[논문]이산화탄소 분리를 위한 이온성 액체 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate/Al2O3 복합체 분리막

윤기완; 강상욱

doi:10.14579/membrane_journal.2017.27.3.226

이산화탄소 분리를 위한 이온성 액체 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate/Al2O3 복합체 분리막
1-Butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate/Al2O3 Composite Membrane for CO2 Separation 원문보기

멤브레인 = Membrane Journal, v.27 no.3, 2017년, pp.226 - 231

윤기완 (상명대학교 자연과학대학 화학과) , 강상욱 (상명대학교 자연과학대학 화학과)

초록
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이산화탄소 분리를 위해 이온성 액체/금속 산화물 복합막이 제조되었으며, 이온성 액체로서 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate ($BMIM^+BF_4{^-}$)와 금속산화물로서 $Al_2O_3$가 사용되었다. 13 nm의 $Al_2O_3$가 이온성 액체 $BMIM^+BF_4{^-}$에 도입되었을 때, 복합체 분리막의 성능은 $CO_2/N_2$ 선택도 30.5과 $CO_2$ 투과도 45.7 GPU로 관찰되었다. neat $BMIM^+BF_4{^-}$ 분리막의 성능($CO_2/N_2$ 선택도 5와 $CO_2$ 투과도 17 GPU)에 비해서 성능이 증가한 이유는 $Al_2O_3$의 옥사이드 층과 이온성 액체 내 자유로운 이온농도의 상승으로 인해 $CO_2$ 용해도가 상승한 것으로 확인되었다. 특히 $Al_2O_3$ 나노입자는 질소 기체에 대해서 장애물로서 작용함으로써 질소기체의 투과도가 감소하여 결과적으로 이산화탄소 분리 성능은 급격히 증가하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

1-Butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate ($BMIM^+BF_4{^-}$) and $Al_2O_3$ as metal oxide for preparation of composite membrane were utilized for the $CO_2$ separation. When 13 nm $Al_2O_3$ nanoparticles were incorporated into ionic liquid $BMIM^+BF_4{^-}$, the separation performance for composite membrane showed the selectivity ($CO_2/N_2$) of 30.5 and $CO_2$ permeance of 45.7 GPU. The enhanced separation performance was attributable to the increased $CO_2$ solubility by both oxide layer of $Al_2O_3$ and abundant free ions of ionic liquid. In particular, $Al_2O_3$ nanoparticles acted as obstacles to nitrogen gas, resulting in the decrease of permeability of nitrogen gas. As a result, the carbon dioxide separation performance could be enhanced.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 관점에서, 우리 연구팀은 CO₂ 용해도를 높일 수 있는 다른 나노 산화물을 연구하였다. 이번 논문에서는 CO₂ 용해도를 높이기 위한 나노금속 산화물로서 Al₂O₃ 입자를 선택하였고, 이온성 액체에 첨가된 BMIM⁺BF₄^-/Al₂O₃ 복합막을 제조하여 연구하였다. 분리막 내에서 잘 분산된 Al₂O₃ 나노입자는Al₂O₃로부터 생성된 옥사이드 층 때문에 CO₂ 분자와강한 친화성을 가지기 때문에 분산된 Al₂O₃ 표면이CO₂ 용해도를 높이는데 중요한 역할을 할 것으로 기대하였다.

제안 방법

Al₂O₃ 나노입자의 분산을 위하여 Al₂O₃ 분말이 에탄올에 첨가되었고, sonicater (SONIFIER 450, BRANSON)을 통해 10분 이상 분산작업을 진행하였다. 다음 과정으로 BMIM+BF4-에 혼합되었다.
BMIM⁺BF₄^-/Al₂O₃ 복합체 내에서의 상호작용을 확인하기 위해 FT-Ramna을 이용해 BF₄^-의 거동을 확인하였다. BF₄^-의 free ions, ion pairs, ion aggregates에 해당하는 stretching band는 각각 765, 770, 774 cm^-1에서 확인되는 것으로 알려져 있다[24].
BMIM⁺BF₄^-/Al₂O₃ 분리막을 통한 기체 투과 성능을알아보기 위해 혼합 용액을 polysulfone 지지체 위에 코팅하는 방식으로 분리막을 제작하였다. Fig.
CO₂와 N₂ 기체의 투과도는 bubble flow meter를 이용하여 측정하였고, 혼합 가스의 유량은 mass flow controller (MFC)를 통해 조절하였다. 가스 투과도는 GPU 단위를 통해 나타내었고, 1 GPU는 1 × 10^-6 cm³(STP)/(cm² s cmHg)이다.

