[국내논문]Poly(ethylene oxide)와 Poly(ethylene-co-vinyl acetate)의 혼합막에 대한 기체분리 특성 Gas Separation Properties of Poly(ethylene oxide) and Poly(ethylene-co-vinyl acetate) Blended Membranes원문보기
본 연구에서는 poly(ethylene oxide) (PEO)와 poly(ethylene-co-vinyl acetate) (EVA) 혼합으로 구성된 막을 통한 단일기체($N_2$, $O_2$, $CO_2$)의 투과 성질을 조사하였다. FT-IR 분석 결과 제조된 막에서 새로운 흡수피크는 보이지 않았는데, 이것은 PEO와 EVA가 물리적으로 혼합되었음을 나타낸다. SEM 관찰에서는 PEO/EVA 혼합 매트릭스에서 EVA 함량이 증가함에 따라 PEO의 결정상이 감소함을 보여 주었다. DSC 분석결과 PEO/EVA 혼합막의 결정화도는 EVA 함량이 증가함에 따라 감소하였다. 기체투과 실험은 4~8 bar의 공급압력에서 이루어졌다. PEO/EVA 혼합막에서 $CO_2$의 투과도는 공급 압력 증가에 따라 증가하였다. 그러나 $N_2$와 $O_2$의 투과도는 공급 압력에 무관하였다. 반면에, PEO/ EVA 혼합막의 모든 기체의 투과도는 반결정성 PEO에서 무정형 EVA의 함량이 증가함에 따라 증가하였다. 특히, 40 wt% EVA 혼합막은 64 Barrer의 $CO_2$ 투과도와 61.5의 $CO_2/N_2$ 이상선택도를 보였다. 높은 $CO_2$ 투과도와 $CO_2/N_2$ 이상선택도는 PEO의 극성 에테르기 또는 EVA의 극성 에스터기와 극성 $CO_2$ 간의 강한 친화성에 기인한다.
본 연구에서는 poly(ethylene oxide) (PEO)와 poly(ethylene-co-vinyl acetate) (EVA) 혼합으로 구성된 막을 통한 단일기체($N_2$, $O_2$, $CO_2$)의 투과 성질을 조사하였다. FT-IR 분석 결과 제조된 막에서 새로운 흡수피크는 보이지 않았는데, 이것은 PEO와 EVA가 물리적으로 혼합되었음을 나타낸다. SEM 관찰에서는 PEO/EVA 혼합 매트릭스에서 EVA 함량이 증가함에 따라 PEO의 결정상이 감소함을 보여 주었다. DSC 분석결과 PEO/EVA 혼합막의 결정화도는 EVA 함량이 증가함에 따라 감소하였다. 기체투과 실험은 4~8 bar의 공급압력에서 이루어졌다. PEO/EVA 혼합막에서 $CO_2$의 투과도는 공급 압력 증가에 따라 증가하였다. 그러나 $N_2$와 $O_2$의 투과도는 공급 압력에 무관하였다. 반면에, PEO/ EVA 혼합막의 모든 기체의 투과도는 반결정성 PEO에서 무정형 EVA의 함량이 증가함에 따라 증가하였다. 특히, 40 wt% EVA 혼합막은 64 Barrer의 $CO_2$ 투과도와 61.5의 $CO_2/N_2$ 이상선택도를 보였다. 높은 $CO_2$ 투과도와 $CO_2/N_2$ 이상선택도는 PEO의 극성 에테르기 또는 EVA의 극성 에스터기와 극성 $CO_2$ 간의 강한 친화성에 기인한다.
In this study, we investigated permeation properties of single gas ($N_2$, $O_2$, $CO_2$) through membranes composed of poly(ethylene oxide) (PEO) and poly(ethylene-co-vinyl acetate) (EVA) blend. The prepared membranes showed no new absorbance peaks, which indicate t...
