 있는 탄화수소의 분리 . 농축 공정에 매우 효과적으로 활용이 가능할 것으로 보인다.
미세공 물질의 특성인 I-isotherm의 경우 흡착물의 부분압에 따라 3 이 邮)T가 감소하게 되며 결과적으로 흡착물의 투과도가 감소하게 된다. 또한 결과에서 보는 바와 같이 분자크기가 질소에 비해 상대적으로 큰 탄화수소들이 본 실험 압력의 전범위에서 높은 투과도를 나타내었다. 이러한 결과는 탄화수소의 흡착 및 표면흐름(surface flow) 메카니즘에 의한 결과이다.
이러한 결과는 알루미나 함량이 50%에서 70%로 증가함에 따라 상승된 점도에 의한 상전이 속도 차이 때문에 나타나는 구조적 변화로 관찰되어진다. 또한 소결 온도가 1, 35(TC에서 1, 400℃로 증가함에 따라 지상 구조가 붕괴되는 현상을 관찰할 수 있었으며 이는 온도가 증가함에 따라 알루미나 입자들 간의 소결 정도가 높아지기 때문에 나타나는 현상으로 보인다. Fig.
5에는 1, 400℃에서 소결한 알루미나 중공사막의 내 . 외부 표면 및 단면의 구조로서 알루미나 입자들이 잘 소결되어있음을 관찰할 수 있었다.
또한 소결온도(1, 350℃, 1, 400℃)를 변화시키며 형성된 기공의 크기 및 형태를 살펴보았다. 이와 같은 방법으로 제조된 알루미나중공사막의 기공 크기를 알아보기 위해 질소(N2), 에탄(C2H6), 프로판(C3H8), 부탄 (C4H10)의 단일 기체에 대해 공급압력 변화에 따른 기체 투과도를 살펴본 결과 Knudsen diffusion과 viscous flow 의 복합 투과 메카니즘에 의해 기체가 투과됨을 알 수 있었다. 즉, 제조된 알루미나 중공사막이 지지체용으로 적합한 미세 기공으로 형성되어 있음을 알 수 있었다.
이러한 결과는 탄화수소의 흡착 및 표면흐름(surface flow) 메카니즘에 의한 결과이다. 이와 함께 본 연구에서 제조된 페놀/알루미나 복합 활성탄소 중공사막의 단일 기체투과도는 103~104 GPU로 높은 투과도를 나타내었다. Fig.
내부 응고제는 초순수를 사용하였으며 침전조액과 응고조액은 수돗물을 단순 필터과정을 통해 사용하였다. 제막 후 48시간 동안 수돗물을 이용한 세척과정과 열수를 이용한 열처리과정 및 건조과정을 걸쳐 최종적으로 중공사막을 제조할 수 있었다.
이와 같은 방법으로 제조된 알루미나중공사막의 기공 크기를 알아보기 위해 질소(N2), 에탄(C2H6), 프로판(C3H8), 부탄 (C4H10)의 단일 기체에 대해 공급압력 변화에 따른 기체 투과도를 살펴본 결과 Knudsen diffusion과 viscous flow 의 복합 투과 메카니즘에 의해 기체가 투과됨을 알 수 있었다. 즉, 제조된 알루미나 중공사막이 지지체용으로 적합한 미세 기공으로 형성되어 있음을 알 수 있었다. 이와 함께 알루미나 중공사막 지지체 위에 Phenol (phenol/NMP = 50/50 wM%)을 얇게 코팅한 후 건조 (25℃, 3일), 산화(150℃) 및 탄화(750℃), 그리고 활성화 공정을 통해 페놀/알루미나 복합 활성탄소 중공사막을 제조하였다.
이러한 결과는 탄화수소의 분자 크기 및 흡착특성에 기인한 현상으로 보인다. 즉, 탄화수소의 분자크기에 비례하여 부탄 > 프로판 > 에탄 순으로 분리막 기공 벽에 흡착되는 기체의 양도 증가하게 되며 그로 인하여 미세 기공을 통한 질소의 투과가 방해받게 되고 결과적으로 질소의 투과도가 낮아지는 것을 볼 수 있다. 이러한 결과는 Fig.
12의 혼합기체의 선택도 결과에서도 알 수 있다. 혼합기체의 선택도에서 보는 바와 같이 선택도는 질소 개별투과도 (individual permeance)의 결과와는 반비례적으로 부탄 > 프로판 > 에탄 순으로 운전압이 178.4 cmHg일 때 부탄 107, 프로판 23, 에탄 9로 나타났다.
후속연구
따라서 본 연구를 통해 제조된 페놀/알루미나 복합 활성탄소중공사막은 휘발성 유기물질 (VOCs)의 대부분을 차지하고 있는 탄화수소의 분리 . 농축 공정에 매우 효과적으로 활용이 가능할 것으로 보인다.
참고문헌 (10)
H. Mayer, "Air pollution in cities", Atmos. Environ, 33, 4029 (1999).
추수태, 남창모, "산업체 VOC/악취 저감기술", J. Korean Soc. Ind. Appl., 7, 289 (2004).
R. J. R. Uhlhorn, K. Keizer, and A. J. Burggraaf, "Gas transport and separation with ceramic membranes. Part I. Multilayer diffusion and capillary condensation", Membrane Journal, 66, 259 (1992).
P. Huang, N. Xu, J. Shi, and Y. S. Lin, "Recovery of Volatile Organic Solvent Compounds from Air by Ceramic Membranes", Ind. Eng. Chem. Res., 36, 3815 (1997).
H. H. Funke, A. M. Argo, J. L. Falconer, and R. D. Noble, "Separations of Cyclic, Branched, and Linear Hydrocarbon Mixtures through Silicalite Membranes", Ind. Eng. Chem. Res., 36, 137 (1997).
T. A. Centeno, J. L. Vilas, and A. B. Fuertes, "Effects of phenolic resin pyrolysis conditions on carbon membrane performance for gas separation", Membrane Journal, 228, 45 (2004).
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.