대상 데이터

BMIM+BF₄- 내의 Al₂O₃의 분산도와 크기는 가속전압 200 kV로 운용되는 transmission electron mi-croscopy (TEM, JEOL JEM-2010)으로 측정되었다. Raman 측정은 LabRam ARAMIS spectrometer (785 nm line of diode laser)로 진행되었다.
기체 분리 성능을 측정하기 위해, Al₂O₃ 나노입자가 BMIM⁺BF₄^- 내에 분산된 복합막이 CO₂ 기체와 N₂ 기체 투과 실험에 사용되었다. 이번 실험은 Al₂O₃의 무게비율을 높여가며 실온에서 실험되었다.
복합 분리막을 만들기 위한 지지체로는 polysulfone (Toray Chemical Korea Inc., 두께 = 약 42 µm)지지체를 사용하였고, 구입한 시약들은 모두 별도의 정제 과정 없이 그대로 사용하였다.
실험에 사용한 시약은 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate (BMIM⁺BF₄^-)이고, Merck KGaA (Dar-mstadt, Germany)에서 구입하였고, Aluminum oxide (Al₂O₃, 13 nm particle size, 99.8%)는 Sigma-Aldrich에서 구입하였다. 복합 분리막을 만들기 위한 지지체로는 polysulfone (Toray Chemical Korea Inc.

이론/모형

가스 투과도는 GPU 단위를 통해 나타내었고, 1 GPU는 1 × 10^-6 cm³(STP)/(cm² s cmHg)이다. 기체투과실험은 예전 연구에서 측정했던 방식으로 측정되었다[25].

성능/효과

이러한 결과는 분산된 Al₂O₃의 옥사이드 층과 CO₂ 분자와의 상호작용에 기인한 것으로 판단되었다. 0.015 무게 비율까지는 분산된 Al₂O₃의 옥사이드 층이 CO₂의 용해도를 증가시켰으며 BMIM⁺BF₄^-의 자유로운 이온이 CO₂ 용해도를 동반 상승시켜, 결과적으로는 CO₂ 분자의 수송을 높여주었다. 상당한 양의 Al₂O₃이 BMIM+BF₄-에 첨가되었을 때, 분산되었던 Al₂O₃ 입자는 서로 결합하여 큰 덩어리를 이뤄 CO₂의 용해도가 낮아진 것으로 생각되었으며, 비슷한 경향이 기존 연구에서도 확인되었다[24-25].
3(a)에 나타냈다. Al₂O₃의 비율을 점차적으로 높였을 때, CO₂ 투과도는 0.015 무게 비율까지 급격히 증가한 반면에 0.02 무게 비율 이상일 때, CO2 투과도는 점차 낮아지는 경향을 보였다. 이러한 결과는 분산된 Al₂O₃의 옥사이드 층과 CO₂ 분자와의 상호작용에 기인한 것으로 판단되었다.
polysulfone지지체는 손가락 모양의 구조를 가지며, 코팅막의 두께는 약 6 µm로 관찰되었으며 polysulfone 지지체 위에 BMIM+BF4-/Al2O3 층이 잘 코팅되어 있는 것으로 확인되었다.
AgO 입자 표면과 BMIM⁺BF₄^- 사이의 강한 상호작용이 발생할 때, AgO 입자는 나노입자로 분산되었다. 결과적으로 분산된 AgO의 옥사이드 층과 이온성 액체의 자유로운 이온들은 CO₂ 용해도를 높이는 것으로 확인되었다. 이러한 관점에서, 우리 연구팀은 CO₂ 용해도를 높일 수 있는 다른 나노 산화물을 연구하였다.
2 (a)와 (b)는 대부분의 Al₂O₃ 나노입자가 BMIM+BF₄- 내에서 충분히 분산되어있는 것을 보여준다. 분산된 입자의 크기는 약 10-20 nm인 것으로 관찰되었으며, BMIM⁺BF₄^-/Al₂O₃ 복합막에서 Al₂O₃ 나노입자가 CO₂ 기체의 용해도를 증가시켜주는 역할을 할 것으로 예상하였다.
5로 각각 증가하였다. 이러한 결과는 옥사이드 층 때문에 Al₂O₃ 입자가 N₂ 분자보다 CO₂ 분자의 용해도를 증가시키는데 도움을 준다는 것을 보여주었다.
이러 한 분리 성능의 향상은 분리막 내에 분산된 Al2O3 나노 입자의 영향에 기인한 것으로 보인다. 이번 연구에서 Al₂O₃의 옥사이드 층과 이온성 액체 내 자유로운 이온 농도의 상승은 CO₂ 용해도를 향상시킬 수 있었고, 결 과적으로 CO₂의 분리성능이 증가하였다.
이러한 결과는 BMIM⁺와 짝이온인 BF₄^-의 약해진 상호작용에 의한 것으로 설명된다. 잘 분산된 Al₂O₃ 나노입자와 BMIM⁺BF₄^-의 상호작용 때문에, BF₄^- 이온과 BMIM⁺ 이온은 서로 자유로운 상태가 되었고, 자유로운 상태의 이온이 CO₂ 용해도를 상승시켜, CO₂ 분자의 투과도를 높여준 것으로 생각되었다.