In this study, we investigated permeation properties of single gas ($N_2$, $O_2$, $CO_2$) through membranes composed of poly(ethylene oxide) (PEO) and poly(ethylene-co-vinyl acetate) (EVA) blend. The prepared membranes showed no new absorbance peaks, which indicate the physical blending of PEO and EVA by FT-IR analysis. SEM observation showed that the crystalline phase of PEO decreased with increasing EVA content in the PEO/EVA mixed matrix. DSC analysis showed that the crystallinity of the PEO/EVA blend membrane decreased with increasing EVA content. Gas permeation experiment was performed with various feed pressure (4~8 bar). The permeability increased in the following order: $N_2$ < $O_2$ < $CO_2$. The permeability of $CO_2$ in PEO/EVA blend membranes were increased with increasing feed pressure, However, the permeability of $N_2$ and $O_2$ were independent of feed pressure. On the other hand, the permeability of all the gases in PEO/EVA blend membranes increased with increasing amorphous EVA content in semi-crystalline PEO. In particular, the blend membrane with 40 wt% EVA showed $CO_2$ permeability of 64 Barrer and $CO_2/N_2$ ideal selectivity of 61.5. The high $CO_2$ permeability and $CO_2/N_2$ ideal selectivity are attributed to strong affinity between the polar ether groups of PEO or the polar ester groups of EVA and polar $CO_2$.
In this study, we investigated permeation properties of single gas ($N_2$, $O_2$, $CO_2$) through membranes composed of poly(ethylene oxide) (PEO) and poly(ethylene-co-vinyl acetate) (EVA) blend. The prepared membranes showed no new absorbance peaks, which indicate the physical blending of PEO and EVA by FT-IR analysis. SEM observation showed that the crystalline phase of PEO decreased with increasing EVA content in the PEO/EVA mixed matrix. DSC analysis showed that the crystallinity of the PEO/EVA blend membrane decreased with increasing EVA content. Gas permeation experiment was performed with various feed pressure (4~8 bar). The permeability increased in the following order: $N_2$ < $O_2$ < $CO_2$. The permeability of $CO_2$ in PEO/EVA blend membranes were increased with increasing feed pressure, However, the permeability of $N_2$ and $O_2$ were independent of feed pressure. On the other hand, the permeability of all the gases in PEO/EVA blend membranes increased with increasing amorphous EVA content in semi-crystalline PEO. In particular, the blend membrane with 40 wt% EVA showed $CO_2$ permeability of 64 Barrer and $CO_2/N_2$ ideal selectivity of 61.5. The high $CO_2$ permeability and $CO_2/N_2$ ideal selectivity are attributed to strong affinity between the polar ether groups of PEO or the polar ester groups of EVA and polar $CO_2$.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 CO2와 강한 상호작용을 하는 극성 에틸렌옥사이드기를 갖는 PEO의 투과 성능을 개선시키기 위하여 PEO와 EVA 혼합막을 제조하고 EVA의 함량변화와 압력 변화에 따른 CO2와 N2의 투과특성을 알아보았다. 또한 혼합막의 열적 특성과 표면 형상도 조사하였다.
본 연구에서는 PEO와 EVA의 혼합막을 제조하여 EVA의 함량 변화에 따른 기체투과도를 연구하였다. 실험 범위 내에서 PEO와 EVA는 혼화성이 양호하였으며 혼합막은 유연하면서 투명한 특성을 나타내었다.
제안 방법
의 투과특성을 알아보았다. 또한 혼합막의 열적 특성과 표면 형상도 조사하였다.
EVA 단일막은 EVA를 chloroform 100 mL에 60°C에서 교반하여 용해시켰으며, 유리 페트리디쉬에 캐스팅하여 실온에서 건조시킨 후 70°C의 오븐에서 24시간 건조하였다[18]. PEO와 EVA 혼합막은 EVA를 PEO 함량 대비 20, 40, 60, 80% 되게 첨가하여 chloroform에 용해시켰다. 혼합용액은 캐스팅하여 실온에서 건조시킨 후 70°C의 오븐에서 1시간 건조하여 제조하였다.
단일막과 혼합막의 작용기 분석을 위한 FT-IR은 BRUKER사의 VERTEX 70을 사용하였으며, 막의 모폴로지 관찰을 위한 SEM 이미지는 JEOL사의 JSM 5600LV를 사용하여 300-500 배율에서 확인하였다. DSC는 TA사의 TA Q2000을 사용하였고, 질소 분위기 하에서 승온 속도 10 °C/min, 130°C까지 승온시켜 단일막과 혼합막의 용융 엔탈피를 측정하였고, 식 (1)로부터 막의 결정화도 Xc를 결정하였다.
