[논문]촉진수송: 기본 개념 및 기체분리막 응용

박철훈; 이재훈; 박민수; 김종학

doi:10.14579/membrane_journal.2017.27.3.205

촉진수송: 기본 개념 및 기체분리막 응용
Facilitated Transport: Basic Concepts and Applications to Gas Separation Membranes 원문보기

멤브레인 = Membrane Journal, v.27 no.3, 2017년, pp.205 - 215

박철훈 (연세대학교 화공생명공학과) , 이재훈 (연세대학교 화공생명공학과) , 박민수 (연세대학교 화공생명공학과) , 김종학 (연세대학교 화공생명공학과)

초록
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고분자 분리막은 가격이 저렴하고, 쉽게 제조가 가능하며, 투과도와 선택도가 우수하여 수처리 분야뿐만 아니라 기체분리에서도 중요한 역할을 한다. 하지만, 고분자 분리막은 일반적으로 투과도와 선택도의 역상관 관계를 나타내는 단점이 있다; 즉, 투과도가 높으면 선택도가 낮고, 선택도가 높으면 투과도가 높다. 이러한 단점을 극복하기 위한 방안 중의 하나가 촉진수송이다. 지난 수십 년간 촉진수송 이론은 촉진수송 분리막 제조에 있어 매우 중요하고 다양한 모델을 제시하는 데에 핵심적인 역할을 하였다. 한편, 촉진수송에서 주된 역할을 하는 운반체의 특성, 매질의 유동성 및 고분자 복합체의 물리화학적 성질 등을 이해하는 것은 중요하다. 운반체의 유동성에 따라 촉진수송 분리막의 종류를 3가지로 나눌 수 있다; 즉, 이동상 운반체 분리막, 준이동상 운반체 분리막, 고정상 운반체 분리막. 또한 촉진 운반체가 특정물질과 상호작용하는 데에는 4가지 종류의 가역반응으로 나눌 수 있다; 즉, 수소원자 전달 반응, 친핵성 첨가반응, 파이-착체 반응, 그리고 전기화학 반응. 이러한 촉진수송 분리막은 이산화탄소, 산소, 올레핀(프로필렌, 에틸렌)의 투과도를 선택적으로 향상시키는 역할을 한다. 이와 같이 본 총설에서는 다양한 촉진수송 분리막에 관련된 주요 연구내용과 이러한 연구를 수행하는 대표적인 전략들을 소개하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Polymer membranes are cheap and easy in fabrication, and show a high permeability and selectivity, thus play pivotal roles in gas separation as well as water purification. However, polymer membranes typically exhibit the trade-off relation between permeability and selectivity; i.e. when the permeability is high, the selectivity is low and vice versa. Facilitated transport has been considered one of the solutions to address this issue. Over the last decades, facilitated transport concept had played an important role in preparing the membranes and providing ideal and various models for the transport. Understanding the nature of carrier, the mobility of matrix and the physico-chemical properties of polymer composites are crucial for facilitated transport. Depending on the mobility of carrier, facilitated transport membrane is classified into three; mobile carrier membrane, semi-mobile carrier membrane, fixed-site carrier membrane. Also, there are four types of reversible reaction between the carrier and the specific target; proton transfer reaction, nucleophilic addition reaction, p-complexation reaction and electrochemical reaction. The facilitated transport membranes have been applied in the separation of CO2, O2 and olefin (propylene or ethylene). In this review, major challenges surrounding facilitated transport membranes and the strategies to tackle these challenges are given in detail.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

고정상 운반체 분리막은 액체 이동상 운반체 분리막의 불안정성을 보완하고자 개발되었다. 초기에 개발된 고정상 운반체 분리막은 고분자로 이루어져 있어 운반체가 고분자 사슬에 공유 결합으로 고정되어 있다.

제안 방법

Zhang 그룹은 이온성 경로들이 3차원적으로 연결된 고투과도 카보네이트 이온과 산화물 이온 전도체 분리막을 발표하였다[21]. 이 그룹에서는 공침전(co-precipitation)과 템블릿(sacrificial template)법을 함께 사용하여 높은 연결성과 균일하게 분포되어 있는 기공을 갖는 금속 산화물을 합성하였다. 카보네이트 상은 이러한 기공들을 체워주어 조밀한 분리막을 형성하였다.
Merkel 그룹은 운반체의 불안정성에 대한 기초적인 연구 결과를 발표하였다[22]. 이 그룹은 peroxide/acid 액체 또는 증기 처리를 이용하여 그 자리에서 고분자 전해질 분리막 안의 환원된 은 이온 운반체를 재생하는 방법을 개발하였다. 하지만 H₂S에 의해 오염된 은 이온은 산화과정 중에서 올레핀 촉진수송을 방해하는 Ag₂SO₄를 생성하게 되어 이러한 방법으로는 운반체가 재생될 수 없다.