후속연구

분리막 내에서 잘 분산된 Al₂O₃ 나노입자는Al₂O₃로부터 생성된 옥사이드 층 때문에 CO₂ 분자와강한 친화성을 가지기 때문에 분산된 Al₂O₃ 표면이CO₂ 용해도를 높이는데 중요한 역할을 할 것으로 기대하였다. 또한 이온생 액체인 BMIM⁺BF4^-에 Al₂O₃이 첨가되었을 때, 자유로운 이온도 CO₂분자의 용해도를증가시켜 결과적으로는 CO₂의 분리막 내 수송을 증가시킬 것이라고 기대되었다.
이번 논문에서는 CO₂ 용해도를 높이기 위한 나노금속 산화물로서 Al₂O₃ 입자를 선택하였고, 이온성 액체에 첨가된 BMIM⁺BF₄^-/Al₂O₃ 복합막을 제조하여 연구하였다. 분리막 내에서 잘 분산된 Al₂O₃ 나노입자는Al₂O₃로부터 생성된 옥사이드 층 때문에 CO₂ 분자와강한 친화성을 가지기 때문에 분산된 Al₂O₃ 표면이CO₂ 용해도를 높이는데 중요한 역할을 할 것으로 기대하였다. 또한 이온생 액체인 BMIM⁺BF4^-에 Al₂O₃이 첨가되었을 때, 자유로운 이온도 CO₂분자의 용해도를증가시켜 결과적으로는 CO₂의 분리막 내 수송을 증가시킬 것이라고 기대되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	증가한 대기 중 이산화탄소 수치는 어떤 결과를 초래했는가?	1960년부터 2010년까지 대기 중 이산화탄소 농도는 꾸준히 증가해 310에서 390 ppm 수준까지 증가하였다[2]. 이렇듯 증가한 대기 중 이산화탄소 수치는 홍수, 허리케인, 가뭄과 대량의 빙하가 녹는 등 자연 재해의 강도와 발생회수를 증가시키는 결과를 초래하였다[3]. 대기 중 이산화탄소를 포집하는 방법은 대기의 탄소 순환을 완성시키는 새로운 방법이다.
	이온성 액체의 특성은 무엇인가?	최근에는 이온성 액체(ILs)를 사용한 분리막이 기존의 이산화탄소 흡착 및 저장을 대체할 새로운 방법으로 대두되었다. 이온성 액체는 화학의 여러 분야에 적용가능한 용매로 사용되고 있는데, 낮은 용융점과 휘발성, 열적 안정성, 비발화성, 높은 이온 전도도 등 독특한 복합적 특성을 가지고 있다[12-15]. 이러한 특성들 외에도 이온성 액체는 뛰어난 CO2 용해성, 메테인, 질소 등과 연관된 선택성 때문에, 이온성 액체는 CO2 분리를 위한 대안으로 높은 가능성이 제시되었다[16].
	Dicar-boxylate 기반 이온성 액체의 음이온이 완전히 deproton 되었을 때, 선택적인 CO2 분리를 위한 효과적인 운반체로 작용하는 것이라 볼 수 있는 이유는 무엇인가?	Dicar-boxylate 기반 이온성 액체의 음이온이 완전히 deproton 되었을 때, 이것은 선택적인 CO2 분리를 위한 효과적인 운반체로 작용하는 것으로 밝혀졌다. 그 결과 trie-thylbutylammonium malonate ([N2224]2[malonate])와 tri-ethylbutylammonium maleate ([N2224]2[maleate]) 속에서CO2 투과도는 2147-2480 barrers 사이로 나타났으며, CO2/N2, CO2/CH4 투과선택도는 각각 178-265와 98-221의 결과가 보고되었다[23]. 그리고 최근의 연구결과에 의하면 나노금속 산화물이 이온성 액체에 도입되었을 때, 나노 금속 산화물이 분산된 이온성 액체를 기반으로 한 이산화탄소 분리막은 급격히 증가한 CO2 투과도와CO2/N2 선택성을 보였다.

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저자의 다른 논문 :

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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