DSC는 TA사의 TA Q2000을 사용하였고, 질소 분위기 하에서 승온 속도 10 °C/min, 130°C까지 승온시켜 단일막과 혼합막의 용융 엔탈피를 측정하였고, 식 (1)로부터 막의 결정화도 Xc를 결정하였다.
기체 투과 실험은 30°C에서 4, 6, 8 bar의 압력 별로 측정하였다.
대상 데이터
본 실험에서 평균 분자량 1,000,000인 PEO (Fig. 1)와 용매로 사용된 chloroform은 Alfa Aesar사(Massachusetts, 미국)제를 사용하였고, vinyl acetate 함량 40 wt%인 EVA는 Aldrich사(Milwakee, 미국)제를 사용하였다. 물은 초순수 장치를 통과한 정제수를 사용하였다.
에스.켐(주)(국산)의 GPA2001을 사용하였다. 투과도 측정에 사용된 기체는 O2, N2, CO2이며 모두 순도 99.
켐(주)(국산)의 GPA2001을 사용하였다. 투과도 측정에 사용된 기체는 O2, N2, CO2이며 모두 순도 99.995%의 것을 사용하였다. 막의 유효면적은 14.
3 (b)와 (c)에서 알 수 있듯이 PEO에 EVA 함량이 많아질수록 PEO의 결정상 부분이 작아지면서 점차 무정형 영역이 증가하고 있다. 순수한 EVA막은 균질 치밀한 비다공성의 고무상 고분자임을 확인하였다.
4에 나타내었다. 단일막과 혼합막은 오직 한 개의 유리전이온도 Tg만 측정되어서 PEO와 EVA는 혼화성이 양호함을 확인하였다. 이런 특징은 Cimmino 등의 연구 결과와도 일치한다[18].
용융점 영역을 적분하여 얻은 용융 엔탈피값을 식 (1)에 적용하여 결정화도를 구하였다. 순수한 PEO의 결정화도는 58%로 나타났으며, 혼합막의 결정화도는 EVA 함량이 증가할수록 감소하였다. 이것은 무정형 고분자인 EVA가 반결정성 PEO에 혼합되어 PEO 체인 내 EVA 함량이 많아질수록 무정형 영역이 증가하게 됨에 따라 나타나는 결과로써, 이는 곧 투과도의 증가로 이어지게 된다[16].
비압축성 기체인 O2, N2와는 다르게 압축성 기체인 CO2의 투과도는 압력이 증가할수록 투과도 또한 증가하는 고무상 고분자의 투과특성을 보이고 있다. PEO와 EVA 단일막을 비교해보면 PEO의 투과성이 EVA에 비해 현저히 낮으나 PEO와 EVA의 혼합막에서는 PEO에 EVA 함량이 증가할수록 투과성이 점차 증가하는 경향을 보이고 있다. 이러한 경향은 DSC 측정결과 PEO와 EVA의 혼합막의 결정화도에서 보여준 것과 같이 EVA 함량이 증가하면서 PEO와 EVA의 혼합막의 결정화도가 감소하였던 경향과 일치한다.
따라서 PEO와 EVA의 혼합막의 CO2/N2 이상선택도에 대한 성능은 저압에서보다 고압에서 더 효과적이다. 전체적으로 PEO와 EVA의 혼합막의 경우 EVA함량이 증가할수록 투과도는 증가하는 반면에 선택도는 감소하는 경향을 보임에 따라 trade-off 관계가 성립되는 것을 알 수 있다. 하지만 투과도 증가에 따른 선택도 감소는 상대적으로 높지 않았다.
9배 감소하였다. 결과적으로 PEO 내의 극성 에테르기 뿐만 아니라 EVA 내의 극성 에스터기가 사극성의 CO2와의 상호작용에 관여함으로써 투과도 증가와 더불어 선택도 감소를 최소화시켰음을 보여준다. 이는 기존의 연구 결과와 비교할 때 60 wt% PEO를 함유한 polyimide (BPDA-ODA),polyamide (PA6), polyurethane (MDI-BPA) 블록 공중합체의 CO2 투과도와 CO2/N2 선택도의 경우 각각 117 Barrer과 51, 66 Barrer과 56.