성능/효과

최근 몇 년간 표면에 부분적으로 양전하를 띤 금속 원자들이 새로운 올레핀 운반체로서 큰 관심을 받아왔다[12-14]. 유기 전자 받개(electron-acceptor) 분자로 인해 표면에 양전하를 띤 은 나노입자(silver nanoparticles)는 은 양이온(Ag⁺)을 효과적으로 대체할 수 있었으며, 은 나노입자의 표면에 있는 은 원자들은 올레핀을 촉진수송할 수 있는 효율적인 올레핀 운반체 역할을 하였다. Fig.
카보네이트 상은 이러한 기공들을 체워주어 조밀한 분리막을 형성하였다. 이러한 종류의 분리막은 기존의 방식으로 제작된 세라믹-카보네이트 시스템에 비해 이산화탄소의 투과도가 100배 이상 향상되었다. 따라서 이러한 종류의 분리막은 고온의 연소가스나 시프트가스(shift gas)에서 이산화탄소를 분리 및 포집하는 곳에 활용될 수 있다.
전자 전도체와 산소 이온(O^2-) 전도체로 이루어진 혼합 전도 분리막은 촉진수송 분리막으로서 공기 분리에 큰 가능성을 보여주었다. 산소 이온이 산소의 빈자리들을 통해 투과되기 때문에 혼합 전도 분리막은 이론적으로 100% 순수한 산소를 생성할 수 있다.
금속 이온들은 일반적으로 고분자 사슬을 더 강직하게 만들며 자유 부피를 감소시키기 때문에 일반적으로 투과도를 감소시킨다. 하지만, K⁺ 이온과 이산화탄소간의 가역적 상호작용으로 인한 촉진수송 효과로 이산화탄소 투과도 향상을 얻을 수가 있었다. 또 다른 연구로는 이온성 액체에 분산되어진 양전하로 분극화된 구리 나노입자가 이산화탄소의 투과도와 선택도를 동시에 향상시킬 수 있다는 보고가 있었다.

후속연구

수분로 인해 유도되는 고분자 매질의 팽윤 현상으로 인해 효과적인 운반체의 양이 늘어나게 된다. 따라서 미래에 연구될 이산화탄소 분리를 위한 촉진수송 고분자 분리막은 건조상태와 수분이 있는 상태를 각각 다른 운반체의 종류와 양에 따라 비교를 해야 되며, 이러한 연구는 분리막의 구조와 투과 메커니즘 이해에 큰 도움을 줄 수 있을 것으로 예상된다.
혼합 전도 분리막을 고온의 산화/환원 반응을 위한 분리막 반응기로 사용한다면 더 적절하게 에너지를 사용할 수 있을 것으로 생각된다. 또한 혼합 전도 분리막의 안정성과 분리막의 구조 형태는 중요한 요소가 되며 미래에 대규모의 공기 분리에 사용될 것으로 기대한다.
고농도의 산소 빈자리를 생성하기 위해서 높은 온도가 필요로 되는 것은 에너지 효율적 측면에서 좋은 방법은 아니다. 혼합 전도 분리막을 고온의 산화/환원 반응을 위한 분리막 반응기로 사용한다면 더 적절하게 에너지를 사용할 수 있을 것으로 생각된다. 또한 혼합 전도 분리막의 안정성과 분리막의 구조 형태는 중요한 요소가 되며 미래에 대규모의 공기 분리에 사용될 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고분자 분리막의 특징은 무엇인가?	고분자 분리막은 가격이 저렴하고, 쉽게 제조가 가능하며, 투과도와 선택도가 우수하여 수처리 분야뿐만 아니라 기체분리에서도 중요한 역할을 한다. 하지만, 고분자 분리막은 일반적으로 투과도와 선택도의 역상관 관계를 나타내는 단점이 있다; 즉, 투과도가 높으면 선택도가 낮고, 선택도가 높으면 투과도가 높다.
	촉진수송에서 운반체는 어떤 역할을 하는가?	촉진수송에서 가장 중요한 것은 운반체(carrier)이다. 운반체는 특정 기체와 가역적 상호작용을 통해 특정 기체의 투과도를 향상시키는 역할을 한다. 이를 운반체 매개수송(carrier-mediated transport)라고 하며, 운반체가 없는 일반 고분자막에서의 전달 메커니즘인 용액-확산 전달(solution-diffusion transport)에 추가적으로 물질이동에 도움을 주어 투과도가 향상되게 된다.
	촉진수송 분리막을 운반체의 유동성에 따라 구분한 세 가지 종류는 어떤 것들인가?	운반체의유동성(또는 움직임 정도)에 따라 촉진수송 분리막의 종류는 세 가지로 나눌 수 있다[1]. (1) 운반체가 자유롭게 분산 및 확산할 수 있는 이동상 운반체 분리막(mobile carrier membrane), (2) 높은 확산에 대한 활성 에너지를 필요로 하는 곳을 제외하고 운반체가 이동할 수 있는 준이동상 운반체 분리막(semi-mobile carrier membrane), (3) 운반체가 다른 곳으로 이동하기 보다는 제한된 나노구조 또는 분자구조에서 진동만 할 수 있는 고정상 운반체 분리막(fixed-site carrier membrane)이 있다. 이러한 세 가지 종류의 촉진수송 분리막에 대해 Fig.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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