4 그리고 48 Barrer과 47인 선택도 값과 비교하여도 비슷한 수준의 높은 투과선택도를 나타내고 있다[4,5]. 따라서 반결정성 PEO와 EVA의 혼합막은 간단한 제막 과정과 더불어 CO2에 대한 높은 투과도와 선택도를 보이고 있으므로 CO2/N2 분리막의 가능성을 보여주었다
본 연구에서는 PEO와 EVA의 혼합막을 제조하여 EVA의 함량 변화에 따른 기체투과도를 연구하였다. 실험 범위 내에서 PEO와 EVA는 혼화성이 양호하였으며 혼합막은 유연하면서 투명한 특성을 나타내었다. SEM 측정 결과 PEO 내 EVA 함량이 증가하면서 결정상이 점차 사라지고 균질 치밀한 구조를 나타내었으며, DSC 측정 결과 PEO/EVA 혼합막의 결정화도는 EVA 함량에 따라 58.
실험 범위 내에서 PEO와 EVA는 혼화성이 양호하였으며 혼합막은 유연하면서 투명한 특성을 나타내었다. SEM 측정 결과 PEO 내 EVA 함량이 증가하면서 결정상이 점차 사라지고 균질 치밀한 구조를 나타내었으며, DSC 측정 결과 PEO/EVA 혼합막의 결정화도는 EVA 함량에 따라 58.1%에서 11.5%까지 감소하였다. PEO/EVA 혼합막의 기체투과도는 EVA 함량이 증가하면서 증가하는 반면에 선택도는 감소하는 trade-off 관계를 보였다.
5%까지 감소하였다. PEO/EVA 혼합막의 기체투과도는 EVA 함량이 증가하면서 증가하는 반면에 선택도는 감소하는 trade-off 관계를 보였다. 하지만 PEO/EVA 60/40 (wt/wt) 혼합막의 경우 CO2 투과도는 64 Barrer이고, CO2/N2 선택도는 61.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
이산화탄소를 분리 회수하는 방법은 무엇이며 그것의 문제점은?
이러한 이산화탄소는 대부분 화석연료의 연소과정에서 대기로 배출되는데 배출 가스에서 이산화탄소를 분리 회수하는 방법을 주로 이용하고 있다. 이산화탄소를 분리 회수하는 방법으로는 흡수법, 흡착법 그리고 심냉법 등이 전통적으로 이용되고 있는데, 이들은 고에너지와 고비용 및 다른 환경문제를 갖고 있다. 이러한 단점을 극복하기 위한 새로운 대안으로 분리막을 이용한 기술이 개발되고 있다.
Lin과 Freeman은 순수한 poly(ethylene oxide) (PEO) 막 실험에서 CO2/N2 선택도가 높게 나온 이유는?
24 Barrer로 낮은 값을 보였지만 CO2/N2 선택도는 63으로 높은 값을 가진다고 보고하였다[3]. 여기서 CO2/N2의 높은 선택도는 PEO 내의 극성 에테르기와 극성 CO2 간의 강한 상호작용의 결과이며 반면에 낮은 기체 투과도는 반결정성 고분자인 PEO의 높은 결정화도로 인한 기체 확산도가 감소하기 때문인 것으로 나타났다. 이러한 선택도와 투과도 간의 매우 심한 trade-off 현상을 개선하기 위한 방법으로 혼합막과 공중합막에 대한 연구들이 활발하게 이루어지고 있다[4-10].
Lin과 Freeman의 poly(ethylene oxide) (PEO) 막 실험에서의 결과보고는 어떠한가?
Lin과 Freeman은 순수한 poly(ethylene oxide) (PEO) 막 실험에서 CO2와 N2의 투과도는 35°C, 7.8 atm에서 각각 15과 0.24 Barrer로 낮은 값을 보였지만 CO2/N2 선택도는 63으로 높은 값을 가진다고 보고하였다[3]. 여기서 CO2/N2의 높은 선택도는 PEO 내의 극성 에테르기와 극성 CO2 간의 강한 상호작용의 결과이며 반면에 낮은 기체 투과도는 반결정성 고분자인 PEO의 높은 결정화도로 인한 기체 확산도가 감소하기 때문인 것으로 나타났다.
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